Abstract: Nos últimos anos, as células a combustível de membrana de troca protônica em alta temperatura (HT-PEMFC) foram objetos de diversas pesquisas a fim de remover muitos desafios levantados durante a operação em baixa temperatura. O estado-da-arte em eletrólitos para PEMFC, Nafion®, apresenta mecanismos de condução de prótons altamente dependentes de água, o que limita a operação nesses sistemas em 100ºC. O aumento da temperatura de operação de uma célula PEMFC é desejado devido à contribuição da temperatura na aceleração das reações eletroquímicas. Contudo, o aumento da temperatura exige uma nova proposta para eletrólitos, seja por otimização das propriedades do Nafion ou por desenvolvimento de membranas que não dependam de água para a condução protônica. Neste contexto, as membranas de PBI (polibenzimidazol) dopadas com ácido fosfórico têm sido consideradas uma alternativa bastante promissora para eletrólitos sólidos operantes em alta temperatura, devido à combinação de condução de prótons satisfatória em condições de baixa umidade relativa e excelente estabilidade térmica. No entanto, membranas baseadas em PBI apresentam algumas desvantagens como perda do ácido que pode ocorrer por meio de uma série de mecanismos, incluindo evaporação, difusão, transporte capilar ou lixiviação por água condensada. Mesmo assim, a tecnologia HT-PEMFC é mais interessante, pois, ela trabalha acima da temperatura de ebulição da água, portanto a água gerada está representada apenas na fase de vapor, dessa forma, modelos monofásicos são mais simples de estudar computacionalmente. Dessa forma, foram estudados dois modelos de formato de placas: serpentina com múltiplos canais e interdigital, com área geométrica de eletrodo de 5 cm2 através de simulações computacionais no software COMSOL Multiphysics 5.3a, sendo desenvolvidos e validados com a intenção de auxiliar na interpretação de resultados experimentais. Com isso, o presente trabalho priorizou estudos experimentais e computacionais quanto ao comportamento do ácido fosfórico na membrana, difusão reversa de vapor d'água e distribuição de temperatura através da membrana, fluxo dos gases, carga de catalizadores, alteração do substrato, tipos de combustíveis e mudanças no posicionamento de entrada e saída dos canais de fluxo dos gases. Em geral as curvas de polarização apresentadas, mostraram uma boa concordância entre os resultados experimentais e computacionais. Foi demonstrado que uma quantidade considerável de vapor d'água pode atravessar o MEA no sentido do cátodo para o ânodo. Em geral, o aumento da estequiometria favoreceu o aumento do desempenho da célula e foi constatado que a fração molar de ácido fosfórico diminui com o aumento da temperatura e da umidade relativa.

Palavras-Chave: proton exchange membrane fuel cells; direct ethanol fuel cells; temperature control; solid electrolytes; synthetic materials; simulation; computerized control systems; mathematical models

PANESI, ANDRE R.Q. Modelagem e simulação em células a combustível de membrana de troca protônica de alta temperatura. Orientador: Elisabete Inácio Santiago. Coorientador: Almir Oliveira Neto. 2021. 198 f. Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP, São Paulo. DOI: 10.11606/T.85.2021.tde-18112021-093357. Disponível em: http://repositorio.ipen.br/handle/123456789/32716. Acesso em: $DATA.

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Abstract: A indústria têxtil demanda de grande volume de água e diversos insumos químicos em seus processos, sobretudo de beneficiamento secundário, gerando efluentes com elevados índices absorciométricos, altas cargas de contaminantes e potencialmente tóxicos. O Planejamento Experimental surge como ação mitigadora para o uso racional da água na etapa de tingimento. Os processos de Oxidação Avançada se destacam dentre os métodos de tratamento para a degradação do corante e de contaminantes presentes no efluente. Neste contexto, a tecnologia de radiação ionizante por feixe de elétrons, pode ser vista como a próxima geração de técnicas de tratamento sem adições químicas e formação de resíduos e, portanto, o objetivo deste trabalho foi estudar o efeito e a eficácia da radiação ionizante por feixe de elétrons em efluente oriundo de tingimento otimizado de algodão com o corante Reactive Blue 21 - RB 21. Para o planejamento e otimização de um processo de tingimento com um maior valor de Intensidade Colorística (K S-1) foi empregado a Metodologia de Superfície de Resposta (MSR) e os dados foram submetidos à Análise de Variância (ANOVA). O efluente foi submetido à tratamento de irradiação em acelerador de elétrons, com variação de dose entre 2,5 e 15 kGy. As análises ecotoxicológicas para efeito agudo foram realizadas com o microcrustáceo Daphnia similis e com a bactéria marinha Vibrio fischeri. A prática de reúso do efluente tratado foi determinada pela análise da concentração de Cloreto de Sódio do efluente e de ensaios de solidez da cor dos tecidos. O efluente sem tratamento apresentou toxicidade para ambos os organismos-teste, com valores de CE 50 de 5,28% para Daphnia similis e de 0,43% para Vibrio fischeri. O tratamento de irradiação por feixe de elétrons reduziu em mais de 60% a cor e a toxicidade do efluente, na dose de 7,5 kGy. Em relação à prática de reúso do efluente tratado, a diferença de cor (ΔE), o K S-1 e os ensaios de solidez da cor não apresentaram diferenças significativas em comparação ao tingimento realizado com água de abastecimento. A otimização do processo de tingimento propiciou um melhor esgotamento do banho e, consequentemente, um efluente com menor carga orgânica. O tratamento com irradiação por feixe de elétrons apresentou eficácia para a redução da cor e de contaminantes do efluente. Além disso, se mostrou viável para a prática do reúso em um novo tingimento com o corante RB 21, proporcionando economia de água e de eletrólito ao processo.

Palavras-Chave: cotton; textile industry; chemical effluents; liquid wastes; waste processing; optimization; mathematical models; color; dyes; chemical properties; acute exposure; toxicity; synchrotron radiation sources

MELO, CAMILA G. Otimização do tingimento de algodão com o corante Reactive Blue 21 e tratamento do respectivo efluente têxtil com acelerador de elétrons para a redução da cor e dos efeitos tóxicos agudos. Orientador: Maria da Conceição Costa Pereira. 2022. 134 f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP, São Paulo. DOI: 10.11606/D.85.2022.tde-18082022-122403. Disponível em: http://repositorio.ipen.br/handle/123456789/33269. Acesso em: $DATA.

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Abstract: O processamento da cana-de-açúcar é um dos modelos mais sustentáveis de biorrefinaria. No entanto, ainda encontra lacunas como o uso de óleo diesel na etapas de colheita e transporte da matéria-prima e biodeterioração da cana-de-açúcar. A aplicação da digestão anaeróbia (DA) para a produção de biometano surge como alternativa para esses problemas. O processo de DA pode ser facilitado através de pré-tratamentos, como o uso do da técnologia do feixe de elétrons (FE). Assim, o objetivo do trabalho foi avaliar a produção de biogás e o potencial energético do processo, utilizando caldo de cana-de-açúcar "in natura" e deteriorado como substrato e o FE como pré-tratamento em ensaio de potencial bioquímico de metano (PBM). Para isso primeiramente os caldos foram extraídos de canas-de-açúcar frescas (CN) e deterioradas (CD), em seguida a extração foram submetidos aos tratamentos com FE em dose de 10 kGy (CN10, CD10) e 20 kGy (CN20, CD20) para serem utilizados como substratos com carga orgânica de 30 gDQO/L. Os ensaios de DA foram realizados em triplicatas. Os reatores (500mL) foram inoculados com lodo granular mesofílico (34,0±0,3 gSV/kg), passivados com N2, vedados e mantidos a 38±2ºC, agitação controlada (60 RPM) em um período de 840h. Foi realizada a caracterização dos caldos antes depois do pré-tratamento. Também foram avaliados parâmetros de produção e composição de biogás do processo de DA. Além do potencial energético da DA e um estudo de caso para usina (processa dois milhões de Ton/safra) com o novo modelo de modelo de processo proposto, onde 10% de sua produção seria destinada para a produção de biogás e consequentemente na substituição do óleo diesel pelo biometano. Como resultado da deterioração a concentração de açúcares (CN: 24,77±0,277 g.L-1; CD: 15,707±0,004 g.L-1) e pH (CN: 5,48; CD: 3,13) diminuíram ao contrário que a concentração de ácidos orgânicos lático (ALat) (CN: 0; CD:1,23±0,127 mg.L-1) e acético (AAce) (CN: 1,69±8.10-4 mg.L-1; CD: 10,62± 1,2.10-4 mg.L-1) aumentou. Em resposta ao pré-tratamento com o FE, a concentração dos açúcares (CN10: 24,44±1,27 g.L-1; CN20: 25,71±0,10 g.L-1, CD10: 14,91 ±0,318 g.L-1 e CD20: 15,09±0,034 g.L-1) pH (CN10: 5,41; CN20: 5,40; CD10: 3,12 e CD20: 3,12) permaneceram sem diferença significativa. No entanto, com relação ao ALat não houve alteração nos caldos "in natura", porém para os caldos deteriorados a medida que se aumentava a dose, a concentração do metabolito também aumentava (CD10: 2,96±0,003 mg.L-1; CD20: 3,40±0,005 mg.L-1). Com relação a concentração do AAcet, os caldos "in natura" quando esses foram irradiados houve o aumento, no entanto não significativo entre as doses (CN10: 1,76±8,4.10-5 mg.L-1 CN20: 1,83±8,3.10-6 mg.L-1). No caldo deteriorado temos o aumento da sua concentração à medida que se aumenta a dose de irradiação. (CD10: 10,40±9,0.10-3 mg.L-1; CD20: 10,82±0,0035 mg.L-1). Com relação a produção de biogás os caldos deteriorados (CD: 927,78±10,67; CD10: 986,96±58,34 e CD20: 937,40±85,76 NmL Biogás) obtiveram melhores resultados em comparação ao que se encontravam em estado "in natura" (CN: 896,10±38,09; CN10:833,12±30,07 e CN20: 798,18±73,72 NmL de Biogás). O mesmo resultado encontramos no rendimento de metano (CN: 201,97±0,012 CH4.gDQO-1; CN10: 201,97±0,053 NmLCH4.gDQO-1; CN20: 200,09±0,0026 NmLCH4.gDQO-1; CD:252,96±16,36 NmLCH4.gDQO-1, CD10:252,08±8,89 NmLCH4.gDQO-1 e CD20:258,79±29,11 NmLCH4.gDQO-1). O maior potencial energético da digestão anaeróbia também foi conseguido com os caldos deteriorados (CD: 1580,05±89,51 MJ.Ton-1; CD10: 1526,39±43,70 MJ.Ton-1 e CD20: 1516,60±4,44 MJ.Ton-1 ) ao ser comparado com os caldos "in natura" CN: 947,94± 38,01; CN10: 865,37±10,49 e CN20: 800,72±34,35 MJ Ton-1). Como resultados do estudo de caso, o uso do caldo "in natura" substituiria cerca de 65% de todo o óleo diesel usado na frota e maquinário da usina. Já o deteriorado conseguiria suprir toda a dependência do combustível fóssil, além de ter um excedente de energia de 9%. Com isso conclui-se que o processo de DA pode ser alternativa a fim de tornar o processamento da cana-de-açúcar mais sustentável e econômico. O FE pode ser uma tecnologia usada para a liberação de ácidos orgânicos nas moléculas de carboidratos, no entanto não houve diferença significativa no processo de DA.

Palavras-Chave: mathematical models; comparative evaluations; methane; production; nature reserves; sugar cane; beverages; electron beams

FARIA, TAMIRES M. Produção de biogás a partir do caldo de cana-de-açúcar "in natura" e deteriorado utilizando como pré-tratamento o feixe de elétrons. Orientador: Valter Arthur. 2022. 58 f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP, São Paulo. DOI: 10.11606/D.85.2022.tde-19102022-163530. Disponível em: http://repositorio.ipen.br/handle/123456789/33598. Acesso em: $DATA.

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