Propriedades de carvões activados produzidos a partir de diferentes materiais precursores

Mestrado em Engenharia do AmbienteA crescente utilização de carvões activados nas mais diversificadas indústrias tem potenciado a procura de novas matérias-primas para a sua produção. Entre essas matérias encontram-se as lamas biológicas provenientes de estações de tratamento de águas residuais de indústria do papel. Todavia, são pouco conhecidas as características dos carvões com essa proveniência, pelo qual se procurou, com o presente estudo, dar um contributo para o seu desenvolvimento. Assim, e numa perspectiva comparada, a partir de diferentes matérias de origem, nomeadamente as referidas lamas mas também de carvão vegetal, prepararam-se várias amostras de carvão activado, usando diferentes variáveis durante o processo. As variáveis em estudo foram a granulometria do material de origem (1,0-4,0mm), o tempo de activação, (0,25h, 1h, 2h, 4h), a temperatura de activação (700ºC, 750ºC 850ºC 900ºC e 950ºC) e o agente de activação (H2O e CO2). Tendo em vista a caracterização dos carvões, foram analisadas a composição elementar e a composição das cinzas em várias fases do processo de preparação dos carvões, a área BET, a capacidade adsortiva dos carvões em relação ao n-hexano (modelos de isotérmicas de Langmuir e Freundlinch) e ainda a cinética de adsorção dos vários carvões em relação ao n-hexano. O estudo comparativo das propriedades dos carvões activados preparados permitiu concluir que a preparação de carvão activado produzido a partir de lamas biológicas provenientes de estações de tratamento de águas residuais é uma alternativa viável em aplicações menos exigentes, o melhor agente de activação é o vapor de água para a quase totalidade dos casos, tempos de activação de 4 horas e temperaturas mais elevadas possibilitam a preparação de carvões activados de maior capacidade adsortiva. O equipamento desenvolvido para a análise da capacidade adsortiva de n-hexano mostrou resultados coerentes com as análises de área BET. A utilização do n-hexano como adsorvato permitiu concluir que o modelo de isotérmica de Freundlich era adequado para representar o equilíbrio gás-sólido e que o modelo cinético de primeira ordem era apropriado para representar a velocidade de adsorção dos vários carvões activados ABSTRACT: The increasing use of activated carbons, in many kinds of industries, has intensified the demand for new raw materials. Among these are the biological sludges from wastewater treatment of paper industry. This study aims to better the knowledge of the characteristics of activated carbons produced from such raw materials. Several samples of activated carbon were prepared, from different raw materials, namely biological sewage sludge from two different wastewater industrial plants, using different variables during the trial. On the comparative analysis, additional samples were prepared for a vegetable charcoal and a commercial activated carbon. The variables in study were: particle diameter; (1,0 – 4,0 mm) activation time, (0,25, 1h, 2, 4h), activation temperature, (700ºC, 750ºC, 850ºC, 900ºC e 950ºC), and the activation agent (H2O and CO2). In order to characterize the activation carbon samples, the elementary composition and the composition of the ash in several phases of the preparation process, the BET area and the adsorptive capacity for n-hexane were analyzed. The adaptability of Langmuir and Freundlich isotherms models and a first order model for the adsorption were performed. The comparative study of the prepared activated carbons characteristics led to conclude that the production of activated carbon from sewage sludge is a viable alternative in less demanding applications. In the majority of the cases the best activation agent was the steam; 4 hours time activation and more elevated temperatures are the best options to make better quality activated carbon. The equipment developed to analyse the adsorptive capacity of nhexane showed coherent results with the BET area analysis. The model of Freundlich isotherm showed to be adequate. Good correlation coefficients were obtained, for the first order kinetic model

Plataforma de informação de tráfego para redução de consumos e emissões

Doutoramento em Engenharia MecânicaApesar das recentes inovações tecnológicas, o setor dos transportes continua a exercer impactes significativos sobre a economia e o ambiente. Com efeito, o sucesso na redução das emissões neste setor tem sido inferior ao desejável. Isto deve-se a diferentes fatores como a dispersão urbana e a existência de diversos obstáculos à penetração no mercado de tecnologias mais limpas. Consequentemente, a estratégia “Europa 2020” evidencia a necessidade de melhorar a eficiência no uso das atuais infraestruturas rodoviárias. Neste contexto, surge como principal objetivo deste trabalho, a melhoria da compreensão de como uma escolha de rota adequada pode contribuir para a redução de emissões sob diferentes circunstâncias espaciais e temporais. Simultaneamente, pretende-se avaliar diferentes estratégias de gestão de tráfego, nomeadamente o seu potencial ao nível do desempenho e da eficiência energética e ambiental. A integração de métodos empíricos e analíticos para avaliação do impacto de diferentes estratégias de otimização de tráfego nas emissões de CO2 e de poluentes locais constitui uma das principais contribuições deste trabalho. Esta tese divide-se em duas componentes principais. A primeira, predominantemente empírica, baseou-se na utilização de veículos equipados com um dispositivo GPS data logger para recolha de dados de dinâmica de circulação necessários ao cálculo de emissões. Foram percorridos aproximadamente 13200 km em várias rotas com escalas e características distintas: área urbana (Aveiro), área metropolitana (Hampton Roads, VA) e um corredor interurbano (Porto-Aveiro). A segunda parte, predominantemente analítica, baseou-se na aplicação de uma plataforma integrada de simulação de tráfego e emissões. Com base nesta plataforma, foram desenvolvidas funções de desempenho associadas a vários segmentos das redes estudadas, que por sua vez foram aplicadas em modelos de alocação de tráfego. Os resultados de ambas as perspetivas demonstraram que o consumo de combustível e emissões podem ser significativamente minimizados através de escolhas apropriadas de rota e sistemas avançados de gestão de tráfego. Empiricamente demonstrou-se que a seleção de uma rota adequada pode contribuir para uma redução significativa de emissões. Foram identificadas reduções potenciais de emissões de CO2 até 25% e de poluentes locais até 60%. Através da aplicação de modelos de tráfego demonstrou-se que é possível reduzir significativamente os custos ambientais relacionados com o tráfego (até 30%), através da alteração da distribuição dos fluxos ao longo de um corredor com quatro rotas alternativas. Contudo, apesar dos resultados positivos relativamente ao potencial para a redução de emissões com base em seleções de rotas adequadas, foram identificadas algumas situações de compromisso e/ou condicionantes que devem ser consideradas em futuros sistemas de eco navegação. Entre essas condicionantes importa salientar que: i) a minimização de diferentes poluentes pode implicar diferentes estratégias de navegação, ii) a minimização da emissão de poluentes, frequentemente envolve a escolha de rotas urbanas (em áreas densamente povoadas), iii) para níveis mais elevados de penetração de dispositivos de eco-navegação, os impactos ambientais em todo o sistema podem ser maiores do que se os condutores fossem orientados por dispositivos tradicionais focados na minimização do tempo de viagem. Com este trabalho demonstrou-se que as estratégias de gestão de tráfego com o intuito da minimização das emissões de CO2 são compatíveis com a minimização do tempo de viagem. Por outro lado, a minimização de poluentes locais pode levar a um aumento considerável do tempo de viagem. No entanto, dada a tendência de redução nos fatores de emissão dos poluentes locais, é expectável que estes objetivos contraditórios tendam a ser minimizados a médio prazo. Afigura-se um elevado potencial de aplicação da metodologia desenvolvida, seja através da utilização de dispositivos móveis, sistemas de comunicação entre infraestruturas e veículos e outros sistemas avançados de gestão de tráfego.Despite recent technological innovations, transportation sector is still producing significant impacts on the economy and environment. In fact, the success in reducing transportation emissions has been lower than desirable due to several factors such as the urban sprawl and several barriers to the market penetration of cleaner technologies. Therefore, the “Europe 2020” strategy has emphasised the relevance of improving the efficiency in the transportation networks through the better use of the existing infrastructures. In this context, the main objective of this thesis is increasing the understanding of how proper route choices can contribute to reduce emissions output over different spatial and temporal contexts. Simultaneously, it is intended to evaluate the potential of different traffic management strategies in terms of traffic performance and energy/environmental efficiency. The integration of empirical and analytical methods to assess the impact of different traffic optimization strategies on CO2 emissions and local pollutants constitutes one the main contributions of this work. This thesis has been divided in two main parts. The first is predominantly empirical, using field data as the main source of information. Using GPS equipped vehicles, empirical data for approximately 13200 km of road coverage have been collected to estimate energy and emissions impacts of route choice in three different scenarios: a medium-sized urban area (Aveiro), a metropolitan area (Hampton Roads, VA) and an intercity corridor (Oporto-suburban area). The second part, predominantly analytical, is essentially based on the output of traffic simulators and optimization models. The analytical component was based on the capability of microscopic traffic models to generate detailed emissions information and to generate link-based performance functions. Then, different traffic management strategies were tested to evaluate road networks in terms of traffic performance and emissions. Both outcomes of the empirical and analytical approaches have demonstrated that fuel use and emissions impacts can also be significantly reduced through appropriate route choices and advanced traffic management systems. The empirical assessment of route choice impacts has shown that both during off peak and peak periods, the selection of an appropriate route can lead to significant emissions reduction. Depending on the location, potential emissions savings of CO2 up to 25% and local pollutants up to 60% were found. The analytical approach has demonstrated that it is possible to significantly reduce system environmental costs (30%) by modifying traffic flow distribution along a corridor with 4 alternative routes. However, despite the positive results in terms of the potential for emissions reduction based on appropriate route choices, a number of important trade-offs that need to be considered in future implementations of eco-routing systems. Among these trade-offs it is worth noting that: i) different pollutants may lead to different ecorouting strategies, ii) the minimization of pollutants emissions often involves choosing urban routes (densely populated), iii) for higher penetration levels of eco-routing devices considering local pollutants, system environmental impacts can be higher than if drivers were guided under the traditional devices focused on travel time. With this research, it has been demonstrated that road traffic management strategies focused on minimizing CO2 emissions and fuel consumption can be compatible with the minimization of system travel time. On the other hand the minimization of local pollutants may lead to considerable increases in travel time. However, given the trend rate of reduction in the emissions factors of local pollutants, it is expected that such trade-offs would tend to be minimized in medium term. Thus, the developed methodology has great potential for further real life application, either through the use of nomadic devices, infrastructures to vehicle communication or different advanced traffic management systems

Modelo de uso do solo de Aveiro: impacto na mobilidade e qualidade do ar

Mestrado em Sistemas Energéticos SustentáveisO planeamento urbano e a política de mobilidade vêm assumindo uma crescente importância nos domínios da sustentabilidade do ambiente urbano, da eficiência energética e da qualidade do ar. Este trabalho visa avaliar através dos padrões de mobilidade da cidade de Aveiro, as implicações ambientais e energéticas que o seu modelo de desenvolvimento urbano impõe. Para este efeito procedeu-se a um processo de modelação sucessiva do uso do solo e transportes, emissões de poluentes e qualidade do ar. Pretende-se ainda estudar a adaptabilidade desta metodologia a cidades de média dimensão como Aveiro. O modelo de uso do solo e transportes baseia-se nas inter-relações de 4 sectores (população, solo, emprego de serviços e emprego básico). A comparação entre a monitorização de tráfego na hora de ponta matinal de um dia útil e os resultados da modelação em TRANUS demonstraram um desvio médio quadrático de 31%, sendo a EN109 a via com maior volume de tráfego. Os resultados da afectação de tráfego do modelo TRANUS foram posteriormente tratados e inseridos num modelo de emissões (TREM) permitindo estimar as emissões de vários poluentes e consumos na hora de ponta, para o cenário base (eg. CO – 100 kg, CO2 – 12000 kg PM10 - 2,5 kg e 7800 kg de combustível). Utilizando o modelo de qualidade do ar TAPM e através da aplicação do perfil de tráfego diário de Aveiro, estimou-se a qualidade do ar, nomeadamente analisando as concentrações de CO e PM10. No que diz respeito às concentrações de CO, a comparação entre os valores modelados e monitorizados demonstra que os resultados da simulação estão subestimados. No entanto, na simulação das concentrações de PM10, o modelo apresenta resultados coerentes com os dados monitorizados na estação de qualidade do ar. Este facto é encorajador tendo em vista o desenvolvimento e aplicação desta metodologia a áreas de estudo à mesma escala. Foram ainda simulados diferentes cenários constatando-se que futuramente o cumprimento das novas normas europeias de emissões mais exigentes é um passo fundamental na redução da poluição local, existindo reduções de 95% nas emissões de PM10, 83% para CO e 79% para NOx. Dentro dos parâmetros analisados, a implementação de políticas que favorecem o aumento da taxa de ocupação de veículos é um importante contributo para a redução de consumos e consequentes emissões de CO2.Urban planning, land use and mobility policies are becoming key factors for an urban sustainable environment, improving energy efficiency and air quality. In this work three models were run successively, land use and transports, traffic emissions, and air quality, in order to evaluate how land use influences the mobility patterns and subsequent energy consumption and air quality in Aveiro. Additionally this work aims to analyze the adaptability of this type of methodology in medium size Portuguese cities, such as Aveiro. To develop the land use model four sectors were defined: population, service employment, basic employment and land. Comparative analysis between modelled and observed traffic shows 31% of Root Mean Square. EN109 road is the most congested arterial. The modeling of the generated traffic for all roads with TRANUS has allowed to estimate fuel consumption and exhaust emissions of several pollutants during morning peak hour (eg.: CO – 100 kg, CO2 – 12000 kg, PM10 - 2,5 kg and FUEL - 7800 kg). CO and PM10 concentrations were estimated trough the application of daily traffic profile observed at traffic counts made in Aveiro. PM10 estimated concentrations were reasonably accurated, and CO concentrations were underestimated. General results are encouraging in order to develop and employ this methodology in a similar study area scale. Finally, some alternative scenarios were simulated and it was concluded that new European standards emissions fulfilment is a basic step in order to reduce local air pollution. The simulations point that in the future there could be a reduction of 95%, 83% and 79% of CO, PM10 and NOX emissions, respectively. Car pooling scenario showed that higher occupation rates of vehicles is an important factor that contributes for the reduction of fuel consumption and CO2 emissions

Digital map structure for an Equitable and Sustainable road use

The main goal of this research is the development of a dynamic map and modelling structure to support the implementation of equitable and sustainable advanced traffic management systems. The first tangible objective is to develop a dynamic map structure which will assimilate a library of forecasting traffic models and associated externalities. A key feature of this platform is the recognition that these impacts are spatiotemporally dynamic due to the heterogeneity of activity patterns of each link. Accordingly, dynamic weights on the full range of distributional effects for each impact will be assigned in order to develop a unique link-based eco-indicator. The second objective is to enhance the potential of new sources of traffic data to improve the networks efficiency. This will be done creating new methods for managing different sources of real-time information to determine the energetic and environmental network performance. Innovative functional relationships between microscale speed patterns based on floating car data and different levels of macroscopic traffic performance scenarios will be developed. Finally, it is intended to deliver an integrated optimization platform for determining efficient traffic management measures. Based on optimization algorithms and artificial intelligence techniques, advanced traffic management strategies ATMS (e.g.. optimal flow distributions, smart road pricing systems, optimum link speeds, eco-routing information) will be evaluated