Determinação da não-idealidades de biorreatores tipo lagoa anaeróbia

The conventional anaerobic pond-type reactors are widely used for wastewater treatment, just as in urban areas as in rural areas. This is because of the simplicity and low cost of deployment. When dimensioning anaerobic pond, it is necessary to adopt a kinetic model of anaerobic digestion process and a material balance for the reactor. Ideal models, like continuous-stirred tank reactor (CSTR) or Plug Flow Reactor (PFR), are generally used for material balance. However, due to the size of the ponds and the inherent hydrodynamics, they must be provided deviations from ideality. Through the analysis of residence time distribution (DTR), this research aims to determine the non-ideality of the reactor anaerobic pond-type for a typical reactor’s geometry, evaluating the effect about residence time project. Also, it was aimed to propose a model of balance material that incorporates the non-idealities of this system. For this, it was used the technique of pulse injection tracer (methylene blue) that, with the measurement of the concentration of it at the output, the DTR function is determined. From these data sets, it was predicted a model with non-ideality of the reactor. To perform the experimental runs, it was constructed a wood reactor and internally lined with PVC geomembrane of 8 mm, with ratio L/D of 2/1, ratio H/D of 1/4, edge inclination 1:2 (D/4:H) and total useful volume of 0,92 m 3 . The experiments were conducted adopting residence times project of 3, 6 and 9 days. The experimental normalized values obtained for residence time medium, variance and asymmetry, raised the chances that (i) there is dead volume in the reactor; (ii) closest flow of a CSTR in detriment of a PFR; (iii) the flow of this reactor can be represented by means of CSTR reactors in series. Thus, models were theorized, here classified as (i) conventional, (ii) bypass and (iii) recycle. From the analytical solution of each one were obtained the mathematical representations for the DTR that characterize the modeling of non- idealities reactor. These models were adjusted to the experimental data through the nonlinear optimization algorithm called Trust-region-reflective optimization algorithm. As a parameter of comparison, to decide the best model (representation of reactor flow), they were computed the adjusted coefficient correlation. The best adjust in four sets of experimental data was obtained with the model of two CSTRs in series with variable volumes and dead volume. Finally, to the reactor studied, it is proposed a material balance model, able to predict more accurately the conversion of organic matter from wastewater and, when necessary, biogas productivity, supporting the dimensioning of such equipment.Reatores anaeróbios convencionais do tipo lagoa são largamente utilizados para tratamento de efluentes, tanto no meio urbano, como no meio rural. Isto em vista da simplicidade e baixo custo de implantação. No dimensionamento de lagoas anaeróbias, é necessário a adoção de um modelo da cinética do processo de biodigestão anaeróbia e um balanço material para o reator. Para o balanço material geralmente são utilizados os modelos ideais de reatores – Reator Agitado de Mistura Perfeita (CSTR) ou Reator Tubular (PFR). Entretanto, devido às dimensões das lagoas e a fluidodinâmica inerente, devem ser previstos desvios da idealidade. Através da análise da Distribuição de Tempos de Residência (DTR), este trabalho visa determinar a não idealidade dos reatores tipo lagoa anaeróbia para uma geometria típica de reator, avaliando o efeito do tempo de residência de projeto. Ainda, objetivou-se a proposição de um modelo de balanço material que incorpore as não-idealidades do sistema. Para isso foi utilizada a técnica da injeção pulso de traçador (azul de metileno) que, com a mensuração da concentração do mesmo na saída, a função DTR é determinada. A partir desses dados, foi ajustado um modelo para prever a não-idealidade do reator. Para realização das corridas experimentais foi construído um reator de madeira revestido internamente com geomembrana de PVC de 8 mm, apresentando razão L/D 2/1, razão H/D 1/4, inclinação das bordas de 1:2 (D/4:H) e volume útil total de 0,92 m 3 . Foram realizados experimentos adotando- se tempos de residência de projeto de 3, 6 e 9 dias. Os valores experimentais normalizados obtidos para tempo de residência médio, variância e assimetria, levantaram as hipóteses de que (i) há volume morto no reator; (ii) escoamento mais próximo a um CSTR em detrimento de um PFR; (iii) o escoamento no reator pode ser representado por meio de reatores CSTR em série. Assim, foram teorizados modelos, aqui classificados como (i) convencionais, (ii) de by-pass e (iii) de reciclo. A partir da solução analítica de cada um deles foram obtidas representações matemáticas para a DTR, que caracterizam a modelagem das não-idealidades do reator. Estes modelos foram ajustados aos dados experimentais através do algoritmo de otimização não linear Trust-region-reflective optimization algorithm. Como parâmetro de comparação, para decisão do melhor modelo (representação do escoamento do reator), foram computados os coeficientes de correlação ajustado. O melhor ajuste nos quatro conjuntos de dados experimentais foi obtido com o modelo de dois CSTRs em série com volumes variáveis e volume morto. Por fim, para o reator estudado, apresenta-se um modelo de balanço material capaz de predizer de forma mais exata a conversão da matéria orgânica de efluentes e, quando for o caso, a produtividade de biogás, auxiliando no dimensionamento destes equipamentos

Avaliação do processo de recuperação de resíduos poliméricos provenientes da reciclagem pós-consumo de celulose e papel

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2017Os materiais plásticos são, atualmente, indispensáveis no estilo de vida moderna. A grande utilização torna a sua reciclagem imprescindível para um desenvolvimento sustentável. Diversos trabalhos existentes na literatura abordam a reciclagem de plásticos pós-consumo por vias térmica, química ou termoquímica, o que envolve compostos tóxicos e custos elevados, enquanto rotas que utilizam solventes naturais combinados com métodos mecânicos são pouco abordadas, ou ainda inviáveis. Estas rotas são de grande pertinência ambiental, pois aumentam o ciclo de vida de produtos e mitigam impactos ao meio ambiente. Recentemente, as grandes indústrias de papel e celulose viabilizaram nos seus processos industriais a utilização de papel reciclado. O produto baseado em embalagens pós-consumo processados nessas indústrias, têm uma contaminação significativa de materiais plásticos dos mais variados tipos. A separação do papel do plástico é relativamente simples e ocorre em todas as indústrias. No entanto, a quantia de resíduo plástico gerado é significante e de difícil reaproveitamento, o que gera alta demanda para os aterros industriais ou descartes inapropriados. Neste trabalho foi realizado o estudo da recuperação e caracterização de materiais plásticos provenientes do processo de reciclagem de aparas de papel. Utilizou-se um solvente natural e de origem renovável para remover as resinas de colas presentes no resíduo que inviabilizava a separação dos materiais plásticos por densidade. Obteve-se até 19 % de remoção em relação a massa seca de plástico, referentes a resina adesiva e outros materiais que solubilizaram. O método de separação por densidade em meio aquoso foi utilizado na separação das poliolefinas de interesse dos demais materiais presentes nas aparas plásticas, e resultou em rendimentos mássicos de 6, 14 e 42 %, para o polietileno de alta densidade (PEAD), polietileno de baixa densidade (PEBD) e polipropileno (PP), respectivamente. Os materiais com densidades acima de 1 g·cm-3 somaram 2 %, as demais percentagens mássicas representam a umidade (19 %), materiais removidos em água e detergente (3 %) e resinas solubilizadas durante os ensaios (14 %). As propriedades físicas, morfológicas, térmicas e mecânicas dos materiais separados foram caracterizadas por meio das técnicas de Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Termogravimetria (TG), Calorimetria de Varredura Diferencial (DSC) e Dinâmico-Mecânica (DMA). As características do PP separado apresentaram grande similaridade com as do PP padrão, o que sugere baixa contaminação por outros materiais. Os resultados obtidos foram promissores e indicam a viabilidade do processo.Abstract: Plastic materials are indispensable in the modern lifestyle. Its vast use makes recycling an essential measure for a sustainable development. Several works in the literature report the recycling of post-consume plastics by thermal, chemical or thermochemical mechanisms, which involves toxic compounds and high costs, whereas routes using natural solvents combined with mechanical methods are poorly reported, or even non-viable. These routes own a great environmental relevance, as they increase the products life cycle and mitigate impacts to the environment. Recently, the major cellulose and paper industries have enabled the use of recycled paper in their industrial processes. The product based on post-consume packages processed in those industries has a significant contamination of plastics from the most varied types. The separation of paper from plastic is relatively simple and occurs in all industries. However, the amount of plastic waste generated from this process is significant and difficult to reuse, which generates a high demand for industrial landfills or inappropriate discards. In this work, a study of the recovery and characterization of plastic materials from the paper shavings recycling process was carried out. The residual resins present in the residue prevented the separation of the plastics materials by density, so a natural solvent and of renewable origin was used to remove those resins. Up to 19 % removal was achieved in relation to the dry plastic mass, which is relative to the adhesive resin and other solubilized materials. The density separation in aqueous medium method was used to separate the polyolefins of interest from the other materials present in the plastic shavings, resulting in mass yields of 6, 14 and 42 % for high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE) and polypropylene (PP), respectively. Materials with densities above 1 g·cm-3 added up to 2 %, the other mass percentages represent moisture (19 %), materials removed in water and detergent (3 %) and solubilized resins during the tests (14 %). The physical, morphological, termal and mechanical properties of the separated materials were characterized by techniques of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermogravimetry (TG), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic-Mechanical (DMA). The characteristics of the separated PP presented high similarity with those of the virgin PP, which suggests low contamination by other materials. The obtained results were promising and indicate the viability of the process

Avaliação da reciclagem de resíduos poliestirênicos pelo método de dissolução

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2022.A célere evolução tecnológica dos materiais plásticos os tornou cruciais no estilo de vida moderno e adquirem cada vez mais aplicações e relevância entre os produtos comercializados, o que gera um elevado consumo. O poliestireno (PS) é um termoplástico amorfo utilizado em diversos setores industriais, devido às suas propriedades tais como boa processabilidade e baixo custo. Também é utilizado na forma de espumas semirrígidas e como composto principal em copolímeros. Atrelado ao elevado consumo está a alta geração de resíduos que, como os materiais plásticos possuem uma difícil decomposição em meio natural, podem ocasionar graves problemas ambientais originados pela disposição inadequada. Atualmente as espumas semirrígidas de poliestireno, tais como poliestireno expandido (EPS) e poliestireno extrudado (XPS), possuem uma logística reversa onerosa devido à baixa massa específica e são responsáveis pela ocupação de fração considerável do volume dos aterros no Brasil. Em consonância com a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), uma das alternativas para mitigar esses impactos negativos, são os processos de reciclagem disponíveis para o PS. Um destes, o método de reciclagem que ocorre por meio da dissolução do polímero em solvente, apresenta expressivas vantagens em relação aos demais, como utilização de solventes renováveis, facilidade na filtração do polímero dissolvido, redução de volume no caso de espumas semirrígidas de PS, material reciclado com características muito similares ao polímero padrão e baixa geração de resíduos durante o processo. Com a finalidade de agregar valor ao resíduo e mitigar impactos ambientais, a dissolução do polímero em estireno (monômero do poliestireno) seguido pela polimerização, emerge como uma atrativa alternativa para reciclar poliestireno e derivados. Inicialmente, o polímero será dissolvido em estireno, seguido pela polimerização da solução de estireno/poliestireno. Este estudo teve como objetivo principal avaliar a reciclagem de poliestireno expandido (EPS) e poliestireno de alto impacto (HIPS) por meio da dissolução em estireno, seguido da polimerização em suspensão e da polimerização em massa. Foram conduzidos ensaios experimentais de reometria da solução a ser polimerizada, conversão do monômero (com 50% em massa de resíduo na fase orgânica) e distribuição de tamanho de partícula. O material reciclado foi caracterizado quanto à massa molar média (Mw), à temperatura de transição vítrea (Tg), propriedades mecânicas, propriedades térmicas, composição química e morfologia das partículas. Os resultados obtidos em escala bancada, indicam uma boa reciclabilidade e propriedades similares aos polímeros padrões, tais como massa molar, viscoelasticidade e estabilidade térmica. Neste sentido, essa metodologia apresenta grande potencial de ser implantada na indústria, e assim poderá ocorrer um significativo impacto na redução de resíduos destinados para aterros, economia de recursos petroquímicos, fortalecimento de cooperativas de catadores e indústrias de reciclagem, estendendo os reflexos positivos para a sociedade em geral.Abstract: The rapid technological evolution of plastic materials has made them crucial in the modern lifestyle and they are acquiring more and more applications and relevance among the commercialized products, which generates a high consumption. Polystyrene (PS) is an amorphous thermoplastic used in several industrial sectors, due to its properties such as good processability and low cost. It is also used in the form of semi-rigid foams and as a main compound in copolymers. Linked to this high consumption, there is also a high waste generation that, as plastic materials are difficult to decompose in natural environments, may cause serious environmental problems as a consequence of improper disposal. Currently, semi-rigid polystyrene foams, such as expanded polystyrene (EPS) and extruded polystyrene (XPS), have expensive reverse logistics due to their low specific mass and are responsible for occupying a considerable fraction of the volume of landfills in Brazil. In line with the National Solid Waste Policy (PNRS), one of the alternatives to mitigate these negative impacts are the recycling processes available for PS. One of these, the recycling method that occurs through the dissolution of the polymer in solvent, has significant advantages over the others, such as the use of non-toxic solvents, easy filtration of the dissolved polymer, volume reduction in the case of semi-rigid PS foams, recycled material with characteristics very similar to the standard polymer and low waste generation during the process. In order to add value to the waste and mitigate environmental impacts, the dissolution of the polymer in styrene (polystyrene monomer) followed by polymerization emerges as an attractive alternative for recycling polystyrene and its derivatives. Initially, the polymer will be dissolved in styrene, followed by polymerization of the styrene/polystyrene solution. This study aimed to evaluate the recycling of expanded polystyrene (EPS) and high impact polystyrene (HIPS) through styrene dissolution followed by suspension polymerization and bulk polymerization. Experimental tests were carried out on the rheometry of the solution to be polymerized, monomer conversion (with 50% in mass of residue in the organic phase) and particle size distribution. The recycled material was characterized by mean molar mass (Mw), glass transition temperature (Tg), mechanical properties, thermal properties, vibrational absorption infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM). The results obtained in bench scale indicate good recyclability and properties similar to standard polymers, such as molar mass, viscoelasticity and thermal stability. In this sense, this methodology a has great potential to be implemented in the industry, and thus, there may be a significant impact on the reduction of waste destined for landfills, economy of petrochemical resources, strengthening of cooperatives of collectors and recycling industries, extending the positive reflexes for the society in general

Polystyrene recycling processes by dissolution in ethyl acetate

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