A aeração artificial em meio líquido visa suprir a baixa concentração de oxigênio dissolvido em ambientes deficientes deste, sendo um processo comumente aplicado na área de tratamento de efluentes por processos aeróbios. Uma forma de produzir aeração artificial é através de difusores submersos no fundo de um tanque com formação de bolhas, que ascendem e transferem seu oxigênio ao longo da coluna dágua. Para simular e melhor entender este processo e sua fluidodinâmica, um modelo inicial simplificado foi proposto, baseado em conceitos teóricos e equações que representem o fenômeno, como a de dispersão de bolhas, velocidades médias e concentração de oxigênio dissolvido. Foi considerado para realização dos cálculos um tanque retangular, com entrada de água a esquerda e saída de água a direita, com superfície sólida ao fundo e superfície livre acima, em contato com o ar. As equações de transporte de massa foram discretizadas no tempo, utilizando a técnica de Crank-Nicolson e no espaço segundo metodologia de diferenças centrais, solucionadas posteriormente por meio de técnicas iterativas do tipo Gauss-Seidel. As equações de transporte de quantidade de movimento foram resolvidas com o método MAC, explícito nas velocidades do fluido e implícito na pressão, para fornecer o campo de velocidade e pressão. A equação de que fornece o perfil de espalhamento das bolhas foi tomada como uma Equação Gaussiana de dispersão bidimensional. A implementação computacional necessária para aplicação das abordagens foi no ambiente de programação MATLAB. O método MAC e a técnica Crank-Nicolson apresentaram resultados satisfatórios para simulações rápidas e noção do comportamento do fluido e da concentração de oxigênio dissolvido. / The artificial aeration in aqueous mean aims to supply low concentration of dissolved oxygen in deficient atmospheres of it. This process is commonly applied in the field of wastewater treatment by aerobic processes. One way to produce artificial aeration is through diffusers submerged at the bottom of a tank with the formation of bubbles, which ascend and transfer its oxygen throughout the water column. To simulate and better understand this process and its fluid dynamics, a simplified initial model was proposed based on theoretical concepts and equations that represent the phenomenon, as the dispersion of bubbles, average speeds and dissolved oxygen concentration. It was considered for the calculations one rectangular tank with the water inlet and water outlet from left to right, with solid surface to the bottom and free surface at the top in contact with air. The mass transport equations were discretized in time, using the Crank-Nicolson technique and in space according to the methodology of central differences, subsequently resolved by Gauss-Seidel technique iterative. The transport equations of momentum were solved with the MAC method, explicit on the velocities of the fluid and implicit on pressure, to afford the velocity field and pressure. The equation which provides the spreading profiles of bubbles was taken as a two-dimensional Gaussian dispersion equation. The computational implementation necessary for application of the approaches was the programming environment MATLAB. The MAC method and Crank- Nicolson technique showed satisfactory results for quick simulations and notion of the behavior of the fluid and the concentration of dissolved oxygen.

Esta tese descreve um estudo da corrosão anisotrópica do silício monocristalino em solução de KOH. As superfícies sendo corroídas foram observadas em tempo real com um vídeo-microscópio, e foram medidos parâmetros Tb e Ram de bolhas produzidas na reação para correlacionar com a respectiva rugosidade resultante. O objetivo dessas medidas foi testar experimentalmente um modelo que atribui a maior parte da rugosidade ao mascaramento aleatório das superfícies por bolhas aderidas. Em alguns experimentos foi adicionado K3Fe(CN)6 às soluções de KOH para investigar o efeito desse aditivo nos parâmetros de bolhas e na rugosidade resultante da superfície corroída. Também foram feitas corrosões eletroquímicas para testar o efeito do potencial externo sobre as bolhas e as superfícies corroídas. A observação em tempo real também permitiu investigar as ocorrências, em corrosões de silício nas quais a ponta de um fio de platina foi mantida encostada, ou perto da superfície sendo corroída, para verificar se o aumento da velocidade de corrosão, observado nessas circunstâncias, é devido, talvez, ao aprisionamento de bolhas na ponta do fio. Os resultados deste trabalho mostram que os parâmetros de bolhas Tb e Ram assim como a rugosidade resultante das superfícies corroídas tendem a diminuir com o aumento da concentração de KOH na solução e com o aumento da temperatura. Isto mostra que a relação entre rugosidade e bolhas existe, como sugerido pelos autores da referência [6]. No entanto a simples diminuição dos parâmetros de bolhas não é suficiente para garantir superfície corroída com baixa rugosidade. Deve-se considerar a quantidade de bolhas produzidas na superfície. Poucas bolhas não significa que a superfície corroída estará ausente de marcas, pois nos espaços onde não há formação de bolhas pode haver formação de pirâmides que deixam a superfície corroída com rugosidade bastante elevada. A adição de K3Fe(CN)6 às soluções de KOH ou o uso de potencial anódico no silício suprime a formação dessas pirâmides.

O objetivo desta tese de doutorado foi desenvolver um novo método de geração de nanobolhas de ar (NBs) em meio aquoso via cavitação hidrodinâmica. Foram estudados os principais parâmetros envolvidos na formação e propriedades das NBs, e foram estudadas aplicações na remoção de poluentes aquosos e no reúso de água por flotação. A geração de bolhas foi realizada e comparada utilizando duas técnicas: a primeira inclui a pressurização em vaso saturador e despressurização de água saturada com ar em uma válvula agulha (escala de bancada); e a segunda, por uma bomba multifásica (cisalhamento de ar em rotor aberto) e passagem forçada (despressurização) da mistura ar/líquido em uma válvula de agulha (sistema semi-contínuo). Com estas técnicas, tanto microbolhas (MBs, 30-100 μm) como NBs (150-250 nm) foram geradas em concentrações diferentes que dependem da pressão de saturação (Psat) e da tensão superficial do líquido. Para a caracterização das NBs, um procedimento de separação foi conduzido, explorando o fato de que as MBs ascendem e colapsam na superfície do líquido, enquanto que as NBs permanecem em suspensão durante longos períodos. A distribuição de tamanho e a concentração de NBs (número por volume) foram medidas pela técnica NTA (nanoparticle tracking analysis). Foi observado que a concentração de NBs formadas após a despressurização do fluxo de água saturada é função da quantidade de ar dissolvido na água e aumenta com o tempo de saturação até atingir o equilíbrio em 30 min de saturação. A concentração de NBs mostrou-se inversamente proporcional à Psat utilizada, e a maior concentração de NBs (1,5 x 109 NBs.mL-1) foi obtida com Psat de 2,5 bar e uma tensão superficial da solução de 50 mN.m-1, obtida com 100 mg.L-1 de α-Terpineol. Nos estudos em sistema semi-contínuo, a geração de MBs (D32 = 70 μm) e NBs (D32 = 150-300 nm) de ar foi realizada em um skid (sistema protótipo) tendo como principais componentes do sistema de geração de bolhas por cisalhamento do ar e cavitação hidrodinâmica, uma bomba multifásica, uma válvula agulha e uma coluna cilíndrica. Para a caracterização das NBs, o skid foi operado com a recirculação de um volume fixo de 40 L de água deionizada (DI) em uma vazão de líquido de 1000 L.h-1, razão gás/líquido de 7,5% (v/v) e temperatura controlada (21°C ± 1). Contrariamente ao método em nível de bancada de geração de NBs pela despressurização de água saturada (em vaso saturador), na geração contínua com o skid, maiores concentrações de NBs foram obtidas com o aumento da Psat pela ocorrência de mecanismos de cavitação hidrodinâmica adicionais (cisalhamento) aos do primeiro método. No skid, foi observado que as NBs de ar são resistentes ao cisalhamento ocasionado pelos rotores da bomba e às altas pressões de operação (até 5 bar) ao longo dos ciclos de geração de bolhas. O tamanho médio das NBs permanece constante e a sua concentração aumenta em função destes ciclos, atingindo um valor máximo após 29 ciclos, dependente da Psat e da tensão superficial da solução. As maiores concentrações de NBs (4 x 109 NBs.mL-1) foram obtidas com o aumento da pressão (5 bar) e com a diminuição da tensão superficial (50 mN.m-1). Esses fenômenos podem ser explicados pela lei de Henry e pela menor energia requerida para formação de bolhas quando a tensão interfacial ar/líquido for menor e maior for a diferença de pressão da fase líquida com relação à pressão atmosférica. O diâmetro médio e concentração destas NBs não variaram significativamente em um período de 2 meses, o que demonstrou a alta estabilidade destas NBs em concentrações elevadas. Ainda, quando a bomba multifásica foi operada sem injeção de ar, foi observado o mesmo efeito de aumento de concentração de NBs em função do nº de ciclos de geração. Nestas condições, um aumento da velocidade de fluxo do líquido (de 67 para 127 m.h-1) e um aumento da turbulência na saída da válvula agulha potencializou a formação de cavidades e a formação de um maior número de NBs (até 70% maior). Com relação aos parâmetros de dispersão de ar, altos valores de holdup (percentagem em volume de ar no líquido) de ar e fluxo de área superficial de bolhas (Sb), importantes para a flotação, foram obtidos (6,8% e 235 s-1, respectivamente) em uma pressão de operação de 4 bar. Foram realizados estudos de remoção de íons Fe+3, na forma de precipitados coloidais e nanopartículas de Fe(OH)3 (pH 7) por flotação com MBs e NBs e com NBs isoladas; em baixas pressões de saturação (concentração mais alta de NBs); e em altas pressões (onde a concentração de NBs é menor). A utilização de uma alta concentração de NBs juntamente com as MBs geradas na flotação em uma Psat de 2 bar, foi responsável por uma remoção de Fe(OH)3 superior a 99% (residual = 0,9 mg.L-1) e uma redução de turbidez de 95% (residual = 0,6 NTU). A flotação com uma Psat de 4 bar é mais rápida em função deste maior arraste de agregados por MBs (velocidade média de ascensão de bolhas/precipitados = 0,07 cm.s-1). Os resultados se explicam em termos do aprisionamento ou oclusão das NBs nos precipitados coloidais e do grau de aeração (demonstrado em microfotografias). Como resultado, diminui a densidade relativa destes precipitados, inferior à da água. Estudos de remoção, por flotação com MBs e NBs, de dispersões oleosas de petróleo (com 30 g.L-1 de NaCl) foram estudados após a floculação com 5 mg.L-1 de uma poliacrilamida catiônica (Dismulgan) em pH 7. A melhor remoção de óleo (>99% de eficiência) foi obtida com uma pressão de saturação de 5 bar, pela redução do teor de óleo (concentração inicial = 334–484 mg.L-1 mg/L) na água tratada a < 1 mg.L-1. Adicionalmente, a flotação utilizando uma pressão de 3,5 bar permitiu a obtenção de uma água tratada com teores de óleo inferiores a 29 mg.L-1, meta técnica deste estudo por ser o limite de emissão em plataformas de petróleo para descarte de água produzida em alto mar. A flotação foi bastante rápida e seguiu um modelo de primeira ordem, com constante cinética de flotação de 1,3 e 1,8 min-1 para as Psat de 3,5 e 5 bar, respectivamente. A injeção de NBs isoladas em conjunto com MBs residuais (condicionamento) após a etapa de floculação com 1 e 3 mg.L-1 de Dismulgan aumentou a hidrofobicidade dos agregados, facilitando a adesão entre bolhas e flocos oleosos, e aumentando a eficiência geral do processo de flotação de 73 para 84%, e de 92 para 95%, respectivamente. A flotação com NBs isoladas em conjunto com MBs residuais obteve eficiências de remoção de óleo de 75 e 90%, com e sem NaCl (30 g.L-1), respectivamente. Acredita-se que nestes casos, as NBs se aprisionam e aderem como “pancakes” nas gotículas de óleo floculadas, formando flocos oleosos aerados. O estudo aplicado de floculação-flotação com bomba multifásica para geração de bolhas, associado à ozonização (processo FFO), no tratamento de efluentes e reúso de água na lavagem de veículos demonstrou como principais resultados que a água de reúso era clarificada (turbidez = 10 NTU), sem odor (sulfeto < 1 mg.L-1), sem risco microbiológico (E. coli < 1,8 NMP.100.mL-1) e sem formação de espuma (surfactantes = 1,3 mg.L-1). Uma avaliação de custos mostrou que o período de amortização do equipamento FFO em sistemas de reciclagem de água na lavagem de veículos é dependente principalmente da tarifa da água e da demanda diária de lavagens, podendo ser inferior a 1 ano em municípios brasileiros. Os resultados obtidos nesta tese permitiram aprimorar e determinar as condições ótimas de técnicas de geração de elevadas concentrações de NBs, extremamente estáveis e demonstraram o elevado potencial destas bolhas para viabilizar diferentes rotas de tratamento e aplicações no tratamento de efluentes líquidos e reúso de água por flotação. / The main objective of this doctoral thesis was to develop a new method of generating air nanobubbles (NBs) in aqueous solutions by hydrodynamic cavitation. The main parameters involved in the formation and properties of NBs were assessed and applications were studied in the removal of aqueous pollutants models for water reuse by flotation. The generation of bubbles was carried out and compared using two techniques; i. Pressurization in a saturator vessel and depressurization of air-saturated water in a needle valve (bench level); and ii. Using a multiphase pump (air shearing in an open imeller) and depressurization of the ar/liquid mixture in a needle valve (semi-continuous system). By using these techniques, both microbubbles (MBs 30-100 uM) and NBs (150-200 nm) were generated in different concentrations as a function of the saturation pressure (Psat) and surface tension (liquid/air). For the characterization of NBs, a separation procedure was conducted exploiting the fact that the MBs rise and collapse at the liquid surface, while the NBs remain in suspension for long periods. The size distribution and concentration of NBs (number by volume) were measured by the NTA (nanoparticle tracking analysis) technique. It was found that the concentration of NBs formed after depressurizing the saturated water flow is a function of the amount of air dissolved in the water and increases with the saturation time achieving equilibrium after 30 min saturation. The concentration of NBs was inversely proportional to the Psat values, and more NBs (1.5 x 109 NBs.mL-1) were obtained at Psat - 2.5 bar and at a surface tension of 50 mN.m- 1, obtained with 100 mg.L-1 of α-Terpineol. In the semi-continuous system, the generation of MBs (D32 = 70 μm) and NBs (D32 = 150-300 nm) of air was performed with in a system called in this thesis as skid; with a multiphase pump, a needle valve and a cylindrical column as main components. For the characterization of NBs, the skid was operated with recirculation of a fixed volume of 40 L of deionized (DI) water at a liquid flow rate of 1000 L.h-1, at a gas / liquid ratio of 7.5% and controlled temperature (21°C ± 1). Contrary to the method at bench level, the NBs generation by the depressurization of air-saturated water (in saturator vessel), with the skid, higher concentrations of NBs were obtained increasing Psat due to the hydrodynamic cavitation mechanism (air shearing) in comparison with the first method. In the skid, it was observed that air NBs are resistant to shearing caused by pump impellers and to the high operating pressures (up to 5 bar) throughout the bubble generation cycles. The size of the NBs remained constant and its concentration increases as a function of these cycles, reaching a condition of equilibrium after 29 cycles; this was dependent on Psat and the surface tension of the solution. The highest concentrations of NBs (4 x 109 NBs.mL-1) were obtained with increasing pressure (5 bar) and reducing of surface tension of water (50 mN.m-1). These phenomena can be explained by the Henry's Law and the lower energy required for bubbles formation when the interfacial tension (air / liquid) is smaller and the higher is the difference between the Psat and the atmospheric pressure. The mean diameter and concentration of these NBs did not vary significantly over a period of two months, which demonstrated the high stability of these concentrated NBs. Furthermore, when the multiphase pump was operated without injecting air, it was observed the same effect of increasing concentration of NBs along the generation cycles. Thus, a greater fluid flow rate (from 67 to 127 m.h-1) and the increase of turbulence at the outlet of the valve needle potentiated the formation of cavities and the generation of a greater number of NBs (up to 70% higher). With respect to air dispersion parameters, high holdup (percentage by volume of air in the liquid) and superficial area flow density (Sb) values, important parameters for flotation, were obtained (6.8% and 235 s -1, respectively) at a 4 bar operating pressure. Studies on the removal of Fe+3 ions, as colloidal precipitates and Fe(OH)3 (pH 7) nanoparticles were carried out by flotation with MBs and NBs and with isolated NBs; at low saturation pressures (higher concentration of NBs); and at high pressures (where the concentration of NBs is lower). The use of a high concentration of NBs, together with MBs in a Psat of 2 bar generated along with the flotation, was responsible for a Fe(OH)3 removal of > 99% (residual = 0.9 mg.L-1), a turbidity reduction of 95% (residual = 0.6 NTU). The flotation with a Psat of 4 bar is faster due to this increased entrainment of aggregates by MBs (average rising velocity of the bubbles/precipitates = 0.07 cm.s-1). The flotation with isolated NBs (or “floatation” by NBs entrapment and reduction of the relative density of aggregates), was responsible for the removal of up to 91% of the total iron content, which resulted in a final concentration of 2.7 mg.L-1 (feed iron content =30 mg.L-1). The results are explained in terms of the entrapment or occlusion of NBs in the colloidal precipitates and higher aeration degree (shown in the photomicrographs). As a result, it decreases the relative density of these precipitates, lower than the water´s. The removal of oil dispersions (30 g.L-1 NaCl), by flotation with NBs and MBs, was carried out after flocculation with 5 mg.L-1 of a cationic polyacrylamide (Dismulgan) at pH 7. The best oil removal (> 99% efficiency) was obtained at 5 bar by reducing the oil content (feed concentration = 334-484 mg.L-1) in the treated water to < 1 mg.L-1. Furthermore, it was obtained a treated water with an oil content lower than 29 mg.L-1, which was a technical goal of this study (emission limit) for produced water discharge at offshore oil platforms, by using a Psat of 3.5 bar. The flotation was very fast and followed a first order model with a flotation rate constant of 1.3 and 1.8 min-1 for Psat values of 3.5 and 5 bar, respectively. The injection of isolated NBs in conjunction with residual MBs (conditioning stage) after flocculation with 1 and 3 mg L-1 Dismulgan increased the hydrophobicity of the aggregates, thus facilitating the adhesion between bubbles and oily flocs and increasing the overall efficiency of the flotation process from 73 to 84% and from 92 to 95%, respectively. The flotation with isolated NBs in conjunction with residual MBs resulted in oil removal efficiencies of 75 and 90% with and without NaCl (30 g.L-1), respectively. It is believed that in these cases the NBs entrap and adhere as "pancakes" into the flocculated oil droplets, forming aerated oily flocs. The applied study of flocculation-flotation with multiphase pump, associated with ozonation (FFO process) for wastewater treatment and water reuse in vehicle washing, demonstrated as main results the clarification of the reclaimed water (turbidity = 10 NTU), which was odorless (sulfide <1 mg.L-1) without any microbiological risk (E. coli <1.8 NMP.100.mL-1) and with no foaming (surfactant = 1.3 mg.L-1). A cost assessment showed that FFO equipment amortization period in vehicle washing water recycling systems is dependent mainly on water prices and on the daily washes demand, and it may be less than 1 year in Brazilian municipalities. The results obtained in this thesis allowed to improve and determine the optimal process conditions for the generation of high concentrations of extremely stable NBs, and demonstrated the high potential of these bubbles to enable different routes of treatment and applications in wastewater treatment and water reuse by flotation.

Tese de doutoramento. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2007

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O objetivo desta tese de doutorado foi desenvolver um novo método de geração de nanobolhas de ar (NBs) em meio aquoso via cavitação hidrodinâmica. Foram estudados os principais parâmetros envolvidos na formação e propriedades das NBs, e foram estudadas aplicações na remoção de poluentes aquosos e no reúso de água por flotação. A geração de bolhas foi realizada e comparada utilizando duas técnicas: a primeira inclui a pressurização em vaso saturador e despressurização de água saturada com ar em uma válvula agulha (escala de bancada); e a segunda, por uma bomba multifásica (cisalhamento de ar em rotor aberto) e passagem forçada (despressurização) da mistura ar/líquido em uma válvula de agulha (sistema semi-contínuo). Com estas técnicas, tanto microbolhas (MBs, 30-100 μm) como NBs (150-250 nm) foram geradas em concentrações diferentes que dependem da pressão de saturação (Psat) e da tensão superficial do líquido. Para a caracterização das NBs, um procedimento de separação foi conduzido, explorando o fato de que as MBs ascendem e colapsam na superfície do líquido, enquanto que as NBs permanecem em suspensão durante longos períodos. A distribuição de tamanho e a concentração de NBs (número por volume) foram medidas pela técnica NTA (nanoparticle tracking analysis). Foi observado que a concentração de NBs formadas após a despressurização do fluxo de água saturada é função da quantidade de ar dissolvido na água e aumenta com o tempo de saturação até atingir o equilíbrio em 30 min de saturação. A concentração de NBs mostrou-se inversamente proporcional à Psat utilizada, e a maior concentração de NBs (1,5 x 109 NBs.mL-1) foi obtida com Psat de 2,5 bar e uma tensão superficial da solução de 50 mN.m-1, obtida com 100 mg.L-1 de α-Terpineol. Nos estudos em sistema semi-contínuo, a geração de MBs (D32 = 70 μm) e NBs (D32 = 150-300 nm) de ar foi realizada em um skid (sistema protótipo) tendo como principais componentes do sistema de geração de bolhas por cisalhamento do ar e cavitação hidrodinâmica, uma bomba multifásica, uma válvula agulha e uma coluna cilíndrica. Para a caracterização das NBs, o skid foi operado com a recirculação de um volume fixo de 40 L de água deionizada (DI) em uma vazão de líquido de 1000 L.h-1, razão gás/líquido de 7,5% (v/v) e temperatura controlada (21°C ± 1). Contrariamente ao método em nível de bancada de geração de NBs pela despressurização de água saturada (em vaso saturador), na geração contínua com o skid, maiores concentrações de NBs foram obtidas com o aumento da Psat pela ocorrência de mecanismos de cavitação hidrodinâmica adicionais (cisalhamento) aos do primeiro método. No skid, foi observado que as NBs de ar são resistentes ao cisalhamento ocasionado pelos rotores da bomba e às altas pressões de operação (até 5 bar) ao longo dos ciclos de geração de bolhas. O tamanho médio das NBs permanece constante e a sua concentração aumenta em função destes ciclos, atingindo um valor máximo após 29 ciclos, dependente da Psat e da tensão superficial da solução. As maiores concentrações de NBs (4 x 109 NBs.mL-1) foram obtidas com o aumento da pressão (5 bar) e com a diminuição da tensão superficial (50 mN.m-1). Esses fenômenos podem ser explicados pela lei de Henry e pela menor energia requerida para formação de bolhas quando a tensão interfacial ar/líquido for menor e maior for a diferença de pressão da fase líquida com relação à pressão atmosférica. O diâmetro médio e concentração destas NBs não variaram significativamente em um período de 2 meses, o que demonstrou a alta estabilidade destas NBs em concentrações elevadas. Ainda, quando a bomba multifásica foi operada sem injeção de ar, foi observado o mesmo efeito de aumento de concentração de NBs em função do nº de ciclos de geração. Nestas condições, um aumento da velocidade de fluxo do líquido (de 67 para 127 m.h-1) e um aumento da turbulência na saída da válvula agulha potencializou a formação de cavidades e a formação de um maior número de NBs (até 70% maior). Com relação aos parâmetros de dispersão de ar, altos valores de holdup (percentagem em volume de ar no líquido) de ar e fluxo de área superficial de bolhas (Sb), importantes para a flotação, foram obtidos (6,8% e 235 s-1, respectivamente) em uma pressão de operação de 4 bar. Foram realizados estudos de remoção de íons Fe+3, na forma de precipitados coloidais e nanopartículas de Fe(OH)3 (pH 7) por flotação com MBs e NBs e com NBs isoladas; em baixas pressões de saturação (concentração mais alta de NBs); e em altas pressões (onde a concentração de NBs é menor). A utilização de uma alta concentração de NBs juntamente com as MBs geradas na flotação em uma Psat de 2 bar, foi responsável por uma remoção de Fe(OH)3 superior a 99% (residual = 0,9 mg.L-1) e uma redução de turbidez de 95% (residual = 0,6 NTU). A flotação com uma Psat de 4 bar é mais rápida em função deste maior arraste de agregados por MBs (velocidade média de ascensão de bolhas/precipitados = 0,07 cm.s-1). Os resultados se explicam em termos do aprisionamento ou oclusão das NBs nos precipitados coloidais e do grau de aeração (demonstrado em microfotografias). Como resultado, diminui a densidade relativa destes precipitados, inferior à da água. Estudos de remoção, por flotação com MBs e NBs, de dispersões oleosas de petróleo (com 30 g.L-1 de NaCl) foram estudados após a floculação com 5 mg.L-1 de uma poliacrilamida catiônica (Dismulgan) em pH 7. A melhor remoção de óleo (>99% de eficiência) foi obtida com uma pressão de saturação de 5 bar, pela redução do teor de óleo (concentração inicial = 334–484 mg.L-1 mg/L) na água tratada a < 1 mg.L-1. Adicionalmente, a flotação utilizando uma pressão de 3,5 bar permitiu a obtenção de uma água tratada com teores de óleo inferiores a 29 mg.L-1, meta técnica deste estudo por ser o limite de emissão em plataformas de petróleo para descarte de água produzida em alto mar. A flotação foi bastante rápida e seguiu um modelo de primeira ordem, com constante cinética de flotação de 1,3 e 1,8 min-1 para as Psat de 3,5 e 5 bar, respectivamente. A injeção de NBs isoladas em conjunto com MBs residuais (condicionamento) após a etapa de floculação com 1 e 3 mg.L-1 de Dismulgan aumentou a hidrofobicidade dos agregados, facilitando a adesão entre bolhas e flocos oleosos, e aumentando a eficiência geral do processo de flotação de 73 para 84%, e de 92 para 95%, respectivamente. A flotação com NBs isoladas em conjunto com MBs residuais obteve eficiências de remoção de óleo de 75 e 90%, com e sem NaCl (30 g.L-1), respectivamente. Acredita-se que nestes casos, as NBs se aprisionam e aderem como “pancakes” nas gotículas de óleo floculadas, formando flocos oleosos aerados. O estudo aplicado de floculação-flotação com bomba multifásica para geração de bolhas, associado à ozonização (processo FFO), no tratamento de efluentes e reúso de água na lavagem de veículos demonstrou como principais resultados que a água de reúso era clarificada (turbidez = 10 NTU), sem odor (sulfeto < 1 mg.L-1), sem risco microbiológico (E. coli < 1,8 NMP.100.mL-1) e sem formação de espuma (surfactantes = 1,3 mg.L-1). Uma avaliação de custos mostrou que o período de amortização do equipamento FFO em sistemas de reciclagem de água na lavagem de veículos é dependente principalmente da tarifa da água e da demanda diária de lavagens, podendo ser inferior a 1 ano em municípios brasileiros. Os resultados obtidos nesta tese permitiram aprimorar e determinar as condições ótimas de técnicas de geração de elevadas concentrações de NBs, extremamente estáveis e demonstraram o elevado potencial destas bolhas para viabilizar diferentes rotas de tratamento e aplicações no tratamento de efluentes líquidos e reúso de água por flotação. / The main objective of this doctoral thesis was to develop a new method of generating air nanobubbles (NBs) in aqueous solutions by hydrodynamic cavitation. The main parameters involved in the formation and properties of NBs were assessed and applications were studied in the removal of aqueous pollutants models for water reuse by flotation. The generation of bubbles was carried out and compared using two techniques; i. Pressurization in a saturator vessel and depressurization of air-saturated water in a needle valve (bench level); and ii. Using a multiphase pump (air shearing in an open imeller) and depressurization of the ar/liquid mixture in a needle valve (semi-continuous system). By using these techniques, both microbubbles (MBs 30-100 uM) and NBs (150-200 nm) were generated in different concentrations as a function of the saturation pressure (Psat) and surface tension (liquid/air). For the characterization of NBs, a separation procedure was conducted exploiting the fact that the MBs rise and collapse at the liquid surface, while the NBs remain in suspension for long periods. The size distribution and concentration of NBs (number by volume) were measured by the NTA (nanoparticle tracking analysis) technique. It was found that the concentration of NBs formed after depressurizing the saturated water flow is a function of the amount of air dissolved in the water and increases with the saturation time achieving equilibrium after 30 min saturation. The concentration of NBs was inversely proportional to the Psat values, and more NBs (1.5 x 109 NBs.mL-1) were obtained at Psat - 2.5 bar and at a surface tension of 50 mN.m- 1, obtained with 100 mg.L-1 of α-Terpineol. In the semi-continuous system, the generation of MBs (D32 = 70 μm) and NBs (D32 = 150-300 nm) of air was performed with in a system called in this thesis as skid; with a multiphase pump, a needle valve and a cylindrical column as main components. For the characterization of NBs, the skid was operated with recirculation of a fixed volume of 40 L of deionized (DI) water at a liquid flow rate of 1000 L.h-1, at a gas / liquid ratio of 7.5% and controlled temperature (21°C ± 1). Contrary to the method at bench level, the NBs generation by the depressurization of air-saturated water (in saturator vessel), with the skid, higher concentrations of NBs were obtained increasing Psat due to the hydrodynamic cavitation mechanism (air shearing) in comparison with the first method. In the skid, it was observed that air NBs are resistant to shearing caused by pump impellers and to the high operating pressures (up to 5 bar) throughout the bubble generation cycles. The size of the NBs remained constant and its concentration increases as a function of these cycles, reaching a condition of equilibrium after 29 cycles; this was dependent on Psat and the surface tension of the solution. The highest concentrations of NBs (4 x 109 NBs.mL-1) were obtained with increasing pressure (5 bar) and reducing of surface tension of water (50 mN.m-1). These phenomena can be explained by the Henry's Law and the lower energy required for bubbles formation when the interfacial tension (air / liquid) is smaller and the higher is the difference between the Psat and the atmospheric pressure. The mean diameter and concentration of these NBs did not vary significantly over a period of two months, which demonstrated the high stability of these concentrated NBs. Furthermore, when the multiphase pump was operated without injecting air, it was observed the same effect of increasing concentration of NBs along the generation cycles. Thus, a greater fluid flow rate (from 67 to 127 m.h-1) and the increase of turbulence at the outlet of the valve needle potentiated the formation of cavities and the generation of a greater number of NBs (up to 70% higher). With respect to air dispersion parameters, high holdup (percentage by volume of air in the liquid) and superficial area flow density (Sb) values, important parameters for flotation, were obtained (6.8% and 235 s -1, respectively) at a 4 bar operating pressure. Studies on the removal of Fe+3 ions, as colloidal precipitates and Fe(OH)3 (pH 7) nanoparticles were carried out by flotation with MBs and NBs and with isolated NBs; at low saturation pressures (higher concentration of NBs); and at high pressures (where the concentration of NBs is lower). The use of a high concentration of NBs, together with MBs in a Psat of 2 bar generated along with the flotation, was responsible for a Fe(OH)3 removal of > 99% (residual = 0.9 mg.L-1), a turbidity reduction of 95% (residual = 0.6 NTU). The flotation with a Psat of 4 bar is faster due to this increased entrainment of aggregates by MBs (average rising velocity of the bubbles/precipitates = 0.07 cm.s-1). The flotation with isolated NBs (or “floatation” by NBs entrapment and reduction of the relative density of aggregates), was responsible for the removal of up to 91% of the total iron content, which resulted in a final concentration of 2.7 mg.L-1 (feed iron content =30 mg.L-1). The results are explained in terms of the entrapment or occlusion of NBs in the colloidal precipitates and higher aeration degree (shown in the photomicrographs). As a result, it decreases the relative density of these precipitates, lower than the water´s. The removal of oil dispersions (30 g.L-1 NaCl), by flotation with NBs and MBs, was carried out after flocculation with 5 mg.L-1 of a cationic polyacrylamide (Dismulgan) at pH 7. The best oil removal (> 99% efficiency) was obtained at 5 bar by reducing the oil content (feed concentration = 334-484 mg.L-1) in the treated water to < 1 mg.L-1. Furthermore, it was obtained a treated water with an oil content lower than 29 mg.L-1, which was a technical goal of this study (emission limit) for produced water discharge at offshore oil platforms, by using a Psat of 3.5 bar. The flotation was very fast and followed a first order model with a flotation rate constant of 1.3 and 1.8 min-1 for Psat values of 3.5 and 5 bar, respectively. The injection of isolated NBs in conjunction with residual MBs (conditioning stage) after flocculation with 1 and 3 mg L-1 Dismulgan increased the hydrophobicity of the aggregates, thus facilitating the adhesion between bubbles and oily flocs and increasing the overall efficiency of the flotation process from 73 to 84% and from 92 to 95%, respectively. The flotation with isolated NBs in conjunction with residual MBs resulted in oil removal efficiencies of 75 and 90% with and without NaCl (30 g.L-1), respectively. It is believed that in these cases the NBs entrap and adhere as "pancakes" into the flocculated oil droplets, forming aerated oily flocs. The applied study of flocculation-flotation with multiphase pump, associated with ozonation (FFO process) for wastewater treatment and water reuse in vehicle washing, demonstrated as main results the clarification of the reclaimed water (turbidity = 10 NTU), which was odorless (sulfide <1 mg.L-1) without any microbiological risk (E. coli <1.8 NMP.100.mL-1) and with no foaming (surfactant = 1.3 mg.L-1). A cost assessment showed that FFO equipment amortization period in vehicle washing water recycling systems is dependent mainly on water prices and on the daily washes demand, and it may be less than 1 year in Brazilian municipalities. The results obtained in this thesis allowed to improve and determine the optimal process conditions for the generation of high concentrations of extremely stable NBs, and demonstrated the high potential of these bubbles to enable different routes of treatment and applications in wastewater treatment and water reuse by flotation.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2015-12-17T17:13:08Z No. of bitstreams: 1 2015_SaraMalvarMauá.pdf: 111260219 bytes, checksum: 51c18f67aa6cbe9639aa0abfb22e32b0 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-02-05T18:43:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_SaraMalvarMauá.pdf: 111260219 bytes, checksum: 51c18f67aa6cbe9639aa0abfb22e32b0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-05T18:43:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_SaraMalvarMauá.pdf: 111260219 bytes, checksum: 51c18f67aa6cbe9639aa0abfb22e32b0 (MD5) / O presente trabalho tem por objetivo principal investigar o comportamento não-linear de uma bolha imersa em um fluido magnético, sujeita a um campo de pressão acústico e um campo magnético. Uma nova versão da equação de Rayleigh-Plesset e proposta com o tensor magnético. Esta equação para dinâmica de bolhas e resolvida computacionalmente pelo método Runge-Kutta de quinta ordem com passo de tempo adaptativo, visando diminuir o custo computacional. O código e validado por meio de uma teoria assintótica em função da amplitude de excitação e do numero de Reynolds Magnético. A influência de parâmetros adimensionais e investigada, como o numero de Reynolds e Weber e dos parâmetros magnéticos, como Reynolds Magnético e Susceptibilidade Magnética. A excitação magnética aplicada foi variada contando com campos oscilatórios e constantes. Uma solução assintótica para o raio mínimo de colapso e apresentada. Isto permite uma analise utilizando tanto as teorias de estabilidade linear hidrodinâmica quanto as teorias não-lineares - como as redes neurais e os expoentes de Lyapunov. Uma serie de analises como diagrama de bifurcação dos padrões vibracionais e diagramas de colapso são construídos. Neste contexto, um novo método baseado nas ferramentas de diagrama de fase e DFT e proposto para analisar o comportamento da bolha oscilando em diferentes números de Reynolds Magnético e Suscetibilidade Magnética. Os novos padrões vibracionais apresentados devido ao acoplamento das escalas de tempo do problema são estudados e que leva a identificação de padrões caóticos. Neste sentido, a magnetização do ferrofluido e analizada tanto do ponto de vista das interações partícula-partícula, utilizando-se tanto das ferramentas já apresentadas quanto da equação fenomenológica da magnetização. Essa ultima permite a comparação deste modelo com o modelo superparamagnético proposto para a modelagem matemática. Visando verificar os conceitos utilizados e as hipóteses restritivas de movimento radial e não deformação uma bancada experimental e desenvolvida. Nesta bancada, estuda-se uma bolha ascendente em diversos fluidos magnéticos que foram sintetizados para este fim. Estes fluidos tem suas características analizados por meio de um reometro de discos rotativos e um tensiometro. Por fim, adiciona-se um campo magnético estacionário por meio de um ima de neodímio e observa-se como a bolha responde. __________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The main purpouse of the present work is to investigate the nonlinear behaviour of a bubble immersed in a magnetic fluid, subjected to an acoustic pressure forcing and a magnetic field. A new version of the Rayleigh-Plesset equation is proposed with the magnetic tensor. That equation is numerically solved using a fith order Runge-Kutta scheme with and adaptive time step, in order to lower the computacional cost. That code is validated with an asymptotic solution in terms of Magnetic Reynolds number and the pressure forcing amplitude. The influence of the main Newtonian dimentionless physical parameters, such as the Reynolds and Weber numbers and the non-Newtonian parameters, as Magnetic Reynolds and Magnetic Susceptibility are investigated. The applied magnetic excitation was varied between stationary and oscillatory fields. An asymptotic theory for the minimum radius before collapse is presented. This permits an analysis using both hydrodynamic linear stability theory and nonlinear theories, such as neural networks and Lyapunov exponents. A serie of analyzes using vibrational pattern bifurcation diagrams and collapse diagrams are built. In this context, a new method based in the phase plot and DFT is proposed in order to analyze the bubble behavior when oscillating. The identified vibrational patterns are studied in order to generate chaotic patterns due to time scales coupling. In this sense, the magnetization of the ferrofluid is analyzed from the particle-particle interactions point of view, using the tools already presented and the phenomenological equation of magnetization. This last allows the comparison of this model with the superparamagnetic model proposed for the mathematical modeling. In order to verify the concepts used, the restrictive assumption of radial movement and lack of deformation an experimental bench is developed. In this bench, a rising bubble immersed in synthesized magnetic fluid is observed. These fluids have their characteristics (such as viscosity and surface tension) analyzed using a rotating disc rheometer and a tensiometer. Finally, a stationary magnetic field is applied using a neodymium magnet and the bubble behavior is observed.

Submitted by Samira Nascimento Stain null (samirastain@hotmail.com) on 2018-03-14T19:59:05Z No. of bitstreams: 1 MORAES, S.N.S. DISSERTAÇÃO-FINAL aprovada.pdf: 3124598 bytes, checksum: 2f90002ac800ae1fd2e713c1c838eff3 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Carolina Gonçalves Bet null (abet@iq.unesp.br) on 2018-03-19T19:09:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 moraes_sns_me_araiq_int.pdf: 3156975 bytes, checksum: b6848b17d6500a3a3ab853f49a4404f6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-19T19:09:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 moraes_sns_me_araiq_int.pdf: 3156975 bytes, checksum: b6848b17d6500a3a3ab853f49a4404f6 (MD5) Previous issue date: 2018-02-20 / Outra / O grande interesse das indústrias de embalagens de vidro está focado na redução de custos que envolvem o processo contínuo da produção dos frascos e seus impactos na produtividade. Para isso, os frascos de vidro devem estar de acordo com as necessidades do mercado consumidor. Assim, é de grande importância para esta indústria o conhecimento dos padrões de qualidade dos frascos produzidos, identificando os possíveis problemas, analisando suas origens e sanando os mesmos. Neste contexto, o presente trabalho foi baseado no estudo da melhoria do processo de conformação de frascos de vidro utilizados no armazenamento de medicamentos e perfumes, através do controle de propriedades mecânicas e ópticas. As propriedades mecânicas foram analisadas com o intuito de evitar-se a presença de trincas e fraturas, e através das propriedades ópticas avaliou-se a cor, propriedades relacionadas ao brilho e transparência, assim como os processos de oxi-redução que são responsáveis pela coloração dos vidros e bolhas. Os vidros foram caracterizados empregando-se as seguintes técnicas: espectroscopia na região do Ultravioleta-vísivel (UV-Vis), espalhamento Raman, calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia óptica e perfilometria. Dentre as técnicas de caracterizações citadas anteriormente, a principal técnica utilizada neste trabalho foi a espectroscopia Raman, com a qual foi possível caracterizar e identificar as impurezas contidas nos frascos de vidro analisados. A presença de impurezas pode gerar trincas, bolhas e influenciar na coloração dos frascos, sendo estes os grandes problemas desta indústria. Através dos resultados obtidos pela espectroscopia Raman constatou-se uma diversidade de impurezas cristalinas, as quais, primeiramente, foram comparadas com uma base de dados feita a partir das matérias-primas, refratários e isolantes fornecidos pela empresa. A identificação das impurezas permitiu encontrar as possíveis fontes de impurezas na indústria, as quais estão atualmente sendo controladas para minimizar as perdas durante o processo de fabricação. / The great interest of the glass packaging industries is focused on reducing costs that involve the continuous process of bottle production and its impacts on productivity. For this, the glass jars must conform to the needs of the consumer market. Thus, it is of great importance for this industry the knowledge the quality standards of the bottles produced, identifying the possible problems, analyzing its origins and healing them. In this context, the present work was based on the study of the improvement of the process of conformation of glass bottles used in the storage of medicines and fragrances, through the control of mechanical and optical properties. The mechanical properties were analyzed in order to avoid the presence of cracks and fractures, and the optical properties were used to evaluate the color, properties related to brightness and transparency, as well as the oxi-reduction processes that are responsible for the color of glasses and bubbles. Glasses were characterized using the following techniques: ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, Raman scattering, differential scanning calorimetry (DSC), optical microscopy and profilometry. Among the characterization techniques mentioned above, the main technique used in this work was Raman spectroscopy, with which it was possible to characterize and identify the impurities contained in the analyzed glass bottles. The presence of impurities can generate cracks, bubbles and influence the coloring of the jars, these being the major problems of this industry. The results obtained by Raman spectroscopy revealed a diversity of crystalline impurities, which were first compared to a database made from the raw materials, refractories and insulatings provided by the company. The identification of the impurities allowed to find the possible sources of impurities in the industry, which are currently being controlled to minimize losses during the manufacturing process.

O objetivo desta tese de doutorado foi desenvolver um novo método de geração de nanobolhas de ar (NBs) em meio aquoso via cavitação hidrodinâmica. Foram estudados os principais parâmetros envolvidos na formação e propriedades das NBs, e foram estudadas aplicações na remoção de poluentes aquosos e no reúso de água por flotação. A geração de bolhas foi realizada e comparada utilizando duas técnicas: a primeira inclui a pressurização em vaso saturador e despressurização de água saturada com ar em uma válvula agulha (escala de bancada); e a segunda, por uma bomba multifásica (cisalhamento de ar em rotor aberto) e passagem forçada (despressurização) da mistura ar/líquido em uma válvula de agulha (sistema semi-contínuo). Com estas técnicas, tanto microbolhas (MBs, 30-100 μm) como NBs (150-250 nm) foram geradas em concentrações diferentes que dependem da pressão de saturação (Psat) e da tensão superficial do líquido. Para a caracterização das NBs, um procedimento de separação foi conduzido, explorando o fato de que as MBs ascendem e colapsam na superfície do líquido, enquanto que as NBs permanecem em suspensão durante longos períodos. A distribuição de tamanho e a concentração de NBs (número por volume) foram medidas pela técnica NTA (nanoparticle tracking analysis). Foi observado que a concentração de NBs formadas após a despressurização do fluxo de água saturada é função da quantidade de ar dissolvido na água e aumenta com o tempo de saturação até atingir o equilíbrio em 30 min de saturação. A concentração de NBs mostrou-se inversamente proporcional à Psat utilizada, e a maior concentração de NBs (1,5 x 109 NBs.mL-1) foi obtida com Psat de 2,5 bar e uma tensão superficial da solução de 50 mN.m-1, obtida com 100 mg.L-1 de α-Terpineol. Nos estudos em sistema semi-contínuo, a geração de MBs (D32 = 70 μm) e NBs (D32 = 150-300 nm) de ar foi realizada em um skid (sistema protótipo) tendo como principais componentes do sistema de geração de bolhas por cisalhamento do ar e cavitação hidrodinâmica, uma bomba multifásica, uma válvula agulha e uma coluna cilíndrica. Para a caracterização das NBs, o skid foi operado com a recirculação de um volume fixo de 40 L de água deionizada (DI) em uma vazão de líquido de 1000 L.h-1, razão gás/líquido de 7,5% (v/v) e temperatura controlada (21°C ± 1). Contrariamente ao método em nível de bancada de geração de NBs pela despressurização de água saturada (em vaso saturador), na geração contínua com o skid, maiores concentrações de NBs foram obtidas com o aumento da Psat pela ocorrência de mecanismos de cavitação hidrodinâmica adicionais (cisalhamento) aos do primeiro método. No skid, foi observado que as NBs de ar são resistentes ao cisalhamento ocasionado pelos rotores da bomba e às altas pressões de operação (até 5 bar) ao longo dos ciclos de geração de bolhas. O tamanho médio das NBs permanece constante e a sua concentração aumenta em função destes ciclos, atingindo um valor máximo após 29 ciclos, dependente da Psat e da tensão superficial da solução. As maiores concentrações de NBs (4 x 109 NBs.mL-1) foram obtidas com o aumento da pressão (5 bar) e com a diminuição da tensão superficial (50 mN.m-1). Esses fenômenos podem ser explicados pela lei de Henry e pela menor energia requerida para formação de bolhas quando a tensão interfacial ar/líquido for menor e maior for a diferença de pressão da fase líquida com relação à pressão atmosférica. O diâmetro médio e concentração destas NBs não variaram significativamente em um período de 2 meses, o que demonstrou a alta estabilidade destas NBs em concentrações elevadas. Ainda, quando a bomba multifásica foi operada sem injeção de ar, foi observado o mesmo efeito de aumento de concentração de NBs em função do nº de ciclos de geração. Nestas condições, um aumento da velocidade de fluxo do líquido (de 67 para 127 m.h-1) e um aumento da turbulência na saída da válvula agulha potencializou a formação de cavidades e a formação de um maior número de NBs (até 70% maior). Com relação aos parâmetros de dispersão de ar, altos valores de holdup (percentagem em volume de ar no líquido) de ar e fluxo de área superficial de bolhas (Sb), importantes para a flotação, foram obtidos (6,8% e 235 s-1, respectivamente) em uma pressão de operação de 4 bar. Foram realizados estudos de remoção de íons Fe+3, na forma de precipitados coloidais e nanopartículas de Fe(OH)3 (pH 7) por flotação com MBs e NBs e com NBs isoladas; em baixas pressões de saturação (concentração mais alta de NBs); e em altas pressões (onde a concentração de NBs é menor). A utilização de uma alta concentração de NBs juntamente com as MBs geradas na flotação em uma Psat de 2 bar, foi responsável por uma remoção de Fe(OH)3 superior a 99% (residual = 0,9 mg.L-1) e uma redução de turbidez de 95% (residual = 0,6 NTU). A flotação com uma Psat de 4 bar é mais rápida em função deste maior arraste de agregados por MBs (velocidade média de ascensão de bolhas/precipitados = 0,07 cm.s-1). Os resultados se explicam em termos do aprisionamento ou oclusão das NBs nos precipitados coloidais e do grau de aeração (demonstrado em microfotografias). Como resultado, diminui a densidade relativa destes precipitados, inferior à da água. Estudos de remoção, por flotação com MBs e NBs, de dispersões oleosas de petróleo (com 30 g.L-1 de NaCl) foram estudados após a floculação com 5 mg.L-1 de uma poliacrilamida catiônica (Dismulgan) em pH 7. A melhor remoção de óleo (>99% de eficiência) foi obtida com uma pressão de saturação de 5 bar, pela redução do teor de óleo (concentração inicial = 334–484 mg.L-1 mg/L) na água tratada a < 1 mg.L-1. Adicionalmente, a flotação utilizando uma pressão de 3,5 bar permitiu a obtenção de uma água tratada com teores de óleo inferiores a 29 mg.L-1, meta técnica deste estudo por ser o limite de emissão em plataformas de petróleo para descarte de água produzida em alto mar. A flotação foi bastante rápida e seguiu um modelo de primeira ordem, com constante cinética de flotação de 1,3 e 1,8 min-1 para as Psat de 3,5 e 5 bar, respectivamente. A injeção de NBs isoladas em conjunto com MBs residuais (condicionamento) após a etapa de floculação com 1 e 3 mg.L-1 de Dismulgan aumentou a hidrofobicidade dos agregados, facilitando a adesão entre bolhas e flocos oleosos, e aumentando a eficiência geral do processo de flotação de 73 para 84%, e de 92 para 95%, respectivamente. A flotação com NBs isoladas em conjunto com MBs residuais obteve eficiências de remoção de óleo de 75 e 90%, com e sem NaCl (30 g.L-1), respectivamente. Acredita-se que nestes casos, as NBs se aprisionam e aderem como “pancakes” nas gotículas de óleo floculadas, formando flocos oleosos aerados. O estudo aplicado de floculação-flotação com bomba multifásica para geração de bolhas, associado à ozonização (processo FFO), no tratamento de efluentes e reúso de água na lavagem de veículos demonstrou como principais resultados que a água de reúso era clarificada (turbidez = 10 NTU), sem odor (sulfeto < 1 mg.L-1), sem risco microbiológico (E. coli < 1,8 NMP.100.mL-1) e sem formação de espuma (surfactantes = 1,3 mg.L-1). Uma avaliação de custos mostrou que o período de amortização do equipamento FFO em sistemas de reciclagem de água na lavagem de veículos é dependente principalmente da tarifa da água e da demanda diária de lavagens, podendo ser inferior a 1 ano em municípios brasileiros. Os resultados obtidos nesta tese permitiram aprimorar e determinar as condições ótimas de técnicas de geração de elevadas concentrações de NBs, extremamente estáveis e demonstraram o elevado potencial destas bolhas para viabilizar diferentes rotas de tratamento e aplicações no tratamento de efluentes líquidos e reúso de água por flotação. / The main objective of this doctoral thesis was to develop a new method of generating air nanobubbles (NBs) in aqueous solutions by hydrodynamic cavitation. The main parameters involved in the formation and properties of NBs were assessed and applications were studied in the removal of aqueous pollutants models for water reuse by flotation. The generation of bubbles was carried out and compared using two techniques; i. Pressurization in a saturator vessel and depressurization of air-saturated water in a needle valve (bench level); and ii. Using a multiphase pump (air shearing in an open imeller) and depressurization of the ar/liquid mixture in a needle valve (semi-continuous system). By using these techniques, both microbubbles (MBs 30-100 uM) and NBs (150-200 nm) were generated in different concentrations as a function of the saturation pressure (Psat) and surface tension (liquid/air). For the characterization of NBs, a separation procedure was conducted exploiting the fact that the MBs rise and collapse at the liquid surface, while the NBs remain in suspension for long periods. The size distribution and concentration of NBs (number by volume) were measured by the NTA (nanoparticle tracking analysis) technique. It was found that the concentration of NBs formed after depressurizing the saturated water flow is a function of the amount of air dissolved in the water and increases with the saturation time achieving equilibrium after 30 min saturation. The concentration of NBs was inversely proportional to the Psat values, and more NBs (1.5 x 109 NBs.mL-1) were obtained at Psat - 2.5 bar and at a surface tension of 50 mN.m- 1, obtained with 100 mg.L-1 of α-Terpineol. In the semi-continuous system, the generation of MBs (D32 = 70 μm) and NBs (D32 = 150-300 nm) of air was performed with in a system called in this thesis as skid; with a multiphase pump, a needle valve and a cylindrical column as main components. For the characterization of NBs, the skid was operated with recirculation of a fixed volume of 40 L of deionized (DI) water at a liquid flow rate of 1000 L.h-1, at a gas / liquid ratio of 7.5% and controlled temperature (21°C ± 1). Contrary to the method at bench level, the NBs generation by the depressurization of air-saturated water (in saturator vessel), with the skid, higher concentrations of NBs were obtained increasing Psat due to the hydrodynamic cavitation mechanism (air shearing) in comparison with the first method. In the skid, it was observed that air NBs are resistant to shearing caused by pump impellers and to the high operating pressures (up to 5 bar) throughout the bubble generation cycles. The size of the NBs remained constant and its concentration increases as a function of these cycles, reaching a condition of equilibrium after 29 cycles; this was dependent on Psat and the surface tension of the solution. The highest concentrations of NBs (4 x 109 NBs.mL-1) were obtained with increasing pressure (5 bar) and reducing of surface tension of water (50 mN.m-1). These phenomena can be explained by the Henry's Law and the lower energy required for bubbles formation when the interfacial tension (air / liquid) is smaller and the higher is the difference between the Psat and the atmospheric pressure. The mean diameter and concentration of these NBs did not vary significantly over a period of two months, which demonstrated the high stability of these concentrated NBs. Furthermore, when the multiphase pump was operated without injecting air, it was observed the same effect of increasing concentration of NBs along the generation cycles. Thus, a greater fluid flow rate (from 67 to 127 m.h-1) and the increase of turbulence at the outlet of the valve needle potentiated the formation of cavities and the generation of a greater number of NBs (up to 70% higher). With respect to air dispersion parameters, high holdup (percentage by volume of air in the liquid) and superficial area flow density (Sb) values, important parameters for flotation, were obtained (6.8% and 235 s -1, respectively) at a 4 bar operating pressure. Studies on the removal of Fe+3 ions, as colloidal precipitates and Fe(OH)3 (pH 7) nanoparticles were carried out by flotation with MBs and NBs and with isolated NBs; at low saturation pressures (higher concentration of NBs); and at high pressures (where the concentration of NBs is lower). The use of a high concentration of NBs, together with MBs in a Psat of 2 bar generated along with the flotation, was responsible for a Fe(OH)3 removal of > 99% (residual = 0.9 mg.L-1), a turbidity reduction of 95% (residual = 0.6 NTU). The flotation with a Psat of 4 bar is faster due to this increased entrainment of aggregates by MBs (average rising velocity of the bubbles/precipitates = 0.07 cm.s-1). The flotation with isolated NBs (or “floatation” by NBs entrapment and reduction of the relative density of aggregates), was responsible for the removal of up to 91% of the total iron content, which resulted in a final concentration of 2.7 mg.L-1 (feed iron content =30 mg.L-1). The results are explained in terms of the entrapment or occlusion of NBs in the colloidal precipitates and higher aeration degree (shown in the photomicrographs). As a result, it decreases the relative density of these precipitates, lower than the water´s. The removal of oil dispersions (30 g.L-1 NaCl), by flotation with NBs and MBs, was carried out after flocculation with 5 mg.L-1 of a cationic polyacrylamide (Dismulgan) at pH 7. The best oil removal (> 99% efficiency) was obtained at 5 bar by reducing the oil content (feed concentration = 334-484 mg.L-1) in the treated water to < 1 mg.L-1. Furthermore, it was obtained a treated water with an oil content lower than 29 mg.L-1, which was a technical goal of this study (emission limit) for produced water discharge at offshore oil platforms, by using a Psat of 3.5 bar. The flotation was very fast and followed a first order model with a flotation rate constant of 1.3 and 1.8 min-1 for Psat values of 3.5 and 5 bar, respectively. The injection of isolated NBs in conjunction with residual MBs (conditioning stage) after flocculation with 1 and 3 mg L-1 Dismulgan increased the hydrophobicity of the aggregates, thus facilitating the adhesion between bubbles and oily flocs and increasing the overall efficiency of the flotation process from 73 to 84% and from 92 to 95%, respectively. The flotation with isolated NBs in conjunction with residual MBs resulted in oil removal efficiencies of 75 and 90% with and without NaCl (30 g.L-1), respectively. It is believed that in these cases the NBs entrap and adhere as "pancakes" into the flocculated oil droplets, forming aerated oily flocs. The applied study of flocculation-flotation with multiphase pump, associated with ozonation (FFO process) for wastewater treatment and water reuse in vehicle washing, demonstrated as main results the clarification of the reclaimed water (turbidity = 10 NTU), which was odorless (sulfide <1 mg.L-1) without any microbiological risk (E. coli <1.8 NMP.100.mL-1) and with no foaming (surfactant = 1.3 mg.L-1). A cost assessment showed that FFO equipment amortization period in vehicle washing water recycling systems is dependent mainly on water prices and on the daily washes demand, and it may be less than 1 year in Brazilian municipalities. The results obtained in this thesis allowed to improve and determine the optimal process conditions for the generation of high concentrations of extremely stable NBs, and demonstrated the high potential of these bubbles to enable different routes of treatment and applications in wastewater treatment and water reuse by flotation.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2018-07-12T12:02:47Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 9092047 bytes, checksum: 974ae7db880ee66c1f42778fd4204373 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-12T12:02:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 9092047 bytes, checksum: 974ae7db880ee66c1f42778fd4204373 (MD5) Previous issue date: 2018-04-16 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / O amadurecimento de Ostwald é um processo de crescimento controlado por difusão onde partículas maiores crescem em detrimento da diminuição, e eventualmente do desaparecimento, de partículas menores. Nesse processo ocorre o aumento do raio médio e a diminuição do número total de partículas. A descrição teórica desse fenômeno é dada pela teoria LSW, que descreve o crescimento de partículas em soluções sólidas supersaturadas. Há um grande número de trabalhos teóricos e experimentais sobre o amadurecimento de Ostwald, todavia existe uma carência de trabalhos experimentais com bolhas de gás em escala macroscópica (10-100μm). Com isso, fica evidente a necessidade de realizar um estudo experimental preciso da atuação do amadurecimento de Ostwald em bolhas de gás em líquido. Os resultados foram obtidos a partir do processamento de imagens geradas por videomicroscopia óptica. É apresentado os resultados da evolução temporal do raio médio das bolhas R(t), do número de bolhas N (t), da fração volumétrica ocupado pelas bolhas φ(t) e das distribuições de tamanhos f (R, t) para três frentes de experimento com bolhas de gás em um fluido: fluido em repouso, fluido sob fluxo macroscópico e fluido em repouso com adição de surfactante. Confrontando os resultados com as previsões teóricas verificou-se que o raio médio pode, em algumas condições, se comportar de acordo com a lei de crescimento segundo a teoria LSW (R ∼ t1/3 ), mas que na maioria dos casos a evolução é a mais lenta do que o previsto. O número de bolhas N(t) decai mais devagar do que o previsto pela teoria (N (t) ∼ t-¹). Há uma discussão sobre o sistema estar em um regime transiente, migrando para o regime de validade dos modelos teóricos, e sobre a teoria LSW não ser suficiente para descrever um sistema real de bolhas de gás. Todas as etapas foram realizadas no Laboratório de Microfluídica e Fluidos Complexos, coordenado pelo professor Alvaro Vianna N. C. Teixeira, utilizando-se dos recursos do mesmo e do Departamento de Física da UFV, como programas apropriado para processamento de imagens, microscópio óptico, câmera integrada ao computador, mesa de deslocamento dentre outros. / Ostwald ripening is a diffusion-controlled growth process where larger particles grow at the expense of the shrinking, and eventual disappearance, of smaller particles. In this process the mean radius increases and the total number of particles decreases. The theoretical description of this phenomenon is given by the LSW theory, which describes the growth of particles in supersaturated solid solutions. There is a large number of theoretical and experimental works about the of Ostwald ripening, however there is a lack of experimental works with gas bubbles on a macroscopic scale (10-100μm). Thus, it is evident the need to carry out a precise experimental study of the performance of Ostwald ripening of gas bubbles in liquid. The results were obtained by image processing generated by optical videomicroscopy. It is shown the results of the temporal ̄ evolution of the average bubble radius R(t), the number of bubbles N (t), the volume fraction occupied by the bubbles φ(t) and the size distributions f (R, t) for three types of experiment with gas bubbles in a fluid: resting fluid, fluid under macroscopic flow and resting fluid with addition of surfactant. Comparing the results with the theoretical predictions, it has been found that the average radius can, under some conditions, behave according to the growth law predicted ̄ ∼ t 1/3 ), but that in most cases the evolution is slower than expected. by the LSW theory ( R The number of bubbles N (t) decreases more slowly than predicted by the theory (N (t) ∼ t −1 ). There is a discussion about the system being in a transient regime, migrating to the validity regime of the theoretical models, and about the LSW theory not being enough to describe a real system of gas bubbles. All steps were carried out in the Microfluidics and Complex Fluids Laboratory, led by professor Alvaro Vianna N.C. Teixeira, using either the resources or those of and the Department of Physics at UFV, as appropriate softwares for image processing, optical microscope, integrated camera to computer, displacement table etc.