Ingeniería

Trends in Artificial Intelligence for Power Grid Automation from an Academic Viewpoint

A Novel Rotational Limestone Treatment System for Effective Acid Mine Drainage Remediation

Abstract Context: The mining industry is the main culprit behind the generation of acid mine drainage (AMD). During coal extraction processes, sulfide minerals react with groundwater, releasing ions such as Fe2+ and Fe3+, sulfates (SO4 −2 ), and protonic acidity (H+). The low pH of AMD can cause significant environmental damage. AMD remediation is usually achieved using alkaline systems, wherein the AMD passes through limestone to be neutralized. Nevertheless, this process requires prolonged treatment times and constant cleaning steps to remove the coating formed on the limestone, which reduces its effectiveness. Method: This study evaluates a novel oxic-limestone rotational system for the treatment of AMD produced by the coal industry. The AMD collected was characterized in terms of pH, dissolved oxygen, Fe (Fe total, Fe2+, and Fe3+), and SO4 −2. Results: The results demonstrate the optimal efficiency of the proposed system, reducing the treatment time from 120 h in conventional systems to 1.5 h when applying a ratio of 0.25k g of limestone per liter of AMD. Conclusions: The rotational system enables the superficial degradation of the limestone, maintaining an active contact area for longer periods. This allows for optimized AMD remediation efficiency, reducing operating costs and necessitating fewer system cleanup steps.

Resumen Contexto: La industria minera es el principal responsable de la generación de drenaje ácido minero (DAM). Durante los procesos de extracción del carbón, los minerales sulfurados reaccionan con las aguas subterráneas, liberando iones como Fe2+ y Fe3+, sulfatos (SO4 −2), y acidez protónica (H+). El bajo pH del DAM puede generar importantes daños medioambientales. La remediación del DAM generalmente se realiza a través de sistemas alcalinos, donde el DAM pasa a través de roca caliza para ser neutralizado. No obstante, este proceso requiere tiempos prolongados de tratamiento y etapas de limpieza constante para eliminar el recubrimiento formado en la roca, lo que reduce su eficacia. Método: Este estudio evalúa un novedoso sistema rotacional de óxido-caliza para el tratamiento de DAM producido por la industria del carbón. El DAM recolectado se caracterizó en términos de pH, oxígeno disuelto, Fe (Fe total, Fe2+ y Fe3+), y (SO4 −2). Resultados: Los resultados demuestran la eficiencia óptima del sistema propuesto, que reduce el tiempo de tratamiento de 120 h con sistemas convencionales a 1.5 h al aplicar una relación de 0.25 kg de caliza por litro de DAM. Conclusiones: El sistema rotacional facilita la degradación superficial de la caliza, manteniendo un área de contacto activa durante periodos más largos. Esto permite optimizar la eficiencia de remediación del DAM, reduciendo los costes de operación y las etapas de limpieza requeridas por el sistema.

Analysis of Road Accidents in Colombia: Departmental Patterns and Trends from Vehicle Records

Abstract Context: The high rate of road accidents in Colombia constitutes a serious public health issue. This study seeks to identify spatial patterns in the occurrence of traffic accidents at the departmental level. Based on these data, the aim is to better understand the factors that influence road accidents in order to propose more effective prevention strategies. Method: To this effect, a cluster analysis based on the K-means algorithm and binomial analysis was used. These statistical techniques allowed grouping Colombian departments according to their accident profile, considering variables such as geographical location, incidents, the validity of vehicle documents, and the presence of new road actors. Results: The results of the analysis revealed three groups of departments with different accident rates: high, medium, and low. This classification makes it possible to identify regions with a higher risk of suffering road accidents and determine their associated factors, such as population density and road conditions. This study demonstrates the usefulness of cluster analysis to identify spatial patterns in road accidents at the departmental level. Conclusions: The results obtained contribute to a better understanding of the factors that influence the occurrence of traffic accidents in Colombia, which enables the design of more focused and effective prevention strategies. Future research could delve into the analysis of the socioeconomic and cultural factors associated with road accidents, in addition to exploring the application of predictive models to anticipate the occurrence of accidents.

Resumen Contexto: La alta accidentalidad vial en Colombia constituye un serio problema de salud pública. Este estudio busca identificar patrones a nivel departamental en la ocurrencia de accidentes de tránsito. Con base en los datos de accidentalidad, se busca comprender mejor los factores que influyen en los sucesos para proponer estrategias de prevención más efectivas. Método: Se utilizó un análisis de conglomerados basado en el algoritmo K-medias y un análisis binomial. Estas técnicas estadísticas permitieron agrupar los departamentos colombianos según su perfil de accidentalidad, considerando variables como: la ubicación geográfica, los incidentes, la validez de los documentos vehiculares y la presencia de actores viales. Resultados: Los resultados del análisis mostraron tres grupos de departamentos con diferentes tasas de accidentalidad: alta, media y baja. Esta clasificación permite identificar las regiones con mayor riesgo de sufrir accidentes viales y determinar los factores asociados, como la densidad poblacional y el estado de las carreteras. Este estudio demuestra la utilidad del análisis de conglomerados para identificar patrones de comportamiento espacial en accidentalidad vial a nivel departamental. Conclusiones: Los resultados obtenidos contribuyen a una mejor comprensión de los factores que influyen en la ocurrencia de accidentes de tránsito en Colombia, lo que permite diseñar estrategias de prevención específicas y eficaces. Futuras investigaciones podrían profundizar el análisis, con factores socioeconómicos y culturales asociados a los accidentes de tránsito. Además, de explorar la aplicación de modelos predictivos para anticipar la ocurrencia de accidentes.

Use of Computational Tools in the Modeling of Columns for Cr(VI) Adsorption in Wastewater by Means of Theobroma cacao L.

Abstract Context: Industrial growth and various anthropogenic activities have generated multiple pollutants, including heavy metals such as hexavalent chromium, or Cr(VI), which pose a major threat to both humans and the environment, as their characteristics make them persistent, bioaccumulative, and non-biodegradable. Method: In this paper, computer-aided process engineering (CAPE) was used to simulate an industrial-scale adsorption column packed with a biomass based on cocoa husk residues for the removal of Cr(VI) in solution. A parametric sensitivity analysis was conducted, using Aspen Adsorption as a simulation tool to analyze different column configurations. Results: The Freundlich isothermal model, in combination with the linear driving force (LDF) kinetic model, yielded efficient results in removing Cr(VI) via adsorption, with values of up to 97.1%. The best operating conditions included an initial concentration of 5000 mg/L, a bed height of 5 m, and an inlet flow rate of 100 m3/day. Conclusions: This study demonstrates that the use of computational assistance holds great potential for predicting the performance of an adsorption column packed with agro-industrial waste, which constitutes a safe and cost-effective alternative for the design and modeling of industrial-scale columns.

Resumen Contexto: El crecimiento industrial y diversas actividades antropogénicas han generado múltiples contaminantes, entre los que se encuentran metales pesados como el cromo hexavalente, o Cr(VI), los cuales representan una amenaza significativa tanto para el medio ambiente como para el ser humano, pues sus características los hacen persistentes, bioacumulativos y no biodegradables. Método: En este artículo se empleó la ingeniería de procesos asistida por ordenador (CAPE) para simular una columna de adsorción a escala industrial llena de biomasa a base de residuos de cáscara de cacao para la eliminación de Cr(VI) en solución. Se realizó un análisis de sensibilidad paramétrica, utilizando Aspen Adsorption como herramienta de simulación para analizar diferentes configuraciones de la columna. Resultados: El modelo isotérmico de Freundlich, junto con el modelo cinético de fuerza motriz lineal (LDF) arrojó resultados eficientes en la remoción de Cr(VI) mediante adsorción, con valores de hasta 97.1 %. Las mejores condiciones de operación incluyeron una concentración inicial de 5000 mg/l, una altura del lecho de 5 m y un caudal de entrada de 100 m3/día. Conclusiones: Este estudio demuestra que el uso de la asistencia computacional tiene gran potencial para predecir el rendimiento de una columna de adsorción llena de residuos agroindustriales, constituyéndose en una alternativa segura y rentable para el diseño y modelado de columnas a escala industrial.

Two-Phase Mixture Numerical Study of Nanofluid Flow in a Lithium-Ion Battery Cooling System

Abstract Context: The cooling performance of a thermal battery plays a critical role in its efficiency, lifespan, and safety. This importance stems from the heat generated during charging and discharging processes. As temperatures rise, key battery characteristics are significantly affected. Method: Using the ANSYS Fluent computational fluid dynamics software, a 2D numerical simulation was conducted to study the cooling of a lithium-ion battery in the presence of nanofluids. The flow of nanofluids was analyzed using the multiphase mixture model. Results: It was found that the coolant inlet velocity significantly impacts the module’s temperature distribution and the maximum temperature difference, where the temperature differences almost stabilize for inlet velocities exceeding 0.3 m/s. The effect of using nanofluids was studied with three different types of nanoparticles (alumina, copper, and fullerene) dispersed in water as the base fluid. The results show that the temperature difference in the module varies depending on the nature and volume fraction of the nanoparticles. The incorporation of nanofluids leads to a significant reduction in module temperatures. Fullerene nanoparticles were found to exhibit superior cooling performance compared to other nanoparticle types. On the other hand, a nanoparticle volume fraction exceeding 2% yields a nearly uniform temperature distribution within the module, as well as reduced cell temperatures. Conclusions: Nanofluids have an important effect on battery cooling. Optimizing nanoparticle concentration and flow dynamics can effectively improve thermal management strategies for lithium-ion battery systems.

Resumen Contexto: El rendimiento de refrigeración de una batería térmica desempeña un papel fundamental en su eficiencia, vida útil y seguridad. Esta importancia se debe al calor generado durante los procesos de carga y descarga. A medida que aumentan las temperaturas, las características clave de la batería se ven significativamente afectadas. Método: Utilizando el software de dinámica de fluidos computacional ANSYS Fluent, se realizó una simulación numérica 2D para estudiar el enfriamiento de una batería de iones de litio en presencia de nanofluidos. El flujo de nanofluidos se analizó utilizando el modelo de mezcla multifásica. Resultados: Se observó que la velocidad de entrada del refrigerante afecta significativamente la distribución de temperatura del módulo y la diferencia máxima de temperatura, donde las diferencias de temperatura prácticamente se estabilizan para velocidades de entrada superiores a 0.3 m/s. Se estudió el efecto del uso de nanofluidos con tres tipos diferentes de nanopartículas (alúmina, cobre y fullereno) dispersas en agua como fluido base. Los resultados muestran que la diferencia de temperatura en el módulo varía según la naturaleza y la fracción de volumen de las nanopartículas. La incorporación de nanofluidos produce una reducción significativa en la temperatura del módulo. Se observó que las nanopartículas de fullereno presentan un rendimiento de refrigeración superior al de otros tipos de nanopartículas. Por otro lado, una fracción de volumen de nanopartículas superior al 2 % da como resultado una distribución de temperatura prácticamente uniforme dentro del módulo, así como una reducción en la temperatura de la celda. Conclusiones: Los nanofluidos tienen un efecto importante en la refrigeración de las baterías. Optimizar la concentración de nanopartículas y la dinámica del flujo puede mejorar eficazmente las estrategias de gestión térmica de los sistemas de baterías de iones de litio.

Experimental Performance of a Two-Stage Cross-Coupled MOS-Based Circuit in the Solar and Piezoelectric Energy Harvesting

Abstract Context: Energy harvesting has positioned itself an emerging area of research due to recent developments in low-power electronics, the Internet of Things, and artificial intelligence. Various diode-based circuits and alternatives have been proposed in the literature, but the application of CMOS cross-coupled circuits, specifically in piezoelectric energy-harvesting systems, has not been properly explored. Method: An experimental study was conducted in order to assess the performance of a two-stage cross-couple MOS-based voltage multiplier in piezoelectric and solar energy harvesting. A piezoelectric disc was used to evaluate the output. The piezoelectric output was obtained by applying a small pressure to the input, and a 6 Vpanel was employed in the solar energy setup. Results: The proposed circuit provides a 1.91-fold voltage gain in the piezoelectric energy harvester. Conclusions: The two-stage MOS-based cross-coupled voltage multiplier circuit performs better than the diode-based alternative in the piezoelectric energy harvester. These experimental results show encouraging prospects for green energy, low-power electronics, and Internet of Things applications, among others.

Resumen Contexto: La recolección de energía se ha posicionado como un área de investigación emergente debido a los desarrollos recientes en electrónica de baja potencia, el Internet de las Cosas y la inteligencia artificial. La literatura ha propuesto diversos circuitos basados en diodos y otras alternativas, pero la aplicación de circuitos CMOS de tipo cross-coupled, específicamente en sistemas piezoeléctricos de recolección de energía, no ha sido explorada adecuadamente. Método: Se llevó a cabo un estudio experimental para evaluar el desempeño de un multiplicador de voltaje de dos etapas basado en transistores MOS tipo cross-coupled en la recolección de energía piezoeléctrica y solar. Se utilizó un disco piezoeléctrico para evaluar la salida. La señal piezoeléctrica se obtuvo aplicando una pequeña presión en la entrada, y en la configuración solar se empleó un panel de 6 V. Resultados: El circuito propuesto proporciona una ganancia de voltaje de 1.91 veces en el recolector de energía piezoeléctrica. Conclusiones: El circuito multiplicador de voltaje de dos etapas, basado en transistores MOS tipo cross-coupled, presenta un mejor desempeño que la alternativa basada en diodos en el recolector de energía piezoeléctrica. Estos resultados experimentales brindan perspectivas alentadoras para aplicaciones de energía verde, electrónica de baja potencia y el Internet de las Cosas, entre otras.

Integration of Systemic and Participatory Approaches in Decision-Making for the Achievement of SDG 7 in Rural Areas

Abstract Context: This article examines access to electrification in rural areas within the framework of Sustainable Development Goal 7 (SDG7), which seeks to ensure access to modern, affordable, and sustainable energy for all. It identifies common barriers to energy access in rural communities and highlights the limitations of conventional approaches, emphasizing the need for integrative and participatory decision-making processes in rural electrification projects. Method: This study proposes an integrative decision-making model based on design thinking, the systemic approach, participatory action research (PAR), and the principles of behavioral economics. This model prioritizes community participation and the cultural and contextual appropriateness of electrification solutions, supported by participatory tools such as empathy maps and digital surveys to identify both explicit and latent energy needs and preferences. Results: The results show that integrating participatory and behavioral approaches strengthens community governance, improves the acceptance of electrification systems, and optimizes the use of technical and financial resources. Active community engagement increases trust in energy solutions, while behavioral design strategies promote more efficient energy use without compromising user comfort. Additionally, participatory tools reveal non-obvious energy demands and social barriers often overlooked by purely technical assessments. Conclusions: The findings demonstrate that a successful rural electrification depends not only on technological solutions, but also on inclusive, context-aware decision-making processes. The proposed integrative model contributes to sustainable human development by enhancing the acceptance and long-term sustainability of electrification projects in rural areas.

Resumen Contexto: Este artículo examina el acceso a la electrificación en zonas rurales en el marco del Objetivo de Desarrollo Sostenible 7 (ODS7), que busca garantizar el acceso a energía moderna, asequible y sostenible para todos. Se identifican las barreras comunes en el acceso energético en comunidades rurales y se destacan las limitaciones de los enfoques convencionales, resaltando la necesidad de procesos de toma de decisiones integradores y participativos en los proyectos de electrificación rural. Método: Este estudio propone un modelo integrador de toma de decisiones basado en el design thinking, el enfoque sistémico, la investigación-acción participativa (IAP) y los principios de la economía del comportamiento. Este modelo prioriza la participación comunitaria y la adecuación cultural y contextual de las soluciones de electrificación, apoyándose en herramientas participativas como los mapas de empatía y las encuestas digitales para identificar necesidades y preferencias energéticas tanto explícitas como latentes. Results: Los resultados muestran que la integración de enfoques participativos y conductuales fortalece la gobernanza comunitaria, mejora la aceptación de los sistemas de electrificación y optimiza el uso de los recursos técnicos y financieros. La participación activa de las comunidades incrementa la confianza en las soluciones energéticas, mientras que las estrategias de diseño conductual promueven un uso más eficiente de la energía sin comprometer la comodidad del usuario. Asimismo, las herramientas participativas permiten identificar demandas energéticas no evidentes y barreras sociales que suelen ser ignoradas por evaluaciones exclusivamente técnicas. Conclusiones: Los hallazgos evidencian que el éxito de la electrificación rural no depende únicamente de soluciones tecnológicas, sino también de procesos de toma de decisiones inclusivos y sensibles al contexto. El modelo integrador propuesto contribuye al desarrollo humano sostenible al mejorar la aceptación y la sostenibilidad a largo plazo de los proyectos de electrificación en zonas rurales.

Modeling a Fixed-Bed System with Coal Volatiles Post-Combustion for Ceramic Kiln Firing

Abstract Context: It is estimated that, in Colombia, more than 1300 brick industries consume around 5800 Tcal/year, which are supplied by coal, biomass, wood, and gas combustion. The most commonly used kilns are down-draught, wherein coal combustion is produced on fixed-grate beds, emitting greenhouse gases and other pollutants. As a contribution to solving this problem, this work presents the model of a fixed-bed system with coal volatiles post-combustion. Method: Temperature, time, coal consumption, and combustion products were monitored in a down-draught kiln, in order to determine their mass, energy, and thermal efficiency balances. Coal characterization was performed under ASTM standards, ashes were determined via XRD, XRF, and TGA, and emissions were obtained using a gas analyzer. The thermodynamic model used to design the 3D reactor was based on coal-burning analysis. Results: The process lasted 3166 min, consuming 2150 kg of coal. The combustion gases exhibited a varying composition of CO2, CO, O2, and hydrocarbons. The temperature on the grate reached 900 °C, and we recorded 1000 °C in the dome and 600 °C at the chimney base. The temperature difference between the dome and the chimney base explains the heat transferred for ceramic baking. The calorific value of the char was 19.52% higher than that of the coal used. The composition of the ash showed silicon oxide, mullite, and goethite. The 3D model consists of a grate with preheater ducts for the secondary air post-combustion of the volatiles. Conclusions: The outcome of this research was the 3D model of a fixed-bed grate for coal combustion and volatiles post-combustion. With its implementation, we expect to improve air quality and reduce the effects of the process on human health, as well as its operating costs.

Resumen Contexto: Se estima que, en Colombia, más de 1300 industrias ladrilleras consumen alrededor de 5800 Tcal/año, provenientes de la combustión de carbón, biomasa, leña y gas. Los hornos más comunes son los de tiro descendente, en los cuales la combustión del carbón se realiza sobre parrillas fijas, emitiendo gases de efecto invernadero y otros contaminantes. Como contribución a la solución de este problema, este trabajo presenta el modelo de un sistema de lecho fijo con poscombustión de volátiles del carbón. Método: Se monitorearon la temperatura, el tiempo, el consumo de carbón y los productos de combustión en un horno de tiro descendente, a fin de determinar los balances de masa, energía y eficiencia térmica. La caracterización del carbón se realizó bajo las normas ASTM, las cenizas se analizaron mediante XRD, XRF y TGA, y las emisiones se determinaron utilizando un analizador de gases. El modelo termodinámico empleado para el diseño del reactor 3D se basó en el análisis de la combustión del carbón. Resultados: El proceso tuvo una duración de 3166 minutos, con un consumo de 2150 kg de carbón. Los gases de combustión presentaron una composición variable de CO2, CO, O2 e hidrocarburos. La temperatura en la parrilla alcanzó los 900 °C, y se registraron 1000 °C en la cúpula y 600 °C en la base de la chimenea. La diferencia de temperatura entre la cúpula y la base de la chimenea explica el calor transferido para la cocción de la cerámica. El poder calorífico del char fue 19.52 % superior al del carbón utilizado. La composición de las cenizas mostró la presencia de óxido de silicio, mullita y goethita. El modelo 3D consiste en una parrilla con conductos precalentadores para el aire secundario destinado a la poscombustión de los volátiles. Conclusiones: El resultado de esta investigación fue el modelo 3D de una parrilla de lecho fijo para la combustión de carbón y la poscombustión de volátiles. Con su implementación, se espera mejorar la calidad del aire y reducir los efectos del proceso sobre la salud humana, así como sus costos operativos.