Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

EDITORIAL

ZnO/TiO₂ and ZnO/Nb₂O₅ as effective systems for the treatment of enteric bacteria and commercial dyes

ABSTRACT In this study, ZnO/TiO2 and ZnO/Nb2O5 photocatalysts were evaluated in the river pollution remediation and wastewater treatment from textile factories, thus, the target pollutants selected for this study were enteropathogenic bacteria and commercial dyes. The mixed oxide systems were extensively analyzed in order to explore their physicochemical properties. From this analysis, it was found that the coupling of two oxides did not modify the crystallinity of the pristine semiconductors. As a result, XRD Wurtzite phase, hexagonal phase, and anatase phases were identified for ZnO, Nb2O5, and TiO2 photocatalyst, respectively. Using UV-Vis DRS, a higher absorption for mixed oxides in the visible region of the electromagnetic spectrum was observed, along with a decrease in the band gap value in these materials. The results of the photocatalytic activity evaluation showed that the coupling of ZnO with Nb2O5 and TiO2 increased the effectiveness of the total organic carbon (TOC) and E. Coli elimination. 83% of TOC and elimination of 64% of E. coli were achieved using ZnO/Nb2O5 photocatalyst for the treatment of water samples from the polluted river.

RESUMEN En esta investigación se evaluaron los óxidos mixtos ZnO/TiO2 y ZnO/Nb2O5 para la recuperación de agua de un río contaminado y en el tratamiento de aguas residuales de fábricas textiles; los contaminantes objeto de estudio en esta investigación fueron bacterias enteropatógenas y colorantes comerciales. Los sistemas conformados por óxidos mixtos fueron ampliamente caracterizados con el fin de conocer sus características fisicoquímicas; a partir de estos análisis se encontró que el acoplamiento de dos óxidos no modificó la cristalinidad de los semiconductores prístinos, pues, por DRX se identificaron las fases cristalinas wurtzita, anatasa y hexagonal para ZnO, TiO2 y Nb2O5, respectivamente. Mediante análisis de UV-Vis DRS se observó una mayor absorción de los óxidos mixtos en la región visible del espectro electromagnético, el valor de ancho de banda también disminuye en estos materiales. Los resultados de evaluación de la actividad fotocatalítica mostraron que el acoplamiento de ZnO con Nb2O5 y TiO2 aumenta la eficiencia en la eliminación del carbono orgánico total (COT) y de E. Coli. Con el fotocatalizador ZnO/TiO2 se logró la eliminación del 82% de COT y del 65% de E. coli, en muestras de agua de un río contaminado por efluentes municipales.

Quality study of open government data related to COVID-19 in Latin America

ABSTRACT This work shows the current situation of Open Government at a Latin American level focused on the quality of available open data related to COVID-19. The analyzed data refers to health emergencies and tasks for the fight against the pandemic. These data are critical because they are used to improve the management of public services and resources in handling this contingency. The different quality aspects of open data that are available on government portals have been analyzed. For this analysis, a number of documents of recognized international organizations on aspects, current problems, and good practices were taken as a reference. To accomplish this research, six countries were chosen as a data source: Argentina, Colombia, Mexico, Peru, Paraguay and Uruguay. For each of them, their public portals were analyzed, and special attention was paid to the quality aspects that each country proposes, as well as whether there are dataset control tools or not. Finally, the tool HEVDA was used to verify the quality of open data based on a proposal of 8 quality metrics. The tool was applied to a sample of 15 datasets from each country in aspects of COVID-19 (90 datasets). The contribution of this work is to identify the degree of quality presented by the open data of these countries through a self-developed validation tool (HEVDA).

RESUMEN Este trabajo, muestra la situación actual del Gobierno Abierto a nivel latinoamericano enfocado en la calidad de los datos abiertos disponibles relacionados con COVID-19. Los datos analizados se refieren a emergencias sanitarias y tareas para la lucha contra la pandemia. Estos datos son críticos porque se utilizan para mejorar la gestión de los servicios públicos y recursos ante esta contingencia. Se han analizado los diferentes aspectos de calidad de los datos abiertos que se encuentran disponibles en los portales gubernamentales. Para este análisis, se tomaron como referencia, varios documentos de reconocidos organismos internacionales sobre aspectos, problemáticas actuales y buenas prácticas. Para realizar la investigación, se eligieron 6 países como fuente de datos: Argentina, Colombia, México, Perú, Paraguay y Uruguay. Para cada uno de ellos se analizaron sus portales públicos, y se prestó especial atención a los aspectos de calidad que propone cada país, así como si existen o no herramientas de control. Finalmente, se utilizó la herramienta HEVDA para realizar una verificación de la calidad de los datos abiertos a partir de una propuesta de 8 métricas de calidad. La herramienta se aplicó a una muestra de 15 conjuntos de datos de cada país en aspectos de COVID-19 (90 datasets). El aporte de este trabajo es identificar el grado de calidad que presentan los datos abiertos de estos países a través de una herramienta de validación de desarrollo propio (HEVDA).

A modified voltage changes ratio (MVCR) for in-vitro volume estimation

ABSTRACT Electrical bioimpedance (EBI) is a non-invasive technique for monitoring bladder volume. The EBI approaches global impedance (GI), impedance ratio method (IRM), and voltage change ratio (VCR) have been successfully applied to detect changes in the volume of objects with constant but unknown conductivity. In this work, simulated and in-vitro experiments are used to compare the performance of these methods with respect to a new approach proposed by some authors and called modified VCR (MVCR). Experimental results indicated that GI, VCR, and MVCR indices increase when the volume of the object under study increases. On the other hand, no direct or inverse relationship between IRM and volume was observed. The coefficient of variation, defined as the interquartile range divided by the median of a set of measurements, was lower for MVCR, which indicates that the proposed approach is less sensitive to measurement noise than the other three methods.

RESUMEN La bioimpedancia eléctrica (EBI) es una técnica no invasiva para monitorear el volumen de la vejiga. Los índices EBI impedancia global (GI), método de relación de impedancia (IRM) y relación de cambio de voltaje (VCR) se han aplicado con éxito para detectar cambios en el volumen de objetos con conductividad constante pero desconocida. En este trabajo se utilizan experimentos simulados e in vitro para comparar el rendimiento de estos índices con respecto a un nuevo enfoque propuesto por algunos autores y denominado VCR modificado (MVCR). Los resultados experimentales indican que los índices GI, VCR, y MVCR se incrementan cuando aumenta el volumen del objeto estudiado. Por otro lado, no se observó una relación directa o inversa entre el IRM y el volumen. El coeficiente de variación, definido como el rango intercuartílico dividido por la mediana, fue menor para el MVCR, lo que indica que el enfoque propuesto es menos sensible al ruido de medición que los otros tres métodos.

Effect of nutrients, inoculum and co-substrates on methane potential of cattle manure

ABSTRACT In this research, the methane potential of the codigestion of cattle manure (CM) with guinea pig manure (GPM) and dairy wastewater (DW) was evaluated. The effect of the addition of nutrients, inoculum (I) and co-substrates on methane production was studied. Later, two low-cost tubular biodigesters were implemented, at a rural farm in the cold climate municipality of Cumbal, fed with the mixture of CM and co-substrates that produced higher biogas production at the lab scale. The results evidenced that the addition of nutrients had no significant effect on methane potential. The mixture CM + GPM + DW + I, produced a theoretical biomethane potential (BMP) of 69.07%, significantly higher than the percentage of the theoretical BMP obtained individually, 43.81% and 34.49% for CM + I and DW+ I respectively. Further, it was observed that the addition of inoculum avoided problems of acidification. Finally, it was proved that this process can reduce environmental contamination and, at the same time, be a sustainable source of renewable energy for rural families in Cumbal (Nariño-Colombia).

RESUMEN En esta investigación se evaluó el potencial metano de la codigestión de estiércol bovino (EB) con estiércol de cuy (EC) y aguas residuales de lácteas (ARL). Se estudió el efecto de la adición de nutrientes, inóculo (I) y cosustratos sobre la producción de metano. Posteriormente, se implementaron dos biodigestores tubulares de bajo costo, en una finca rural del municipio de clima frío de Cumbal, alimentados con la mezcla de CM y cosustratos que generó la mayor producción de metano a escala laboratorio. Los resultados evidenciaron que la adición de nutrientes no tuvo un efecto significativo sobre el potencial de metano. La mezcla EB + EC + ARL + I, permitió obtener 69.07% del potencial de biometano (PBM) teórico, significativamente superior al porcentaje de PBM teórico obtenido individualmente, 43.81% y 34.49% para EB + I y ARL + I respectivamente. Además, se observó que la adición de inóculo evitaba problemas de acidificación. Finalmente, se comprobó que este proceso puede reducir la contaminación ambiental y, al mismo tiempo, ser una fuente sustentable de energía renovable para las familias rurales de Cumbal (Nariño-Colombia).

Validation of an outdoor efficiency model for photovoltaic modules

ABSTRACT The study of the efficiency of photovoltaic modules in outdoor conditions allows determining their correct operation and to detect abnormal behavior. Most efficiency models developed use experimental data that are difficult to obtain as they require specialized equipment and a long measurement time under laboratory conditions to identify or adjust the model parameters. In this article, we propose a linear equation that estimates the efficiency of photovoltaic modules using irradiance and back panel temperature measurements as input variables. The main contribution is that the parameters of the proposed model can be obtained directly from the reference information (IEC61853-1 power values) without any data regression. The proposed model was validated using experimental data obtained from three different climatic zones during a whole year. The model shows the best fit to the data of four analyzed models, and its normalized root mean square deviation for all photovoltaic modules is less than 3.6%; this dispersion could be explained by the fact that the outdoor data have an uncertainty of around 3.0%.

RESUMEN El estudio de la eficiencia de los módulos fotovoltaicos en condiciones exteriores permite determinar su correcto funcionamiento y detectar comportamientos anómalos. Los modelos de eficiencia que están disponibles en la literatura utilizan medidas ad-hoc que son poco prácticas ya que requieren equipos especializados y un largo tiempo de medición usualmente en condiciones de laboratorio para identificar o ajustar los parámetros del modelo. En este artículo, proponemos una ecuación lineal que estima la eficiencia de los módulos fotovoltaicos, usando las mediciones de temperatura del panel y la irradiancia como variables de entrada. La principal contribución es que los parámetros del modelo propuesto se pueden obtener directamente de la información de referencia, en nuestro caso usando la matriz de potencia de según la norma IEC61853-1, con la ventaja que no se requiere ninguna regresión con los datos. El modelo propuesto se validó utilizando datos experimentales obtenidos de tres zonas climáticas diferentes durante todo un año. El modelo muestra el mejor ajuste a los datos de cuatro modelos analizados, y su desviación cuadrática media normalizada para todos los módulos fotovoltaicos es inferior al 3.6%; esta dispersión podría explicarse por el hecho de que los datos del exterior tienen una incertidumbre de alrededor de 3.0%.

Effective grid connection approach for an overshot waterwheel

ABSTRACT Interest in very small-scale hydropower generation has increased over the past few years. These pico-hydro systems range from a few watts to several kW. The exploitation of low head sites does not require expensive civil works and is environmentally sustainable. Pico-hydro systems are attractive not only for remote areas where the grid is not available, but also for grid connection. This is especially relevant in existing infrastructures, used for other activities but which can also be used for energy generation. Waterwheels are emerging with enormous potential in this context. Low speeds and variations in head and water flow are a constraint to their connection to the grid. This study shows that they can be effectively connected to the grid using competitive and widely available technology for other renewable sources, such as photovoltaics. This paper presents an innovative approach for an effective grid connection of a pico-hydro system based on an overshot waterwheel. For this purpose, a permanent magnet synchronous generator and a photovoltaic inverter are used. The compatibility between them is analysed in detail and the analysis is valid for other hydro turbines. The 2 m diameter waterwheel has been installed on an existing infrastructure of an aquaculture centre. With a flow rate of about 13 l/s, it injects an average power of 126 W into a microgrid with a global efficiency of 50%.

RESUMEN El interés por la generación hidroeléctrica a muy pequeña escala ha aumentado en los últimos años. Estos sistemas pico-hidráulicos van de unos pocos vatios hasta varios kW. La explotación de emplazamientos de baja altura no requiere costosas obras civiles, son ambientalmente sostenibles. Son atractivos no sólo para las zonas remotas donde no hay red, sino también para la conexión a la red. Esto es especialmente relevante en infraestructuras existentes, utilizadas para otras actividades, pero que también pueden utilizarse para la generación de energía. Las ruedas hidráulicas están surgiendo con un enorme potencial en este contexto. Las bajas velocidades y las variaciones en la altura y el caudal son una limitación para su conexión a la red. Este estudio demuestra que pueden conectarse eficazmente utilizando tecnología competitiva y ampliamente disponible para otras renovables, como la fotovoltaica. Este trabajo presenta un enfoque innovador para la conexión eficaz a la red de una rueda hidráulica overshot, utilizando un generador síncrono de imanes permanentes y un inversor fotovoltaico. La compatibilidad entre ambos se analiza en detalle y el análisis es válido para otras turbinas hidráulicas. Una rueda hidráulica de 2 m de diámetro se ha instalado en la infraestructura existente de un centro de acuicultura. Con un caudal de unos 13 l/s, ésta inyecta una potencia media de 126 W en una microrred con un rendimiento global del 50%.

User study of sensorless adaptive haptic assistance for bilateral teleoperation

ABSTRACT This paper presents a sensor-less haptic adaptive assistance scheme for bilateral shared controlled in telerobotics. The paper focuses on the implementation of an adaptive assistance scheme previously developed using force sensors at the master’s side, extending it to the case where this measurement is no longer available. The experimental setup was composed of a virtual slave robot and a real master robot (a commercially-of-the-shelf, low-cost haptic device), namely the Novint Falcon haptic device. Due to the lack of sensors to measure the contact force between the human operator and the haptic control device i.e., only the position of the master robot is measured, a data-driven Unknown Input Observer with disturbance estimation augmentation is proposed, allowing the estimation of the (external) human force under plant uncertainty and external disturbances. The proposed approach is tested via a path tracking (known) with (unknown) obstacle avoidance task, and statistical analysis regarding the scheme’s effectiveness is presented.

RESUMEN Este artículo presenta un esquema de asistencia háptica sin sensor para telerobótica controlada compartida bilateral, más específicamente se enfocará en la implementación de un esquema de asistencia adaptativa desarrollado previamente por uno de los autores. Para la aplicación del esquema de asistencia adaptativa, se establece una configuración de teleoperación con un robot esclavo virtual y un robot maestro real (dispositivo de control háptico) utilizando un dispositivo háptico comercial (de bajo costo), a saber, el háptico Novint Falcon dispositivo. Un problema en la configuración de la teleoperación es la falta de sensores para medir la fuerza de contacto entre el operador humano y el dispositivo de control háptico (es decir, solo se mide la posición del robot maestro), que es necesaria para la aplicación de la asistencia adaptativa. Se propone un aumento de estimación de perturbación de un observador de entrada desconocido con una red neuronal, que permite la estimación de la fuerza humana (externa) bajo incertidumbre de la planta y perturbaciones externas. El documento presenta los resultados de implementación de un problema de seguimiento de ruta (conocido) con evitación de obstáculos (desconocidos), y se presenta un análisis estadístico sobre la efectividad de los esquemas.

Reducing sugars degradation in cocoa mucilage to produce bioethanol

ABSTRACT The mucilage is a component of the cocoa pod; it is composed of the fruit's mesocarp and represents 15-20% of the weight of the fresh bean. The high content of reducing sugars found in the mucilage of the CCN-51 (7.42%) and Nacional (11.36%) varieties allowed the mucilage to be easily degraded and, in this way to obtain bioethanol, which was subjected to further analyses to determine the physicochemical characteristics. The analyses carried out on the degradation of cocoa mucilage CCN51 were: pH 4.07, 12.9 Total solids, 0.9% total acidity, 60 °GL, turbidity of 2.93 NTU, the density of 0.91 g/cm3, and specific heat 0.92 kJ/Kg °C. In comparison, the National variety obtained a pH of 4.67, 13.6 total solids, total acidity of 1.7 g/cm3, 52 °GL, turbidity of 9.33 NTU, and a density of 0.93 g/cm3, and specific heat of 0.95 kJ/Kg °C. Saccharomyces cerevisiae yeast concentration applied to obtain bioethanol, for best results, is 0.05%. This allowed that, during the bioethanol fermentation process, the sugars are more easily oxidised from the cocoa mucilage to produce a higher alcohol content.

RESUMEN El mucílago es un componente de la vaina de cacao, está constituido por el mesocarpio del fruto y representa el 15-20% del peso del grano fresco, el alto contenido de azúcares reductores que se encuentra en el mucílago de las variedades CCN-51 7.42% de azúcares y 11.36% en Nacional) permitió que el mucílago se degradara fácilmente y de esta manera obtener bioetanol el mismo que fue sometido a diferentes análisis para determinar las características fisicoquímicas, los análisis realizados sobre la degradación del mucílago del cacao CCN51 fueron: pH 4.07, 12.9 Sólidos totales, 0.9% acidez total, 60 °GL, turbidez de 2.93 NTU, una densidad de 0.91 g / cm3, y calor específico de 0.92 kJ / Kg ° C, mientras que la variedad Nacional obtuvo un pH de 4.67, 13.6 de sólidos totales, 1.7 g / cm3 de acidez total, 52 °GL, turbidez 9.33 NTU, una densidad de 0.93 g/cm3 y calor específico de 0.95 kJ/Kg °C. La concentración de levadura Saccharomyces cerevisiae aplicada para obtener bioetanol y que mejores resultados se obtuvieron es del 0.05% esto permite que durante el proceso de fermentación del bioetanol a partir del mucílago del cacao los azúcares se oxiden más fácilmente para producir un mayor contenido alcohólico.

Evaluation of a sequential batch reactor implementing mixing and aeration by recirculation through a Venturi

ABSTRACT This work describes the design, construction, and evaluation of a sequential discontinuous reactor with recirculation and aeration through a Herschel-type Venturi tube made of high-density polyethylene, coupled to a centrifugal pump. Four laboratory-scale prototypes were built, each with a volume of 8 L and a characteristic distance for venturi discharge. During the evaluation, temperature, pH, and dissolved oxygen were monitored. Also, the chemical oxygen demand (COD), the biological oxygen demand (BOD5), and the total suspended solids (TSS) in the clarified discharge liquid were determined. The BOD5 reduction efficiency registered values higher than 80%, while the COD reduction efficiency was around 60%. Thus, the action of microorganisms reduced the biodegradability factor, the BOD5, and contributed to the DQO through soluble microbial products. Besides, the increase of solids retention time (SRT) evidenced the increase in biomass settleability, which positively contributed to SBR operation. The results obtained support the implementation of the sequential batch reactor with mixing and aeration by recirculation through a Venturi as a technology for wastewater treatment.

RESUMEN En este trabajo describe el diseño, construcción y evaluación de un reactor discontinuo secuencial con recirculación y aireación a través de un tubo Venturi tipo Herschel fabricado en polietileno de alta densidad, acoplado a una bomba centrífuga. Se construyeron cuatro prototipos a escala de laboratorio, cada uno con un volumen de 8 L y una distancia característica para la descarga del Venturi. Durante la evaluación se monitorearon temperatura, pH y oxígeno disuelto, también se determinaron la demanda química de oxígeno (DQO), la demanda biológica de oxígeno (DBO5) y los sólidos suspendidos totales (SST) en el líquido de descarga clarificado. La eficiencia de reducción de DBO5 registró valores superiores al 80% mientras que la eficiencia de reducción de DQO se situó entorno al 60%. Así, la acción de los microorganismos redujo el factor de biodegradabilidad, la DBO5 y contribuyó a la DQO a través de productos microbianos solubles. Además, el aumento del tiempo de retención de sólidos (TRS) evidenció al aumento de la sedimentabilidad de la biomasa, lo que contribuyó positivamente a la operación del SBR. Los resultados obtenidos avalan la implementación del reactor discontinuo secuencial con mezcla y aireación por recirculación a través de un Venturi como tecnología para el tratamiento de aguas residuales.

Comparative assessment of computational models for the effective tensile strength of nano-reinforced composites

ABSTRACT Some of the most important industries, such as aerospace, automotive, among others, have stipulated new requirements for materials behavior that include high specific, mechanical, and thermal properties. According to this, nanocomposites have emerged to satisfy these requirements. However, manufacturing these nanocomposites implies cost and time-consuming problems that do not allow their use in technological applications; additionally, the lack of knowledge about the prediction of their mechanical properties is an obstacle to its technological implementation. Therefore, several studies have focused on the development of computational models to predict the mechanical behavior of nano-reinforced composites. In the present work, a comparative assessment of the main computational models for predicting the tensile strength of nanocomposites is carried out. Firstly, a new taxonomy of these models is proposed, which allows identifying the main experimental variables, model evolution, and precision. With the categorization, computational algorithms are developed for these models for predicting the tensile strength of nanocomposites, accomplishing a comparative analysis of accuracy, robustness, and time-cost among them. The precision of these models is evaluated by deeming benchmark experimental works focused on the tensile strength of nanocomposites. The results obtained demonstrated a minimum relative error of 44.7%, 10.1%, and 10.6% for First-Generation, Second-Generation, and Third-Generation models, respectively. Moreover, linear and non-linear behaviors were found in the evaluated models, being coherent with the number and kind of parameters required for the assessment.

RESUMEN Las industrias más importantes reconocidas como la aeroespacial, automotriz, entre otras, han estipulado nuevos requerimientos para el comportamiento de los materiales que incluyen altas propiedades específicas, mecánicas, y térmicas. De acuerdo con esto, los nanocompuestos han surgido como una solución. Sin embargo, la manufactura de estos materiales implica problemas de costo-tiempo que no permiten su aplicación industrial, además, el desconocimiento en la predicción de sus propiedades mecánicas es un obstáculo. Por esto mismo, importantes autores se han enfocado en el desarrollo de modelos computacionales para la predicción del comportamiento mecánico en compuestos nano-reforzados. En el presente trabajo, se realiza una evaluación comparativa de los principales modelos computacionales para la predicción de resistencia a tracción de nano-compuestos. En primer lugar, una nueva taxonomía de estos modelos es propuesta, permitiendo identificar las principales variables experimentales, evolución de los modelos y precisión. Con la categorización, se desarrollan algoritmos computacionales para la predicción de resistencia a tracción en nanocompuestos, realizando un análisis comparativo de precisión, robustez y costo-tiempo. La precisión de los modelos se evalúa considerando trabajos experimentales enfocados en la caracterización de la resistencia a tracción de nanocompuestos. Los resultados obtenidos demostraron un error relativo mínimo del 44.7%, 10.1% y 10.6% para los modelos de primera, segunda y tercera generación, respectivamente. Además, se encontraron comportamiento lineales y no lineales, siendo coherentes con el número y tipo de parámetros requeridos para la evaluación.