As the share of weather-dependent renewable electricity production increases, the demand for power system flexibility grows. In the Swedish power system, gas turbines have historically been utilised for back-up power generation. However, these gas turbines traditionally use fossil fuels, which limits their applications given Sweden’s target of net zero emissions of greenhouse gases. With recent technological advancements, fossil-free fuels, such as hydrogen and eMethanol have emerged as promising green alternatives, expanding the potential benefits of gas turbines in a power system. Possible applications include local bottleneck relief, providing grid inertia, voltage regulation, black start capability, and island operation capability. Market-based benefits include generating revenue by participating in both ancillary service markets and electricity markets. The benefits of a fossil-free gas turbine can be particularly valuable for distribution grids in need of strengthening, and where feed-in from the overlying grid is nearing maximum capacity. Therefore, gas turbine manufacturer Siemens Energy, and distribution network owner Mälarenergi, are interested in assessing the benefits that a fossil-free gas turbine can provide to the distribution network in Västerås, Sweden. Grid resilience benefits were evaluated through a literature study, while the market-based revenue potential were estimated using a quantitative bidding model. Included markets are the day-ahead electricity market and the ancillary service markets FCR-D, aFRR and mFRR. The model simulates the markets in 2022-2023 and uses forecasts based on historical data to determine the optimal bidding strategy. The study found that there is a large revenue potential with current fuel and market prices. The most promising configuration is a combination of eMethanol and hydrogen, with a profit potential of 72.6 MSEK/year, or a net present value of 463.2 MSEK. Operating on only hydrogen is also identified as a promising pathway. HVO100 and biomethane are, with current prices, less attractive alternatives. The results are highly sensitive to changes in costs, emphasising the importance of a diverse portfolio of fuels and potential markets for profitability. However, grid resilience benefits provide an incentive to invest in a fossil-free gas turbine, regardless of market-based revenue potential. As a suggested course of action, HVO100 or biomethane can be utilised during a transition period while the technology and infrastructure for hydrogen and eMethanol are being developed. Lastly, other technologies may offer certain services at a competitive cost, but the strength of the gas turbine lies in its extensive range of capabilities. / I samband med att andelen väderberoende förnybar elproduktion ökar, ökar även behovet av flexibilitet i elnätet. I det Svenska elsystemet har gasturbiner länge använts för att bidra med reservkraft. Dessa gasturbiner drivs vanligtvis med fossila bränslen, och således begränsas deras användningsområde av Sveriges ambitioner om nettonollutsläpp av växthusgaser. Närtida teknologiska framsteg har dock öppnat upp för möjligheten att, i allt större utsträckning, använda fossilfria bränslen i gasturbiner. Bland annat har e-Metanol och vätgas identifierats som två lovande alternativ, och med dessa bränslen får gasturbinen ett mycket bredare användningsområde. Möjliga nyttor inkluderar eliminering av lokala flaskhalsar i nätet, tillförsel av rotationsenergi, spänningsreglering, samt tillhandahållande av förmåga till dödnätsstart och ödrift. Därtill finns det en marknadsmässig nytta i att delta på stödtjänst- och elmarknaderna. Tjänsterna som en fossilfri gasturbin kan bidra med är troligtvis av särskilt intresse för distributionsnätsägare vars nät är i behov av förstärkning och där inmatningen från det överliggande nätet allt oftare närmar sig maxgränsen. Således vill gasturbintillverkaren Siemens Energy, tillsammans med distributionsnätsägaren Mälarenergi, utreda vilka nyttor som en fossilfri gasturbin kan bidra med i den svenska staden Västerås distributionsnät. Nyttor kopplade till elnätets motståndskraft utvärderades kvalitativt genom en literaturstudie, medan den marknadsmässiga intäktspotentialen utvärderades med hjälp av en kvantitativ budgivningsmodell. De marknader som inkluderas i studien är spotmarknaden (dagen-före-marknaden) samt stödtjänstmarknaderna FCR-D, aFRR och mFRR. Modellen simulerar marknaderna under perioden 2022-2023, och använder prognoser för att identifiera en optimal budgivningsstrategi, som avgör hur gasturbinen deltar på marknaderna. Studien kom fram till att det finns goda marknadsmässiga intäktsmöjligheter med dagens marknadspriser och bränslepriser. Den mest lovande bränslekonfigurationen är en kombination av e-Metanol och vätgas, med en uppskattad vinstpotential på 72.6 MSEK/år, motsvarande ett nettonuvärde på 463.2 MSEK. Drift på enbart vätgas identifierades också som ett lovande alternativ. Bränslena HVO100 och biometan är med dagens priser mindre lovande alternativ, dock enbart med avseende på den marknadsmässiga potentialen. Resultaten är mycket känsliga för kostnadsförändringar, varför vikten av gasturbinens bränsleflexibilitet och förmåga att delta på ett stort antal marknader bör understrykas. Nyttor kopplade till elnätets motståndskraft skapar dock incitament för en investering oberoende av den marknadsmässiga intäktspotentialen. Ett rekommenderat tillvägagångssätt vid en investering är att använda HVO100 eller biometan som bränsle under en övergångsperiod, i väntan på att teknologin och infrastrukturen för e-Metanol och vätgas utvecklas. I studien konstaterades det att andra teknologier kan erbjuda vissa tjänster till ett konkurrenskraftigt pris. Detta leder till slutsatsen att den fossilfria gasturbinens främsta styrka är en dess stora mångsidighet, snarare än dess enskilda förmågor.

Neste trabalho foi estudado o efeito da adição de íons haletos (Cl-, Br- e I-) sobre a morfologia das nanopartículas de Pt na produção de catalisadores de Pt/C e PtSnO2/C. Foi desenvolvida uma metodologia de síntese simples capaz de produzir nanopartículas de Pt predominantemente cúbicas com orientação preferencial Pt(100), diretamente suportadas em carbono sem o uso de agentes estabilizantes. Brometo de potássio foi utilizado como agente direcionador de superfície para obtenção do material preferencialmente orientado. O controle de adição do precursor de Pt e de KBr foi crucial para obter nanocubos de Pt de 8 nm bem dispersos sobre o suporte. Na preparação dos catalisadores de PtSnO2/C, o processo de adição do SnCl2 também foi decisivo na obtenção das nanopartículas de Pt com tamanho e morfologia de interesse. Nanocubos de Pt coexistindo com SnO2 disperso foram exclusivamente obtidos ao adicionar o SnCl2 na etapa final da síntese, quando as nanopartículas cúbicas de Pt já estavam formadas. Enriquecidos de domínios Pt(100), os materiais em forma cúbica de Pt/C e PtSnO2/C se mostraram menos afetados pelo acúmulo dos intermediários indesejados provenientes da reação de eletro-oxidação de etanol e foram mais tolerantes ao envenenamento por monóxido de carbono. Resultados similares foram observados para a oxidação de CO e metanol, utilizados como apoio para compreensão da eletro-oxidação de etanol. O efeito morfológico destes materiais no desempenho elétrico em célula a combustível de etanol direto foi avaliado. Pt/C e PtSnO2/C contendo nanopartículas de Pt com orientação preferencial Pt(100) forneceram maiores valores de densidade de potência e de seletividade para CO2 comparados aos catalisadores de Pt/C e PtSnO2/C com nanopartículas de Pt sem orientação preferencial. / The effect of the addition of halide ions (Cl-, Br- and I-) on the shape of Pt nanoparticles of Pt/C and PtSnO2/C catalysts was studied in this work. It was developed a simple methodology synthesis capable of producing Pt nanoparticles predominantly cubic with Pt(100) preferential orientation, directly supported on carbon without the use of stabilizing agents. Potassium bromide was used as a surface directing agent to obtain the preferentially oriented material. The control in addition of the Pt precursor and KBr was crucial to obtain well dispersed 8 nm Pt nanocubes on the support. For the preparation of PtSnO2/C catalysts, the addition process of SnCl2 was also decisive to obtain the Pt nanoparticles with desirable size and morphology. Pt nanocubes coexisting with disperse SnO2 were exclusively obtained by adding SnCl2 in the final step of the synthesis, when the cubic Pt nanoparticles were already formed. Enriched with Pt (100) domains, the Pt/C and PtSnO2/C cubic materials were less affected by the undesirable intermediates accumulation from the ethanol electro-oxidation reaction and were more tolerant to the poisoning of monoxide carbon. Similar results were observed for methanol and CO electro-oxidation reactions, which were employed to understand ethanol electro-oxidation. The morphological effect of these materials on electrical performance in direct ethanol fuel cell was evaluated. Pt/C and PtSnO2/C containing Pt(100) nanoparticles provided higher power density and CO2 selectivity values compared to Pt/C and PtSnO2/C catalysts with Pt nanoparticles without ant preferential orientation.

Neste trabalho, os sistemas de eletrocatalisadores platina-rutênio (PtRu/C) e platina-estanho (PtSn/C) suportados em carbono de alta área superficial XC72R (Cabot) foram preparados pela redução química de precursores metálicos em solução usando o ácido cítrico como agente redutor. Os eletrocatalisadores foram preparados em diferentes valores de pH, com o objetivo de obter as condições de sínteses mais otimizadas para cada um dos sistemas preparados. O método otimizado mostrou-se eficiente na redução e ancoragem de todos os metais presente em solução, sendo possível preparar tanto catalisadores com baixos teores de segundo metal (razão atômica entre Pt:M = 90:10) quanto catalisadores com altos teores de segundo metal (Pt:M = 50:50). Os eletrocatalisadores obtidos foram caracterizados por espectroscopia de energia dispersiva de raios X, difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão. A atividade frente a eletro-oxidação de metanol e etanol foi avaliada através de voltametria cíclica e cronoamperometria em célula eletroquímica. Para os catalisadores com melhores desempenhos eletroquímicos foram realizados experimentos em célula a combustível unitária alimentada diretamente por metanol ou etanol. O desempenho dos eletrocatalisadores preparados foi comparado com o desempenho dos eletrocatalisadores comerciais Pt50Ru50/C e Pt75Sn25/C da linha HP (High Performance) fornecidos pela E-TEK, considerados como referência nos estudos frente a eletro-oxidação de alcoóis. Para eletro-oxidação do metanol foram obtidos eletrocatalisadores com desempenho comparável ao E-TEK e para eletro-oxidação de etanol foram obtidos eletrocalisadores com desempenho superior aos catalisadores E-TEK. / In this work, platinum ruthenium (PtRu/C) and platinum tin (PtSn/C) electrocatalysts were prepared by a chemical reduction process using citric acid as reducing agent and high surface area Vulcan Carbon XC72R (Cabot) as supports. The PtRu/C and PtSn/C catalysts were characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. The electro-oxidation of methanol and ethanol were studied at room temperature by cyclic voltammetry and chronoamperometry. Single fuel cell experiments were carried at 90 °C and the performance of the homemade electrocatalysts prepared by citric acid method in optimized conditions were compared with commercial Pt50Ru50/C and Pt75Sn25/C E-TEK HP (High Performance) catalysts. For methanols electro-oxidation electrocatalysts with comparable E-TEKs catalysts performance were obtained and for ethanols electro-oxidation electrocatalysts with superior performance than E-TEKs electrocatalysts were obtained.

Este trabalho mostra estudos das propriedades eletroquímicas do eletrodo de diamante dopado com boro (DDB) e descreve a utilização de eletrodos de DDB, modificados direta ou indiretamente pelo método Sol-gel, para a oxidação de metanol e de etanol em meio ácido. Do estudo das propriedades superficiais do diamante concluiu-se que a polarização catódica é bastante apropriada para um bom desempenho do material é que não introduz diferenças estruturais detectáveis no filme de DDB, indicando que a melhora na resposta eletroquímica é devida somente a mudanças superficiais. Entretanto, polarizações catódicas consecutivas e extensivas por longos períodos de tempo produzem uma erosão da superfície do eletrodo. Adicionalmente, estudos realizados usando voltametria cíclica e espectroscopia fotoeletrônica de raios X, mostraram que a superfície de eletrodos de DDB pré-tratados catodicamente tem um comportamento eletroquímico dinâmico, apresentando uma perda da reversibilidade para o sistema Fe(CN)63-/4- em função do tempo de exposição ao ar. Isto é devido, possivelmente, à perda de hidrogênio superficial decorrente da oxidação da superfície do eletrodo pelo oxigênio do ar. Este comportamento dinâmico da superfície do DDB é inversamente dependente ao teor de boro do eletrodo. Foi observado também que a quantidade de sítios ativos disponíveis na superfície do eletrodo é diretamente proporcional à dopagem do mesmo e deve ser conseqüência da quantidade de boro superficial. Desses estudos concluiu-se que todos os eletrodos de DDB com distintas dopagens usados nesta tese (300, 800, 2000 e 8000 ppm de B) apresentam uma superfície eletroquímica heterogênea (sítios ricos em boro que apresentariam uma alta condutividade e sítios de diamante com terminação hidrogênio com menor condutividade), quando polarizados catodicamente e parcialmente bloqueada (diamante com terminações oxigênio) quando polarizados anodicamente, formando arranjos de microeletrodos (provavelmente sítios ricos em boro). As superfícies do diamante foram modificadas diretamente com Pt, Pt-RuO2 e Pt-RuO2-RhO2 pelo método Sol-gel. Estes depósitos de catalisadores apresentavam tamanhos nanométricos e mostraram um bom contato elétrico com a superfície do diamante e elevada pureza, assim como, uma composição atômica bem controlada e uma distribuição homogênea na superfície do DDB. Os estudos da oxidação eletroquímica de metanol e de etanol sugerem fortemente que o envenenamento da superfície do eletrodo é grandemente inibido sobre o catalisador ternário Pt-RuO2-RhO2/DDB quando comparado com os eletrodos Pt-RuO2/DDB e Pt/DDB. Adicionalmente, esse eletrodo mostra uma excelente atividade catalítica para a oxidação de etanol, provavelmente devido à habilidade que o ródio tem para quebrar a ligação C-C somada ao mecanismo bifuncional que acontece no catalisador contendo Pt e Ru. Em seguida, realizaram-se modificações indiretas do DDB pela síntese de compósitos de pó de carbono modificados com metais e óxidos metálicos e posterior fixação usando uma solução de Nafion. A oxidação dos álcoois foi estudada por voltametria cíclica e curvas de polarização em estado estacionário (diagramas de Tafel). Os sistemas investigados incluíram misturas metálicas binárias, ternárias e quaternárias contendo Pt, Ru, Ir, Rh, PbOx, TaOx e MoOx num total de 16 sistemas diferentes. Assim, os melhores catalisadores para a oxidação de metanol foram: Pt-Ru-TaOx-PbOx > Pt-Ru-TaOx-MoOx ≈ Pt-Ru-MoOx-Ir enquanto que, para a oxidação de etanol foram Pt-Ru-TaOx-PbOx e Pt-Ru-PbOx-Rh. Consequentemente, catalisadores do tipo Pt-Ru-TaOx-M são promissores para futuras aplicações práticas. Finalmente, estudos preliminares realizados usando pó de DDB modificado diretamente com Pt-RuOx pelo método Sol-gel mostraram que este compósito apresenta uma excelente atividade catalítica para oxidação de metanol, que foi maior do que a observada sobre um catalisador comercial considerado como o estado da arte (Pt-Ru/C da E-TEK) nas mesmas condições experimentais. Desta forma, foi mostrada a possibilidade do uso de pó de DDB como suporte para eletrocatalisadores para aplicações em células a combustível que funcionem diretamente com álcoois. / The electrochemical properties of boron-doped diamond (BDD) surfaces as well as studies of the oxidation of methanol and ethanol in acid media on BDD surfaces modified with catalysts by the Sol-gel method are presented here. Studies of the surface properties of BDD electrodes revealed that a cathodic polarization (-3,0 V vs. HESS, 30 min) is necessary for a good performance of the system while no important bulk structural differences are introduced in the film indicating that the enhanced electrochemical responses brought on by the cathodic pre-treatment is only due to superficial changes. Meanwhile, repeated and extensive cathodic polarizations led to severe erosion of the electrode surface. On the other hand, studies performed using cyclic voltammetry and X-ray photoelectron spectroscopy have shown that, after a cathodic pre-treatment, the BDD electrode surface presents a dynamic behaviour that results in a loss of the reversibility towards the Fe(CN)6 4−/3− redox couple as a function of the time exposed to atmospheric conditions. This dynamic behaviour must be associated to a loss of superficial hydrogen due to oxidation by the air and is inversely proportional to the BDD doping level suggesting that the boron content has a stabilizing effect on the H-terminated surface. It was also observed that the amount of electrochemical active sites of the BDD electrode has a direct dependence with the doping level (maybe due to the amount of superficial boron). From those studies, it was concluded that all BDD electrodes used in this work having different doping levels (300, 800, 2000 and 8000 ppm of boron) posses, after cathodic polarization, electrochemical heterogeneous surfaces (i.e. boron-rich sites with high conductivity and H-terminated diamond sites with lower conductivity) while after anodic polarization the surface is partially blocked by O-terminated diamond sites, resulting in a behaviour that resembles microelectrode arrays (probably formed by the few boron-rich sites). The BDD surface was also modified directly with Pt, Pt-RuO2 and Pt-RuO2-RhO2 using the Sol-gel method. These catalysts deposits have nanometric sizes, good electrical contact with the diamond surface and high purity. They also show a well controlled atomic composition and a homogeneous distribution on the BDD surface. Methanol and ethanol electrochemical oxidation studies on those modified electrodes suggested that poisoning of the surface by undesired intermediates (most xvi probably CO) is highly inhibited on the ternary catalyst Pt-RuO2-RhO2/BDD when compared with the Pt-RuO2/BDD and Pt/BDD responses. Additionally, the observed catalytic activity for ethanol oxidation was excellent, probably due to the rhodium ability to break the C-C bond which was added to the bifunctional mechanism operating in Pt-Ru catalysts. In the sequence, indirect modifications of the BDD surface were carried out by the production of carbon powder composites modified with metals and metallic oxides by the Sol-gel method and their subsequent anchoring to the BDD using a Nafionsolution. The alcohols oxidation on these electrodes was studied by cyclic voltammetry and steady-state polarization curves (Tafel plots). The investigated systems included binary, ternary and quaternary catalysts containing Pt, Ru, Ir, Rh, PbOx, TaOx and MoOx in a total of 16 different systems The higher catalytic activity towards methanol oxidation was observed in the sequence: Pt-Ru-TaOx-PbOx > Pt-Ru-TaOx-MoOx _ Pt-Ru-MoOx-Ir while for ethanol oxidation, the catalysts activity sequence was: Pt-Ru-TaOx-PbOx _ Pt-Ru-PbOx-Rh > Pt- Ru-Rh. Consequently, it was concluded that catalysts of the type Pt-Ru-TaOx-M are very promising systems to be used in future practical applications. Finally, preliminary studies carried out using BDD powder directly modified with Pt-RuOx by the Sol-gel method showed that this material has an excellent catalytic activity towards methanol oxidation reaction, being higher than that observed on a state of the art commercial catalyst (Pt-Ru/C from E-TEK) under the same experimental conditions. Thus, the feasibility of the use of BDD powder as catalysts support in direct-alcohol fuel cell systems was clearly established.

Neste trabalho, os sistemas de eletrocatalisadores platina-rutênio (PtRu/C) e platina-estanho (PtSn/C) suportados em carbono de alta área superficial XC72R (Cabot) foram preparados pela redução química de precursores metálicos em solução usando o ácido cítrico como agente redutor. Os eletrocatalisadores foram preparados em diferentes valores de pH, com o objetivo de obter as condições de sínteses mais otimizadas para cada um dos sistemas preparados. O método otimizado mostrou-se eficiente na redução e ancoragem de todos os metais presente em solução, sendo possível preparar tanto catalisadores com baixos teores de segundo metal (razão atômica entre Pt:M = 90:10) quanto catalisadores com altos teores de segundo metal (Pt:M = 50:50). Os eletrocatalisadores obtidos foram caracterizados por espectroscopia de energia dispersiva de raios X, difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão. A atividade frente a eletro-oxidação de metanol e etanol foi avaliada através de voltametria cíclica e cronoamperometria em célula eletroquímica. Para os catalisadores com melhores desempenhos eletroquímicos foram realizados experimentos em célula a combustível unitária alimentada diretamente por metanol ou etanol. O desempenho dos eletrocatalisadores preparados foi comparado com o desempenho dos eletrocatalisadores comerciais Pt50Ru50/C e Pt75Sn25/C da linha HP (High Performance) fornecidos pela E-TEK, considerados como referência nos estudos frente a eletro-oxidação de alcoóis. Para eletro-oxidação do metanol foram obtidos eletrocatalisadores com desempenho comparável ao E-TEK e para eletro-oxidação de etanol foram obtidos eletrocalisadores com desempenho superior aos catalisadores E-TEK. / In this work, platinum ruthenium (PtRu/C) and platinum tin (PtSn/C) electrocatalysts were prepared by a chemical reduction process using citric acid as reducing agent and high surface area Vulcan Carbon XC72R (Cabot) as supports. The PtRu/C and PtSn/C catalysts were characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. The electro-oxidation of methanol and ethanol were studied at room temperature by cyclic voltammetry and chronoamperometry. Single fuel cell experiments were carried at 90 °C and the performance of the homemade electrocatalysts prepared by citric acid method in optimized conditions were compared with commercial Pt50Ru50/C and Pt75Sn25/C E-TEK HP (High Performance) catalysts. For methanols electro-oxidation electrocatalysts with comparable E-TEKs catalysts performance were obtained and for ethanols electro-oxidation electrocatalysts with superior performance than E-TEKs electrocatalysts were obtained.

A transesterificação metílica em meio homogêneo é catalisada por bases, tais como hidróxidos e alcóxidos de sódio ou potássio e se processa em baixa temperatura de reação, mesmo em escala industrial. A utilização de catalisadores formados por sólidos básicos aparece como uma alternativa promissora aos processos homogêneos convencionais, tendo em vista as inúmeras vantagens como a redução da ocorrência das reações indesejáveis de saponificação e redução de custos dos processos pela diminuição do número de operações associadas. Em estudos anteriores realizados pelo grupo, catalisadores a base de Mg/La com diferentes composições químicas (9:1, 1:1 e 1:9) mostraram-se promissores para a obtenção de ésteres metílicos via reação de transesterificação, porém não foi possível fazer uma correlação entre atividade catalítica e as propriedades físico-químicas quando toda a série foi considerada. Assim, a realização de um estudo de caráter fundamental, baseado em reações modelo e uso de moléculas sonda, permite avançar no entendimento das propriedades de superfície destes catalisadores. Portanto, o presente trabalho estuda a reação entre metanol e acetato de etila em catalisadores a base de Mg/La utilizando espectroscopia de reflectância difusa no infravermelho com transformada de Fourier (DRIFTS) acoplada a espectrometria de massas (MS) identificando os intermediários e produtos formados para determinar a rota reacional. As análises de difração de raios X mostram que os precursores são predominantemente compostos por carbonatos hidratados de magnésio (Mg/La 1:1 e 9:1) e de lantânio (Mg/La 1:9). Os perfis de decomposição térmica e difratogramas de raios X obtidos a partir de tratamento térmico in situ indicaram que estes carbonatos se decompõem apenas a partir de 750 C. As análises de Dessorção a Temperatura Programada realizadas com moléculas sonda, metanol e acetato de etila, mostraram a adsorção em maior quantidade do metanol independente da composição química do sólido. A partir dos resultados obtidos por DRIFTS-MS foi proposta uma rota reacional para a reação de transesterificação do acetato de etila e metanol, que ocorre via adsorção do metanol e do acetato de etila na superfície do catalisador, seguida da formação de um intermediário tetraédrico formado pelas moléculas adsorvidas, que sofre um rearranjo formando etanol, acetato de metila, acetona e metano. Simultaneamente, parte do metanol adsorvido como metoxi monodentado é desidrogenado formando formiatos que são dessorvidos na forma de formaldeído e decompostos formando CO2 e H2 / The methylic transesterification of vegetable oils catalyzed by sodium or potassium hydroxides or alkoxides is carried out in homogeneous media at a low reaction temperature, even on an industrial scale. However, the homogeneous reaction has some disadvantages such as the sensitivity of the catalyst to the presence of free fatty acids and/or water in the oil feedstock, which causes the occurrence of undesirable saponification reactions. On the other hand, the use of basic solid catalysts appears as a promising alternative to conventional homogeneous processes, since it reduces the occurrence of undesirable reactions of saponification and decreases the process costs due to the reduction of the number of operations associated. In a previous studies of the group, Mg/La catalysts with different chemical compositions (9:1, 1:1 and 1:9) showed good results for the production of methyl esters via transesterification reaction. However, it was not possible to make a correlation between catalytic activity and the basic properties when the whole series was considered. Therefore, the realization of a fundamental study based on model reactions and the use of probe molecules may lead to the comprehension of the surface properties of these catalysts. Thus, in this work, the reaction between methanol and ethyl acetate catalyzed by a series of Mg/La-catalysts was studied using diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) coupled to mass spectrometry (QMS) aiming at identify the intermediates and products formed to determine the reaction route. The analysis of X-ray diffraction showed that the precursors are mainly hydrated carbonates of magnesium (Mg/La 1:1 and 9:1) and lanthanum (Mg/La 1:9). The TG profiles and in situ X-ray difratograms obtained during the thermal decomposition of the precursors indicate that these carbonates decompose at 750 C or above. Temperature Programmed Desorption analysis carried out with probe molecules, methanol and ethyl acetate, showed a higher amount of methanol adsorbed on the catalyst surface. From the results obtained by DRIFTS-MS a reaction route for the transesterification reaction of methanol and ethyl acetate was proposed. The reaction occurs via adsorption of methanol and ethyl acetate on the catalyst surface. These adsorbed species react forming an adsorbed tetrahedral intermediate which undergoes rearrangement producing ethanol, methyl acetate, acetone and methane. Simultaneously, the methanol adsorbed as a monodentate methoxy specie is dehydrogenated forming formates species that are decomposed in CO2 and H2

Submitted by Ana Hilda Fonseca (anahilda@ufba.br) on 2016-03-04T14:29:41Z No. of bitstreams: 1 TESE - Vitoria Regina Bispo Soares - VERSÃO DEFINITIVA.pdf: 1523926 bytes, checksum: 3a9f38aaba1acc7f058996d689674f7a (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Hilda Fonseca (anahilda@ufba.br) on 2016-05-10T17:17:31Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TESE - Vitoria Regina Bispo Soares - VERSÃO DEFINITIVA.pdf: 1523926 bytes, checksum: 3a9f38aaba1acc7f058996d689674f7a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-10T17:17:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TESE - Vitoria Regina Bispo Soares - VERSÃO DEFINITIVA.pdf: 1523926 bytes, checksum: 3a9f38aaba1acc7f058996d689674f7a (MD5) / Capes / Os combustíveis automotivos exigem controle de qualidade para garantir a melhor utilização de energia com mínima poluição ambiental. Características dos combustíveis podem ser modificadas pelo transporte, armazenamento e manuseio inadequados, bem como adulteração. O monitoramento contínuo é de suma importância para reduzir tais irregularidades, exigindo, portanto, métodos analíticos confiáveis, que devem ser simples, rápidos, minimizando o consumo de reagentes e geração de resíduos. Nesse sentido, os sistemas em fluxo podem contribuir por meio de manipulação automatizada de amostras e reagentes em sistemas fechados em condições reprodutíveis. O metanol e o glicerol são, respectivamente, reagente e coproduto da transesterificação, processo mais comum de obtenção de biodiesel. O excesso de metanol no biodiesel pode provocar corrosão de partes metálicas do motor, aumento do número de cetanos, além de poder modificar o ponto de fulgor do biodiesel. Já o alto teor de glicerol pode provocar problemas de armazenamento, danos ao motor, formação de depósitos, entupimentos dos bicos injetores e sua combustão pode gerar problemas ambientais. No presente trabalho, foram realizadas duas propostas de sistemas em linha para contribuir com o controle de qualidade de biodiesel. Um módulo foi desenvolvido para preparo de amostra em linha explorando extração líquido-líquido de etanol em biodiesel em meio aquoso. E, um segundo módulo foi elaborado para determinação de metanol e glicerol total em amostras de biodiesel. A extração líquido-líquido foi realizada em uma câmara de vidro acoplada às linhas de fluxo e o gerenciamento das soluções foi promovido por computador e válvulas solenóides de três vias. A eficiência da extração foi avaliada juntamente com parâmetros como número de extrações, tempo de agitação da mistura, fracionamento do volume da amostra e substituição da solução extratora por solução salina. É possível explorar o potencial do módulo construído para extrações líquido-líquido envolvendo matrizes semelhantes ao biodiesel e analitos com características semelhantes às do etanol. Também é possível empregar o módulo desenvolvido para estratégias de pré-concentração do analito no meio extrator a partir da injeção de novas alíquotas de amostra na câmara de extração. Dessa forma, todas as etapas da extração líquido-líquido podem ser mecanizadas, reduzindo a manipulação humana. A segunda etapa do trabalho consistiu na construção de um módulo para determinação simultânea de metanol e glicerol total em amostras de biodiesel empregando 1,2-naftoquinona-4-sulfonato de sódio (NQS) e detecção espectrofotométrica (453 nm). Não foram obtidas figuras de mérito satisfatórias para determinação de metanol na amostra em estudo. Para determinação de glicerol total, empregou-se um diagrama FIA com injetor comutador e solução carregadora de NaOH em meio aquoso (0,003 mol L-1), 300 µL de solução de glicerol e reagente NQS (7,5 x 10-3 mol L-1) cada. O comprimento da bobina era 100 cm, vazão do carregador de 3,90 mL min-1 e pH do meio em 12. A faixa linear obtida foi de 0,15 a 1,00 % v/v em glicerol, quando pré-concentração do analito não foi realizada. Os resultados encontrados através do método proposto concordaram com os resultados do método de referência ao nível de confiança de 95% e estiveram no intervalo de média robusta ± 3s. Diferentes amostras de biodiesel foram analisadas após procedimento de pré-concentração pelo método proposto e o teor de glicerol encontrado variou de (0,059 ± 0,005) a (0,240 ± 0,005) % (m/m). / Automotive fuels require quality control to ensure the best use of energy with minimal environmental pollution. Fuel characteristics can be modified by unsuitable transportation, storage and handling as well as adulteration. The continuous monitoring is extremely important to reduce such irregularities, requiring, therefore reliable analytical methods, which must be simple, fast, minimizing reagent consumption and waste generation. In this sense, flow systems can contribute through automated handling of samples and reagents in closed systems under reproducible conditions. Methanol and glycerol are, respectively, reagent and coproduct of transesterification, the most common process for biodiesel obtaining. The excess of methanol in biodiesel can cause corrosion of metal parts of the engine, increase of the cetane number, and it can modify the flash point of biodiesel. The high content of glycerol can cause storage problems, engine damage, formation of deposits, clogging of nozzles and its combustion can generate environmental problems. In this work, two proposals of flow systems were performed to contribute to the biodiesel quality control. A module was developed for on-line sample preparation by exploring liquid-liquid ethanol extraction from biodiesel in aqueous medium. Besides, a second module was developed for determination of methanol and total glycerol in biodiesel samples. The liquid-liquid extraction was performed in a glass chamber coupled with the flow lines and the management of the solutions was performed by a computer and three-way solenoid valves. The extraction efficiency was evaluated along with parameters such as number of extractions, time of mixture stirring, fractioning of the sample volume and replacement of the extraction solution by saline solution. It´s possible to explore the potential of the built module for liquid-liquid extractions involving matrices similar to biodiesel and analytes with characteristics similar to ethanol ones. It’s also possible to employ the developed module for strategies of analyte pre-concentration in the extractor by injection of new aliquots of the sample through the extraction chamber. Thus, all stages of liquid-liquid extraction can be mechanized resulting in an human manipulation reduction. The second stage of the work consisted in building a module for simultaneous determination of methanol and total glycerol in biodiesel samples by using sodium 1,2-naphthoquinone-4-sulfonate (NQS) and spectrophotometric detection (453 nm). No satisfactory figures of merit were obtained for determination of methanol in the target sample. For total glycerol determination, it was employed a FIA diagram with switch injector and NaOH aqueous solution (0,003 mol L-1) as carrier, 300 µL of a glycerol solution and reagent NQS (7.5 x 10-3 mol L-1) each of them. The coil length was 100 cm, the carrier flow of 3.90 ml min-1 and medium pH of 12. The linear range obtained was between 0.15 to 1.00% v/v in glycerol when pre-concentration of the analyte was not performed. The obtained results through the proposed method agreed with the results of the reference method at a confidence level of 95% and they were in the range of robust mean ± 3s. Different biodiesel samples were analyzed by the proposed method after pre-concentration and the glycerol content found varied from (0.059 ± 0.005) to (0.240 ± 0.005) % (m/m

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-26Bitstream added on 2014-06-13T20:50:43Z : No. of bitstreams: 1 dib_fh_me_ilha.pdf: 1753088 bytes, checksum: 6f21fa7a5002d96add683e1ad3d75eb9 (MD5) / Neste trabalho são analisadas técnicas de produção do biodiesel a partir do óleo residual reciclado, visando a diversificação da matriz energética brasileira e minimização dos impactos ambientas decorrentes do descarte inadequado desses óleos. Antes do início da produção de biodiesel é necessária a realização de um pré-tratamento deste óleo, o que envolve processos de filtragem, secagem e determinação do teor de acidez, seguida de neutralização, pois de acordo com a porcentagem de ácidos graxos livres presentes na matéria-prima é que os métodos para obtenção dos ésteres são adotados. Primeiramente, foram realizados testes laboratoriais em pequena escala para produção de biodiesel, utilizando como matérias prima o óleo residual reciclado e o óleo de soja degomado para efeito comparativo, tendo sido utilizado hidróxido de sódio como catalisador e experimentadas as rotas metílica e etílica, não tendo sido obtidos resultados satisfatórios neste último caso. Em seguida, a produção foi expandida para uma escala semi-piloto, através da utilização de um reator com capacidade de produzir entre 75 e 80 litros de biodiesel por batelada, sendo neste caso utilizado apenas óleo residual reciclado e processo de transesterificação através da rota metílica, tendo o hidróxido de sódio como catalisador. Depois disso, foi feita a caracterização básica do biodiesel produzido, utilizando-se os equipamentos disponíveis, e foram realizados testes comparativos com outros tipos de biodiesel (Comercial, Vegetal e Animal) e frações de misturas (B25, B50, B75 e B100), tendo como base o biodiesel comercial (B5). Por fim, foram feitos testes com esses combustíveis em um moto-gerador diesel de 6 kVA, variando-se a carga de 0 a 3 kW e determinando-se o consumo específico e a temperatura dos gases de exaustão... / This study analyzes the technical production of biodiesel from waste oil recycling, aimed at diversifying the Brazilian energy matrix and minimizing the environmental impacts of inadequate disposal of waste oils. Before the production of biodiesel it is necessary to perform a previous treatment of this oil, which involves processes of filtration, drying and determination of acidity, followed by neutralization, because according to the percentage of free fatty acids present in the raw material is that the methods for obtaining the esters are defined. Firstly, laboratory tests were performed on a small scale biodiesel production using raw materials like soybean oil and recycle waste soybean oil for comparison, having been used sodium hydroxide as catalyst and tested methyl and ethyl routes, being no obtained satisfactory results in this last case. Then, the production was expanded to a semi-pilot scale, using a reactor that can produces between 75 and 80 liters of biodiesel per batch, being in which case only used recycle waste oil and the transesterification process using methanol route, with sodium hydroxide as catalyst. After that, a basic characterization of biodiesel had been done, using equipment available, and were conducted comparative tests with other types of biodiesel (commercial, vegetable and animal) and fractions of blends (B25, B50, B75 and B100), with commercial biodiesel like base of comparison (B5). Finally, tests were performed with these fuels in a 6 kVA diesel generator set, varying a resistive load from 0 to 3 kW and determining the specific consumption and temperature of the exhaust gases. Analyzing the results, it was verified that the physical and chemical properties measured are within acceptable limits, with density between 0,871 and 0,910 g/ml, viscosity between 3,9 and 6,1 cSt and flash point between 51 and 183°C,... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6569.pdf: 7813080 bytes, checksum: 5bddbc1ed667ee4456bc01f930d2c15a (MD5) Previous issue date: 2014-11-25 / Financiadora de Estudos e Projetos / study evaluated the production of hydrogen and methane from sugarcane vinasse in anaerobic fluidized bed reactor. Two fluidized bed reactors filled with expanded clay were operated under two different concentrations: R5 (5 gCOD.L-1) and R10 (10 g.CODL-1). During the first stage, glucose was used as the primary carbon source. Along the first step vinasse was added from 0% to 100% of the organic source under HRT of 6 h. In a second step with 100% of sugarcane vinasse, HRT was reduced to 4, 2 and 1 h. In another reactor R15 (15 gCOD.L-1) it was varied the substrate (100% glucose; 50 % glucose/ 50 % vinasse; 100 % vinasse) under HRT of 8 h. All reactors were operated in room temperature and a sludge from the treatment of swine wastewater was used. It was not observed methane production in R15. Hydrogen production rate and hydrogen yield reached, respectively: 0,01 L.h-1.L-1 e 0,10 mmolH2.g-1COD added. In reactors R5 and R10, biogas was formed by H2 and CO2 when glucose was present in the feed. Methane was formed when vinasse became the main substrate. The best operating condition occurred under HRT of 1 h, vinasse 100% at a concentration of 5 gCOD. L-1 with a hydrogen production rate of 0.57 L.h.-1L-1. As regards the yield, the best condition was under HRT of 6 h when the affluent comprised vinasse and glucose (3:1) reaching an yield of 3.07 mmolH2.g-1CODadded. Methane production in acidic conditions showed that the methanogens have adapted to a slightly acidic pH of 4.5. The principal metabolites were ethanol, butyric acid, propionic acid and methanol. Microbial characterization revealed the presence of Prevotella and Megasphaera belonging to the domain Bacteria and Methanobacterium and Methanosphaera belonging to the Archaea domain. / O presente estudo avaliou a produção de hidrogênio e metano a partir de vinhaça de cana-de-açúcar em reator anaeróbio de leito fluidizado. Dois reatores de leito fluidizado preenchidos com argila expandida foram operados sob duas diferentes concentrações de substratos: R5 (5 gDQO.L-1) e R10 (10 gDQO.L-1). Durante a primeira etapa, a glicose foi utilizada como fonte de carbono principal. Em seguida, a vinhaça foi adicionada passando de 0% a 100% da fonte orgânica sob o tempo de detenção hidráulica de 6 h. Numa segunda etapa com 100 % de vinhaça, foi feita a redução do TDH para 4, 2 e 1 h. Um terceiro reator foi empregado com uma concentração maior R15 (15 gDQO.L-1) na qual foi variado o substrato (100% glicose, 50% glicose/50 % vinhaça, 100 % vinhaça) sob o tempo de detenção hidráulica de 8 h. Todos os reatores foram operados em temperatura ambiente e foi utilizado lodo proveniente do tratamento de resíduos da suinocultura. Não foi observada produção de metano no reator R15, apenas H2 e CO2. A produção volumétrica e rendimento de hidrogênio atingiu um máximo de 0,01 L.h-1.L-1 e 0,10 mmolH2.g- 1DQOadicionada na fase de alimentação com vinhaça. Nos reatores R5 e R10 o biogás foi formado por H2 e CO2 quando ainda havia glicose como substrato. Metano foi formado quando a vinhaça se tornou o substrato principal. A melhor condição de operação se deu sob o TDH de 1 h, vinhaça 100 % a uma concentração de 5 gDQO.L-1 quando foi obtida uma produção volumétrica de hidrogênio de 0,57 L.h-1.L-1. No que se refere ao rendimento, a melhor condição se deu sob o TDH de 6 h quando o afluente era constituído por vinhaça e glicose (3:1) e um rendimento de 3,07 mmolH2.g-1DQOadicionada. A produção de metano em condições ácidas mostrou que as metanogênicas consumidoras de hidrogênio se adaptaram ao pH levemente ácido de 4,5. Os principais metabólitos produzidos foram etanol, ácido butírico, ácido propiônico e metanol. A caracterização microbiana revelou a presença de Prevotella e Megasphaera pertencentes ao domínio Bacteria e Methanobacterium e Methanosphaera pertencentes ao domínio Archaea.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:09:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FatimaRDF_TESE.pdf: 1276993 bytes, checksum: e49848d3c2dd72aa79cb38ebe1d84d84 (MD5) Previous issue date: 2012-11-26 / Since the beginning of the National Program for Production and Use of Biodiesel in Brazil, in 2004, different raw materials were evaluated for biodiesel production, trying to combine the agricultural diversity of the country to the desire to reduce production coasts. To determine the chemical composition of biodiesel produced from common vegetables oils, international methods have been used widely in Brazil. However, for analyzing biodiesel samples produced from some alternative raw materials analytical problems have been detected. That was the case of biodiesel from castor oil. Due the need to overcome these problems, new methodologies were developed using different chromatographic columns, standards and quantitative methods. The priority was simplifying the equipment configuration, realizing faster analyses, reducing the costs and facilitating the routine of biodiesel research and production laboratories. For quantifying free glycerin, the ethylene glycol was used in instead of 1,2,4-butanetriol, without loss of quality results. The ethylene glycol is a cheaper and easier standard. For methanol analyses the headspace was not used and the cost of the equipment used was lower. A detailed determination of the esters helped the deeper knowledge of the biodiesel composition. The report of the experiments and conclusions of the research that resulted in the development of alternative methods for quality control of the composition of the biodiesel produced in Brazil, a country with considerable variability of species in agriculture, are the goals of this thesis and are reported in the following pages / No Brasil, desde o in?cio do Programa Nacional de Produ??o e Uso do Biodiesel, em 2004, diversas mat?rias primas foram avaliadas para a sua produ??o, tentando aliar a diversidade agr?cola do pa?s ao desejo de diminuir os custos de produ??o. Para determinar a composi??o qu?mica de amostras de biodiesel produzidas a partir dos ?leos mais comuns, os m?todos internacionais t?m sido largamente utilizados no Brasil. Por?m, para an?lises de biodiesel produzido a partir de algumas mat?rias primas alternativas, alguns problemas anal?ticos foram detectados. Esse foi o caso do biodiesel de mamona. Devido ? necessidade de contornar esses problemas, novas metodologias foram desenvolvidas, utilizando colunas cromatogr?ficas, padr?es e diferentes m?todos para quantifica??o, privilegiando a sempre simplifica??o dos equipamentos, a realiza??o de an?lises mais r?pidas, diminuindo os custos e facilitando a rotina dos laborat?rios de pesquisas e de produ??o do biodiesel. No caso das an?lises para quantifica??o da glicerina livre, o etilenoglicol, padr?o muito mais barato e de f?cil aquisi??o, foi utilizado no lugar do 1,2,4-butanotriol, sem perda da qualidade dos resultados. Nas an?lises do metanol a n?o utiliza??o do headspace, diminuiu os custos do equipamento utilizado. A determina??o detalhada dos ?steres presentes ajudou o conhecimento mais profundo da composi??o de amostras de biodiesel provenientes de mat?rias primas alternativas. O relato dos experimentos e as conclus?es das pesquisas que resultaram no desenvolvimento de metodologias alternativas para controle de qualidade da composi??o do biodiesel produzido no Brasil, pa?s com enorme variabilidade de esp?cies na agricultura, s?o os objetivos dessa tese e est?o relatados nas p?ginas seguintes