Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-21T13:43:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 207427.pdf: 3433186 bytes, checksum: e8e281556e5aab6973c2f2a391f35a01 (MD5) / O presente trabalho teve como objetivo principal a implementação de uma ferramenta para a previsão do campo de vento e concentração de poluentes na micro-escala atmosférica. Para a obtenção deste objetivo, modelos de última geração para o cálculo do campo de vento e concentração de poluentes na atmosfera foram unificados através de uma interface totalmente concebida no SINMEC/UFSC. Esta interface foi testada e verificada utilizando dados reais e simulados de vento, apresentando bons resultados. Os modelos utilizados foram o Advanced Regional Prediction System (ARPS), California Meteorological Model (CALMET) e o California Puff Model (CALPUFF). Os resultados das simulações com os modelos ARPS e CALMET foram avaliados utilizando índices estatísticos, e apresentaram valores comparáveis aos encontrados na literatura. Os resultados obtidos para as concentrações de poluentes, como modelo CALPUFF, foram por sua vez, comparados com dados reais de concentração de poluentes, fornecidos pela empresa Tractebel Energia S.A., medidos nos arredores do complexo termoelétrico Presidente Jorge Lacerda, localizado no município de Capivari de Baixo (SC). Os resultados obtidos para concentração do poluente SO2 ficaram em torno de 30 a 60 % dentro de um fator de 2 (FAC2), que por sua vez, estão dentro intervalo esperado para concentrações calculadas pelos modelos que hoje representam o estado da arte em termos de dispersão de poluentes. A implementação desta ferramenta a nível operacional no CLIMERH/EPAGRI (Centro Integrado de Meteorologia e Recursos Hídricos/Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina S.A.) deverá cumprir o importante papel social da proteção e monitoramento da qualidade do ar em regiões do Estado de Santa Catarina afetadas, eventualmente, por problemas de poluição atmosférica. O campo de vento previsto com esta ferramenta poderá também ser utilizado no setor de geração de energia eólica, que vem se expandido nos últimos anos aqui no estado de Santa Catarina.

Neste trabalho é apresentado uma solução analítica para a equação de Langevin tridimensional e estocastica aplicada na dispersão de poluentes na atmosfera considerando as seguintes funções densidade probabilidade (PDF): Gaussiana, Bi-Gaussiana e Gram- Charlier. A solução é obtida usando o Método de Decomposição Adomian (ADM), que é um método para resolver equações diferenciais não-lineares sem linearização. O método de decomposição consiste na expansão da solução em série de funções e o termo não-linear em série de polinômios definidos por Adomian. Substituindo estas expansões na equação µa ser resolvida, é construído um sistema linear recursivo, que é então resolvido de maneira analítica. Também é apresentado um estudo de estabilidade baseado na teoria de Lyapunov, bem como é introduzido um novo índice estatístico para a validação do modelo. Os resultados obtidos por esta metodologia são comparados com os dados do experimento de Copenhagen, bem como com os resultados obtidos a partir de outros modelos Lagrangeanos: Ito, ILS e a solução analítica. Na comparação com os dados experimentais obtidos pelo modelo proposto e o método ILS foram o que apresentaram os melhores resultados. / This work presents an analytical solution of the three-dimensional stochastic Langevin equation and applied to the dispersion of pollutants in the atmosphere considering the fol- lowing probability density functions (PDF): Gaussian, Bi-Gaussian and Gram-Charlier. A solution is obtained using the Adomian Decomposition Method (ADM), which is a method for solving non-linear di®erential equations without the use of linearization. The decompo- sition method consists in expanding the solution in a series of fuction and the non-linear term in a series de¯ned by Adomian polynomials. Upon substitution of these expansions in the equation to be solved, one may built a linear recursive system which is then solved analytically. Further, a study of convergence stability based on Lyapunov theory is presented and a new statistical index for model validation is introduced. The results obtained by this method are compared with the experimental data from Copenhagen, as well as the results obtained from other Lagrangian models: Ito, ILS and an analytical solution. In comparison with the experimental data the proposed model and the ILS method showed the best results.

Orientador : Prof. Dr. Patricio G. Peralta-Zamora / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa: Curitiba, 04/12/2012 / Inclui referências : f. 106-135 / Resumo: Neste trabalho foi investigada a potencialidade de processos avançados de oxidação (fotocatálise heterogênea e sistema fotoeletroquímico), em relação à remediação de matrizes aquosas contendo antibióticos, tais como a trimetoprima (TMP) e o sulfametoxazol (SMZ) e, antiinflamatórios, como o diclofenaco (DIC). Inicialmente foi estabelecida uma rotina analítica para a quantificação destes fármacos, utilizando-se sistemas de extração em fase sólida (SPE) seguida de cromatografia em fase líquida (HPLC-DAD). Com o uso de um sorvente polimérico (Strata-X), o procedimento de extração permitiu uma excelente recuperação de TMP, SMZ e DIC a partir de soluções aquosas fortificadas. Nestas condições, a utilização de fatores de pré-concentração de 2000 vezes permitiu recuperações entre 94 e 114%, o que viabilizou limites de quantificação da ordem de 100 ng L-1. A análise de amostras de esgoto doméstico (bruto e tratado) foi fortemente interferida pela presença de outros constituintes da matriz, o que foi particularmente prejudicial para a quantificação de SMZ. Processos de fotocatálise heterogênea fundamentados no uso de suspensões de TiO2 e ZnO e de radiação UVC permitiram a degradação praticamente completa dos fármacos em tratamentos da ordem de 30 min. Entretanto, o efeito isolado da radiação foi também importante, em razão da foto-sensibilidade dos substratos. O efeito isolado da radiação UVC foi particularmente importante nos processos de degradação mediados por fotocatalisadores imobilizados em esferas de alginato de cálcio, os quais propiciaram uma degradação fotocatalítica praticamente nula. Na presença de radiação UVA, somente o TiO2 imobilizado em anéis de vidro permitiu importante degradação dos fármacos, a qual alcançou valores entre 65 e 100% em 45 minutos de reação. Os processos fotoeletroquímicos permitiram eficiente degradação dos fármacos (70 a 80%) na presença de Na2SO4. Entretanto, a elevada foto-sensibilidade dos substratos fez com que, nas condições de trabalho, grande parte da capacidade de degradação tenha sido devida à presença de radiação UVC, o que não permitiu a observação de efeitos sinérgicos característicos. / Abstract: In this work, the potentiality of advanced oxidation processes (heterogeneous photocatalysis and photoelectrochemical process) was investigated with relation to the remediation of aqueous matrices containing antibiotics, such as trimethoprim (TMP), sulfamethoxazole (SMZ) and anti-inflammatory, such as diclofenac (DIC). An analytical routine was initially established to quantify these drugs, using solid phase extraction (SPE) systems, followed by liquid chromatography (HPLC-DAD). The use of a polymeric sorbent (Strata-X) enabled the extraction procedure to very successfully recover TMP, SMZ and DIC from spiked aqueous solutions. Accordingly, use of pre-concentration factors of 2000 times allowed recoveries between 94 and 114%, which enabled quantification limits of approximately 100 ng L-1. The analysis of wastewater samples (influent and effluent) was strongly interfered by the presence of other constituents in the matrix, which is particularly detrimental to the quantification of SMZ. Heterogeneous photocatalysis processes based on the use of TiO2 and ZnO suspensions and UVC radiation provided the almost complete degradation of drug treatments within approximately 30 min. However, the isolated effect of radiation was also important, on account of the photo-sensitivity of the substrates. The isolated effect of UVC radiation was particularly important in the degradation processes mediated by photocatalysts immobilized in calcium alginate beads, which afforded a photocatalytic degradation of practically zero. In the presence of UVA irradiation, only the TiO2 immobilized in glass rings provided significant degradation of the drug substances, reaching values between 65 and 100% within 45 minutes of reaction. The photoelectrochemical processes provided efficient degradation of the drugs (70 to 80%) in the presence of Na2SO4. However, the high photo-sensitivity of the substrates meant that, under the work conditions, much of the degradation capacity was due to the presence of UVC radiation, which did not allow the observation of the characteristic synergistic effects.

Orientador : Prof. Dr. Ricardo Henrique Moreton Godoi / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa: Curitiba, 26/08/2016 / Inclui referências : f. 94-107 / Resumo: A presente pesquisa tem como principal objetivo a análise da qualidade do ar em um local que representa a transição entre meio natural e urbano na região amazônica. Para isso, o estudo foi desenvolvido como parte de um experimento pré-existente de maior escala, denominado GOAmazon 2014/5, que se localiza no município de Manacapuru (região metropolitana de Manaus, que recebe influência das massas de ar vindas dessa). Baseado em seus potenciais poluidores, foram selecionados os seguintes poluentes atmosféricos: Material particulado inalável fino (MP2,5), os gases dióxido de nitrogênio (NO2), dióxido de enxofre (SO2), ozônio (O3) e sulfeto de hidrogênio (H2S) e os compostos orgânicos voláteis benzeno, tolueno, etilbenzeno e meta-, orto-, para-xileno (BTEX). A amostragem ocorreu em dois períodos distintos, o primeiro durante a estação chuvosa (março e abril de 2014) e o segundo durante a estação seca (agosto a outubro de 2014). A velocidade do vento no período indica que os poluentes medidos na área de estudo provêm de fontes localizadas próximo ao local estudado. Verificou-se também que a quantidade de focos de queimada no entorno foi muito maior durante a estação seca do que na estação chuvosa. Os resultados mostraram um aumento significativo na concentração mássica (chuva: 0,003-10 ?g m-3; seca: 9,8-69 ?g m-3) e no conteúdo de NH4+ (chuva: 13-125 ?g m-3; seca: 86-323 ?g m-3) e K+ (chuva: 11-168 ?g m-3; seca: 60-356 ?g m-3) do MP2,5 durante a estação seca e altos níveis de O3 (chuva: 1,4-14 ?g m-3; seca: 1,0-40 ?g m-3) em ambos os períodos, indicando influência de emissões provenientes de queima de biomassa no local. As concentrações de BTEX, embora bastante baixas em ambos os períodos, também foram mais altas na estação seca. As baixas correlações entre os diferentes poluentes, por outro lado, sugerem que ocorre uma combinação de diferentes fontes. A composição elementar do MP2,5 apresentou S como único elemento enriquecido (FE = 627), sugerindo que a combinação de focos de queimada (majoritária) e emissão de veículos contribuem como as principais fontes de MP2,5 no local estudado. Os resultados também sugerem possível geração de NO2 por raios e de H2S por bactérias sulforredutoras no local. Comparando a presente pesquisa com estudos similares na literatura, observa-se que, em relação à poluição por material particulado (BC e concentração mássica), a atmosfera do T3 durante a estação seca assemelha-se à atmosfera de grandes cidades (o que não se observa durante a estação chuvosa), mas em relação aos poluentes gasosos (com exceção do O3), esta aproxima-se mais da atmosfera de meios florestais, em ambas as estações. Palavras-chave: Qualidade do ar; Poluentes Gasosos; Material Particulado; Amazônia; Manacapuru; GOAmazon; Poluição atmosférica. / Abstract: This research has as main goal the air quality analysis in a location representing the transition between a natural and an urban environment at the Amazon region. Thus, this study was developed as a part of a pre-existent large-scale experiment, the GOAmazon 2014/5, which is located at the city of Manacapuru (in Manaus' metropolitan region, receiving air masses coming from its direction). Based on their pollutant potential, the following atmospheric pollutants have been selected for analysis: Inhalable fine particulate matter (MP2,5), the inorganic gases nitrogen dioxide (NO2), sulfur dioxide (SO2), ozone (O3) and hydrogen sulfide (H2S) and the volatile organic compounds benzene, toluene, ethylbenzene and meta-, orto-, para-xylene (BTEX). Sampling happened in two different periods; the first during the region's wet period (March and April 2014) and the second during the dry season (August to October 2014). The wind speed during the period indicates that the pollutants detected at the study area come from sources located near the site. It was also verified that the amount of forest fires at the surroundings was much higher during the dry season than during the wet season. Results show a significant increase in the mass concentration (wet: 0,003-10 ?g m-3; dry: 9,8-69 ?g m-3) and in the NH4+ (wet: 13-125 ?g m-3; dry: 86-323 ?g m-3) and K+ (wet: 11-168 ?g m-3; dry 60-356 ?g m-3) contents of the MP2,5 and high O3 levels (wet: 1,4-14 ?g m-3; dry: 1,0-40 ?g m-3) during both wet and dry periods, indicating influence of biomass burning emissions at the site. BTEX concentrations, even though very low in both periods, also increased during the dry season. Low correlation among the different gaseous pollutants, however, suggest a combination of different sources. Elemental composition of the MP2,5 presented S as the only enriched element (FE = 627), suggesting that the combination of forest fires and vehicle emissions might contribute as the main sources of MP2,5 at the studied site. Results also suggest possible NO2 production by lightning and H2S production by sulfur-reducing bacteria at the site. Comparing these results to similar studies found in the literature, one may observe that, regarding particulate matter pollution (BC and mass concentration), T3's atmosphere during dry season resembles large cities' atmospheres (which is not observed during the wet season). However, regarding gaseous pollutants (except O3), T3's atmosphere is closer to forest environments. Keywords: Air quality; Gaseous Pollutants; Particulate Matter; Amazon; Manacapuru; GOAmazon; Atmospheric Pollution.

Neste trabalho, a partir de dados rotineiramente medidos em estações meteorológicas de superfície, estimamos os parâmetros de escala da Camada Limite Planetária (CLP) do experimento OLAD (Over Land Atmospheric Dispersion). Esses parâmetros são muito importantes no processo de dispersão, especialmente no cálculo das parametrizações para os modelos de dispersão atmosférica. Simular o processo de dispersão de poluentes na atmosfera sob a condição de vento fraco é uma tarefa difícil. Nesse sentido, realizamos a implementação e avaliação de um modelo de partícula lagrangeano semi-analítico, denominado ILS-LW (Iterative Langevin Solution for Low Wind) para investigar o processo de dispersão atmosférica em situações de vento fraco. A avaliação foi feita mediante comparação entre os resultados das simulações numéricas e os dados de concentração obtidos no experimento OLAD. Os dados experimentais foram coletados em um sítio experimental localizado no West Desert Test Center (WDTC), Utah, nos Estados Unidos, com a colaboração do exército americano e supervisões do National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e Air Resources Laboratory Field Research Division (ARLFRD), em setembro de 1997. Concluímos que o modelo ILS-LW reproduz satisfatoriamente o conjunto de dados testado. / In this work, we present estimates for Boundary Layer Planetary's scaling parameters for the data obtained by superficial meteorological stations of the Over Land Atmospheric Dispersion (OLAD) experimento These parameters are very important, specially for the estimate of parametrizations for the atmospheric dispersion models. The simulation of the atmospheric pollutant dispersion under low wind speed is not a trivial task. We have tested and evaluated a semi-analytic model with lagrangean particles, that we refer to as the Iterative Langevin Solution for Low Wind (ILS-LW), in order to investigate the atmospheric dispersion process in low wind speed conditions. The evaluation was done by comparing the results generated by the numerical simulations and the concentration dataset from OLAD experimento The experimental data were obtained on an experimental site at the West Desert Test Center (WDTC), Utah, USA, under colaboration ofthe american army and supervision by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) and Air Resources Laboratory Field Research Division (ARLFRD) in September, 1997. We conclude that the model ILS-LW reproduces reasonably the tested data.

Neste trabalho é apresentado um novo método analítico para a resolução de problemas em poluição aquática. O método utiliza duas restrições diferenciais de primeira ordem a partir das quais são encontradas transformações auto-Bäcklund para a equação advectivo-difusiva bidimensional em regime estacionário. As transformações de Bäcklund produzem mapeamentos entre soluções de duas equações diferenciais. Se uma solução exata de uma equação diferencial, denominada equação auxiliar, é conhecida, torna-se possível transformá-la em solução de uma outra equação diferencial, denominada equação alvo, pela aplicação de operadores diferenciais. Quando a equação auxiliar e a equação alvo são idênticas, este procedimento é denominado transformação auto-Bäcklund. No trabalho proposto, soluções exatas da equação advectivo-difusiva bidimensional em regime estacionário são obtidas pelo emprego de transformações auto-Bäcklund a fim de simular a dispersão de poluentes em corpos hídricos. A principal característica da formulação proposta consiste no reduzido tempo de processamento necessário para a obtenção das soluções analíticas. Simulações numéricas são apresentadas. / In this work a new analytical method for solving water pollution problems is presented. The method employs a pair of first-order differential constraints from which auto-Bäcklund transformations for the steady two-dimensional advection-diffusion equation are achieved. Bäcklund transformations perform mappings between exact solutions of two differential equations. If an exact solution of a certain differential equation (called auxiliary) is known, it becomes possible to transform it into an exact solution of another differential equation, which is called target equation, by applying some differential operators. When the auxiliary and target equation are the same, this procedure is called auto-Bäcklund transformation. In the proposed work exact solutions of the steady two-dimensional advection-diffusion equation are obtained by means of auto-Bäcklund transformations in order to simulate pollutants dispersion in water bodies. The main feature of the proposed formulation relies on the small time processing required to obtain the analytical solutions. Numerical simulations are reported.

Neste trabalho é apresentado uma solução analítica para a equação de Langevin tridimensional e estocastica aplicada na dispersão de poluentes na atmosfera considerando as seguintes funções densidade probabilidade (PDF): Gaussiana, Bi-Gaussiana e Gram- Charlier. A solução é obtida usando o Método de Decomposição Adomian (ADM), que é um método para resolver equações diferenciais não-lineares sem linearização. O método de decomposição consiste na expansão da solução em série de funções e o termo não-linear em série de polinômios definidos por Adomian. Substituindo estas expansões na equação µa ser resolvida, é construído um sistema linear recursivo, que é então resolvido de maneira analítica. Também é apresentado um estudo de estabilidade baseado na teoria de Lyapunov, bem como é introduzido um novo índice estatístico para a validação do modelo. Os resultados obtidos por esta metodologia são comparados com os dados do experimento de Copenhagen, bem como com os resultados obtidos a partir de outros modelos Lagrangeanos: Ito, ILS e a solução analítica. Na comparação com os dados experimentais obtidos pelo modelo proposto e o método ILS foram o que apresentaram os melhores resultados. / This work presents an analytical solution of the three-dimensional stochastic Langevin equation and applied to the dispersion of pollutants in the atmosphere considering the fol- lowing probability density functions (PDF): Gaussian, Bi-Gaussian and Gram-Charlier. A solution is obtained using the Adomian Decomposition Method (ADM), which is a method for solving non-linear di®erential equations without the use of linearization. The decompo- sition method consists in expanding the solution in a series of fuction and the non-linear term in a series de¯ned by Adomian polynomials. Upon substitution of these expansions in the equation to be solved, one may built a linear recursive system which is then solved analytically. Further, a study of convergence stability based on Lyapunov theory is presented and a new statistical index for model validation is introduced. The results obtained by this method are compared with the experimental data from Copenhagen, as well as the results obtained from other Lagrangian models: Ito, ILS and an analytical solution. In comparison with the experimental data the proposed model and the ILS method showed the best results.

No trabalho proposto é apresentado um método analítico para a obtenção da solução da equação advectivo-difusiva que rege a propagação de poluentes em corpos hídricos. Este método utiliza transformações conformes para efetuar o mapeamento de um corpo hídrico com geometria arbitrária em um semi-plano, fornecendo uma solução em forma fechada expressa em termos da função corrente e do potencial velocidade.

Vários métodos analíticos, numéricos e híbridos podem ser utilizados na solução de problemas de difusão e difusão-advecção. O objetivo deste trabalho é apresentar dois métodos analíticos para obtenção de soluções em forma fechada da equação advectivo-difusiva em coordenadas cartesianas que descreve problemas de dispersão de poluentes na água e na atmosfera. Um deles é baseado em regras de manipulação de exponenciais de operadores diferenciais, e o outro consiste na aplicação de simetrias de Lie admitidas por uma equação diferencial parcial linear. Desenvolvem-se regras para manipulação de exponenciais de operadores diferenciais de segunda ordem com coeficientes constantes e para operadores advectivo-difusivos. Nos casos em que essas regras não podem ser aplicadas utiliza-se uma formulação para a obtenção de simetrias de Lie, admitidas por uma equação diferencial, via mapeamento. Define-se um operador diferencial com a propriedade de transformar soluções analíticas de uma dada equação diferencial em novas soluções analíticas da mesma equação. Nas aplicações referentes à dispersão de poluentes na água, resolve-se a equação advectivo-difusiva bidimensional com coeficientes variáveis, realizando uma mudança de variáveis de modo a reescrevê-la em termos do potencial velocidade e da função corrente correspondentes ao respectivo escoamento potencial, estendendo a solução para domínios de contornos arbitrários Na aplicação referente ao problema de dispersão de poluentes na atmosfera, realiza-se uma mudança de variáveis de modo a obter uma equação diferencial parcial com coeficientes constantes na qual se possam aplicar as regras de manipulação de exponenciais de operadores diferenciais. Os resultados numéricos obtidos são comparados com dados disponíveis na literatura. Diversas vantagens da aplicação das formulações apresentadas podem ser citadas, a saber, o aumento da velocidade de processamento, permitindo a obtenção de solução em tempo real; a redução da quantidade de memória requerida na realização de operações necessárias para a obtenção da solução analítica; a possibilidade de dispensar a discretização do domínio em algumas situações.

Neste trabalho é apresentada uma solução analítica de um problema bidimensional e transiente de dispersão de poluentes atmosféricos. O modelamento utilizado é conhecido na literatura como modelo Kzz para dispersão de poluentes atmosféricos e é representado por uma equação difusivo-advectiva com coeficientes de difusão e advecção variáveis. São utilizados três diferentes coeficientes de difusão nas simulações, bem como as componentes horizontal e vertical do vento são tomadas como variáveis. A solução analítica é gerada através da aplicação da técnica GITT (Generalized Integral Transform Technique) dupla com problema transformado resolvido por Transformada de Laplace e diagonalização de matrizes. Filtros matemáticos são usados para homogenizar as condições de contorno viabilizando o uso da técnica citada. Além disso, o tipo de filtro matemático utilizado permite a sensível diminuição do custo computacional. Resultados numéricos são obtidos e comparados com dados experimentais e outras soluções da literatura.