Nabídka témat bakalářských prací s obhajobou v akademickém roce 2017/2018
pro studijní program Procesní inženýrství, FMMI

Využití kapalinové chromatografie pro sledování efektivity rozkladných procesů

Use of liquid chromatography for monitoring of digestion processes

Vedoucí práce: Mgr. Pavel Buček, Ph.D.

Procesy anaerobní digesce, při kterých se získává bioplyn, mohou být negativně ovlivněny výskytem bakterií ve fermentorech. Biogenní aminy (např. kadaverin nebo putrescin) jsou látky, které vznikají při anaerobních pochodech dekarboxylací aminokyselin. Jejich výskyt a poměr přesně určují, jaké druhy bakterií se nacházejí v substrátu. V současnosti se pomocí analýzy biogenních aminů identifikují nežádoucí pochody při silážování krmiv a určuje se kvalita výsledné siláže. Stanovení druhu a množství biogenních aminů může být využito pro odhalení nežádoucích pochodů taktéž v energetické anaerobní digesci a napomoci přesnějšímu řízení optimálních podmínek digesce, popř. zvýšit výtěžnost energeticky využitelných produktů.

Zásady pro vypracování

  • Zpracování literární rešerše dané problematiky.
  • Příprava a optimalizace metody pro odběr a zpracování vzorku v průběhu procesu anaerobní digesce.
  • Stanovení druhů a množství biogenních aminů v připravených vzorcích pomocí kapalinové chromatografie.
  • Diskuze získaných výsledků a formulace závěrů.

Doporučená literatura

  1. Chen, Y.; Cheng, J.J.; Creamer, K.S. Inhibition of anaerobic digestion process: A review. Bioresource technology 99 (2008) 4044-4064.
  2. Winter, J.; Anaerobic waste stabilization. Biotechnology advances 2 (1984) 75–99.
  3. Ward, A.J.; et al. Optimization of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresource technology 99 (2008) 7928-7940.

Vliv aktivace na sorpční charakteristiky tuhých zbytků po termickém zpracování potravinářských odpadů

Effect of activation on the adsorption characteristic of solid residues from thermal treatment of food wastes

Vedoucí práce: Ing. Barbora Grycová, Ph.D.

Potravinářský průmysl zahrnuje široké odvětví, které vyrábí potraviny, poživatiny, pochutiny, nápoje a také suroviny a polotovary pro další průmyslová odvětví. Ve srovnání s jinými odvětvími hospodářství zpracovává ekonomicky náročné suroviny. Samotná výroba potravin je spojena se značnou spotřebou energie a produkcí relativně velkého množství odpadů. Výrobkově specifický odpad z potravinářského průmyslu je charakterizován vysokým obsahem organického materiálu, a proto je jeho likvidace obtížná, a to zejména z důvodů potenciálního růstu patogenů, rychlé autooxidace (především u odpadu s vysokým obsahem tuku) a změn způsobených enzymovou činností (především u odpadu z ovoce a zeleniny).
Jednou z možností materiálového využití potravinářských odpadů je jeho zpracování karbonizačním procesem za účelem přípravy adsorbentů. Proces adsorpce je využíván k oddělování složek, které jsou v plynech nebo v kapalinách obsaženy v nízkých koncentracích, a je součástí mnoha technologií, např. čištění odpadních vod, úpravy odpadních plynů, čištění pracovního ovzduší, sušení vzduchu, sanačních procesů, úpravy bioplynu, apod. Z hlediska adsorpční kapacity hraje pro zachytávané látky velmi důležitou roli velikost a struktura povrchu porézního adsorbentu, zejména pak jeho vnitřní povrch, objem a distribuce velikostí adsorpčních pórů. Na základě znalostí těchto parametrů je možné predikovat chování konkrétního adsorbentu při různých aplikačních případech. Požadavky na výrobu aktivního uhlí stále narůstají vzhledem k rozšiřování možností jeho využití zejména pro regulaci znečišťujících látek v životním prostředí. Z tohoto důvodu se cena komerčně užívaných sorbentů na bázi uhlí neustále zvyšuje. Možnost substituce novými levnějšími materiály, které by byly adekvátní náhradou za ty stávající, je proto v současnosti intenzivně zkoumána.
Cílem práce bude příprava sorbentů z tuhých zbytků po termickém zpracování potravinářských odpadů a charakterizace jejich sorpčních vlastností fyzikální sorpcí N2.

Zásady pro vypracování

  • Zpracování literární rešerše dané problematiky.
  • Laboratorní výzkum termochemických vlastností vybraných druhů odpadů a provedení série pyrolýzních experimentů na sestavené termické jednotce.
  • Sledování sorpčních charakteristik pevných zbytků po pyrolýze s ohledem na druh a původ vzorků, vliv aktivace.
  • Vyhodnocení experimentální části a definování přínosů využití technologie pyrolýzy při zpracování potravinářských odpadů.

Doporučená literatura

  1. K. Obroučka Termické odstraňování a energetické využívání odpadů. Ostrava: VŠB-TUO, 2001. 143 s. ISBN 80-248-0009-8.
  2. I. I. Ahmed, A. K. Gupta Pyrolysis and gasification of food waste. Syngas characteristics and char gasification kinetics. Applied Energy 87 (1), 2010, 101-108. DOI: 10.1016/j.apenergy.2009.08.032
  3. T. Iman, S. Capareda Characterization of bio-oil, syn-gas and bio-chars from switchgrass pyrolysis at various temperatures. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 93, 2012, 170-177.  DOI: 10.1016/j.jaap.2011.11.010
  4. L. Jílková, V. Vrbová, K. Ciahotný Stanovení měrného povrchu vybraných adsorbentů metodou BET a metodou DFT. Paliva 4, 2015, 30 - 35
  5. W. Bae, J. Kim, J. Chung Production of granular activated carbon from food processing wastes (walnut shells and jujube seeds) and its adsorptive properties. Journal of the Air & Waste Management Association. 64 (8), 2014, 879-886
  6. C.K. Sim, S.R. Majid, N.Z. Mahmood Electrochemical Performance of Activated Carbon Derived from Treated Food-Waste. International Journal of Electrochemical Science. 10 (12), 2015, 10157-10172.
  7. L. Khezami, A. Chetouani, B. Taouk, R. Capart Production and characterization of activated carbon from wood components in powder: Cellulose, lignin, xylan. Powder Technology 157, 2005, 48-56.

Studium přípravy oxidů kovů na bázi titanu a neodymu pomocí přetlakových a superkritických tekutin využitelných k redukci znečištění životního prostředí

Study of preparation of nanostructured Ti and Nd-based oxides by using pressurized and supercritical fluids for mitigation of environmental pollution

Vedoucí práce:  Ing. Ivana Troppová, Ph.D.
Konzultant:       Ing. Lenka Matějová, Ph.D.

V průběhu posledních dvou desítek let se vývoj nanočásticových materiálů posunul výrazně vpřed. Důvodem je jejich široké využití v mnoha oborech (potravinářství, chemický a automobilový průmysl, kosmetika aj.). Mezi nanočásticové materiály přitahující v poslední době nejvíce pozornosti patří TiO2. Jeho význam narůstá. Díky vysokému indexu lomu je TiO2 používán jako pigment s vysokou krycí schopností. Nejpoužívanější formou TiO2 je titanová běloba, která se používá při výrobě zubních past, kosmetických přípravků, nátěrových hmot či k bělení mléka. Vědci také dlouhodobě pracují na přípravě TiO2 s fotokatalytickými vlastnostmi, které ve formě samočisticích nátěrů bude efektivně rozkládat škodlivé chemické látky (např. cigaretový kouř) či skleníkové plyny. Oxid titaničitý se dopuje dalšími kovy (např. lanthanoidy, přechodnými kovy) nejen za účelem zvýšení jeho teplotní stability či povrchové kyselosti, ale i například jeho schopnosti fungovat na denním světle.
Práce se bude zabývat přípravou oxidů na bázi Ti a Nd prostřednictvím podkritických (přetlakových) a superkritických tekutin (vody a metanolu), a jejich fyzikálněchemickou charakterizací.

Zásady pro vypracování

  • Zpracování literární rešerše dané problematiky (vlastnosti Nd dopovaného TiO2, jeho     využití, příprava, princip dopování).
  • Příprava oxidů kovů na bázi Ti a Nd pomocí přetlakové vody a přetlakového/superkritického alkoholu (příprava různých Ti/Nd molárních směsí, výběr nejaktivnější oxidické směsi na základě fotokatalytického testování na modelovém azo-barvivu, studium vlivu experimentálních podmínek zpracování přetlakovými a superkritickými tekutinami na (mikro)strukturu nejaktivnější směsi).
  • Charakterizace fyzikálně-chemických vlastností připravených oxidů kovů (organická elementární analýza, fyzisorpce, rentgenová fluorescence, rentgenová difrakce aj.)
  • Vyhodnocení získaných výsledků a jejich diskuse.

Doporučená literatura

  1. Aegerter, M.A., Leventis, N., Koebel, M.M., Aerogels Handbook, Series: Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies, Springer, 2011. ISBN: 978-1-4419-7477-8
  2. Matějová, L. et al., Super/subcritical fluid extractions for preparation of the crystalline titania. The Journal of Supercritical Fluids, 52 (2010) 215-221.
  3. Štengl, V., Bakardijieva, S., Murafa, N., Preparation and photocatalytic activity of rare earth doped TiO2 nanoparticles, Materials Chemistry and Physics 114 (2009) 217–226.

Suché reformování uhlovodíků

Dry reforming reactions of hydrocarbons

Vedoucí práce:  Ing. Pavel Leštinský, Ph.D.
Student: Zdeněk Zikmund

Katalytické reformování uhlovodíků, převážně metanu je jedním ze základních metod výroby syntézního plynu, přesněji jedné sloučeniny - vodíku. Nejrozšířenějším způsobem výroby vodíku je parní reformování metanu. Vzhledem k narůstající potřebě snižovat emise CO2 do ovzduší roste poptávka i po technologii suchého reformování.
V rámci bakalářské práce budou připraveny nové typy katalyzátorů metodou mokré impregnace, při níž budou přechodné kovy (Ni, Co, atd.) naneseny na nosiče v podobě uhlíkatých materiálů. Bude sledována konverze uhlovodíků a CO2 při suchém reformování. Z těchto experimentů budou získána kinetická data, popř. informace o zanášení a deaktivaci katalyzátoru. Součástí práce bude také charakterizace základních fyzikálně-chemických vlastností připravených katalyzátorů.
Cílem práce bude příprava katalyzátorů na bázi přechodných kovů a uhlíku a experimentální ověření účinnosti suchého reformování uhlovodíků s CO2.

Zásady pro vypracování

  • Zpracování literární rešerše dané problematiky.
  • Příprava katalyzátorů impregnací vybraných přechodných kovů (Co, Ni) na uhlíkaté materiály.
  • Charakterizace vlastností připravených katalyzátorů dostupnými metodami (elementární analýza, chemická analýza, rentgenová difrakce, BET)
  • Katalytické experimenty a jejich vyhodnocení.

Doporučená literatura

  1. BRIDGEWATER A.V., Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading, Biomass nad Bioenergy 38, 68-94, 2012.
  2. ERTL G., KNÖZINGER H., WEITKAMP J., Preparation of solid catalysts, WILEY-VCH Verlag GmbH, 2008
  3. PEREGO C., PERATELLO S., Experimental methods in catalyst kinetics, Catalysis Today 52, 133-145, 1999.
  4. ZHANG G., SU A., et al., Catalytic performance of activated carbon supported cobalt catalyst for CO2 reforming of CH4, Journal of Coloid and Interface Science 433, 149-155, 2014.

Monitoring kvality vod v systémech intenzivní zemědělské produkce

Monitoring water quality in systems of intensive agricultural production

Vedoucí práce: Mgr. Martina Vráblová, Ph.D.
Konzultant: Mgr. Ivan Koutník

Akvaponické systémy jsou perspektivní alternativou pro společný chov ryb a pěstování rostlin snižující spotřebu vody v zemědělské produkci až o 90% při současném snižování zátěže pro životní prostředí díky využití odpadních dusíkatých produktů z chovu ryb pro produkci rostlinné biomasy (zeleniny, bylinek, koření apod.). Slabinou těchto systémů je nutnost neustálého sledování obsahu látek ve vodách v rámci celého koloběhu vody, tedy na vstupu vody do systému, výstupu z akvakultury, vstupu vody do hydroponie a konečně výstupu z celého systému.
V rámci práce budou vytipovány analytické metody vhodné pro využití v rámci akvaponických systémů, hydroponických systémů, nebo samostatných chovů ryb. Metody budou porovnány z hlediska instrumentální náročnosti, ekonomické výhodnosti a rizikovosti ve smyslu použití jedovatých a nebezpečných látek. Vybrané metody pak budou testovány na modelových roztocích i na vodách získaných z výše uvedených provozů.
Výstupem práce bude soupis verifikovaných a v případě potřeby modifikovaných metodik vhodných pro monitoring kvality vod v akvaponických a hydroponických systémech. Na práci bude možno přímo navázat v inženýrském studiu návrhem a konstrukcí automatizovaného analyzátoru.

Zásady pro vypracování

  • Zpracování literární rešerše dané problematiky.
  • Porovnání metod použitelných pro sledování kvality vody v systémech intenzivní zemědělské produkce.
  • Laboratorní srovnávací analýzy vod.
  • Vyhodnocení experimentů a soupis použitelných metodik.

Doporučená literatura

  1. Goddek, S., et al. Challenges of Sustainable and Commercial Aquaponics. Sustainability 7 (2015) 4199-4224.
  2. Dimitrova S., et al. Comparison of spectrophotometric methods using cuvette tests and national standard methods for analysis of wastewater samples. Academic Journals 5(8) (2013) 482-488.
  3. HORÁKOVÁ, M. a kol. (2007): Analytika vody. VŠCHT Praha, 335 p. (http://vydavatelstvi.vscht.cz/katalog/publikace?uid=uid_isbn-80-7080-520-X)
  4. MALÝ, Josef a MALÁ, Jitka. Chemie a technologie vody. 2., dopl. vyd. Brno : ARDEC s.r.o., 2006. xii, 331 s. ISBN 80-86020-50-9.