TÓQUIO, JAPÃO – A maioria das pessoas não pensa muito nos restos de comida que joga fora; no entanto, pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio desenvolveram um novo método para reduzir o desperdício de alimentos, reciclando restos de frutas e vegetais descartados em materiais de construção robustos.

O desperdício de alimentos industriais e domésticos em todo o mundo chega a centenas de bilhões de dólares por ano, uma grande proporção dos quais consiste em restos comestíveis, como cascas de frutas e vegetais. Essa prática insustentável é cara e prejudicial ao meio ambiente, então os pesquisadores têm buscado novas maneiras de reciclar esses materiais orgânicos em produtos úteis.

“Nosso objetivo era usar algas marinhas e restos de comida comum para construir materiais que fossem pelo menos tão fortes quanto o concreto”, explica Yuya Sakai, a autora sênior do estudo. “Mas, como estávamos usando resíduos de alimentos comestíveis, também estávamos interessados ​​em determinar se o processo de reciclagem afetava o sabor dos materiais originais.”

Os pesquisadores pegaram emprestado um conceito de “prensagem a quente” que é normalmente usado para fazer materiais de construção a partir de pó de madeira, exceto que usaram restos de comida pulverizada e seca a vácuo, como algas marinhas, folhas de repolho e cascas de laranja, cebola, abóbora e banana como os pós constituintes. A técnica de processamento envolvia misturar o pó do alimento com água e temperos e, em seguida, prensar a mistura em um molde em alta temperatura. Os pesquisadores testaram a resistência à flexão dos materiais resultantes e monitoraram seu sabor, cheiro e aparência.

“Com exceção da amostra derivada da abóbora, todos os materiais excederam nossa meta de resistência à flexão”, disse Kota Machida, um colaborador sênior. “Também descobrimos que as folhas da couve chinesa, que produziam um material três vezes mais resistente do que o concreto, podiam ser misturadas com o material mais fraco à base de abóbora para fornecer um reforço eficaz.”

Os novos e robustos materiais mantiveram sua natureza comestível, e a adição de sal ou açúcar melhorou seu sabor sem reduzir sua resistência. Além disso, os produtos duráveis ​​resistiram à podridão, fungos e insetos, e não sofreram alterações apreciáveis ​​na aparência ou no sabor após a exposição ao ar por quatro meses.

Dado que o desperdício de alimentos é um fardo financeiro global e uma preocupação ambiental, é crucial desenvolver métodos para reciclar restos de alimentos. Usar essas substâncias para preparar materiais que são fortes o suficiente para projetos de construção, mas também mantêm sua natureza e sabor comestíveis, abre as portas para uma ampla gama de aplicações criativas de uma tecnologia.

O trabalho será publicado nos anais da 70ª Reunião Anual da Sociedade de Ciência de Materiais do Japão como “Desenvolvimento de Novo Material de Construção a partir de Resíduos de Alimentos”.

Fonte: Este comunicado à imprensa foi publicado originalmente no site do Instituto de Ciências Industriais da Universidade de Tóquio .

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Imagine um edifício inteiro de 20 andares em concreto que pode armazenar energia como uma bateria gigante. Graças à pesquisa exclusiva da Chalmers University of Technology, na Suécia, tal visão um dia poderá se tornar realidade. Pesquisadores do Departamento de Arquitetura e Engenharia Civil publicaram recentemente um artigo delineando um novo conceito para baterias recarregáveis ​​- feitas de cimento.

A necessidade cada vez maior de materiais de construção sustentáveis ​​apresenta grandes desafios para os pesquisadores. A Dra. Emma Zhang, ex-integrante da Chalmers University of Technology, na Suécia, juntou-se ao grupo de pesquisa do professor Luping Tang há vários anos para pesquisar os materiais de construção do futuro. Juntos, eles conseguiram desenvolver um conceito pioneiro mundial para uma bateria recarregável à base de cimento.

O conceito envolve primeiro uma mistura à base de cimento, com pequenas quantidades de fibras curtas de carbono adicionadas para aumentar a condutividade e a tenacidade à flexão. Então, embutida na mistura está uma malha de fibra de carbono revestida de metal – ferro para o ânodo e níquel para o cátodo. Depois de muita experimentação, este é o protótipo que os pesquisadores agora apresentam.

“Os resultados de estudos anteriores que investigaram a tecnologia de bateria de concreto mostraram um desempenho muito baixo, então percebemos que tínhamos que pensar fora da caixa, para encontrar outra maneira de produzir o eletrodo. Esta ideia particular que desenvolvemos – que também é recarregável – nunca foi explorada antes. Agora temos uma prova de conceito em escala de laboratório ”, explica a doutora Emma Zhang, anteriormente no Departamento de Arquitetura e Engenharia Civil da Chalmers University of Technology, e agora Cientista de Desenvolvimento Sênior na Delta da Suécia“ .

“Estamos convencidos de que este conceito é uma excelente contribuição para permitir que futuros materiais de construção tenham funções adicionais, como fontes de energia renováveis ​​”, diz Luping Tang, professor do Departamento de Arquitetura e Engenharia Civil da Chalmers University of Technology.

A pesquisa de Luping Tang e Emma Zhang produziu uma bateria recarregável à base de cimento com uma densidade de energia média de 7 watts por metro quadrado (ou 0,8 watts por litro). A densidade de energia é usada para expressar a capacidade da bateria, e uma estimativa modesta é que o desempenho da nova bateria Chalmers poderia ser mais de dez vezes o das tentativas anteriores de baterias de concreto. A densidade de energia ainda é baixa em comparação com as baterias comerciais, mas essa limitação pode ser superada graças ao grande volume no qual a bateria pode ser construída quando usada em edifícios.

Uma chave potencial para resolver problemas de armazenamento de energia

O fato de a bateria ser recarregável é sua qualidade mais importante, e as possibilidades de utilização se o conceito for desenvolvido e comercializado são quase surpreendentes. O armazenamento de energia é uma possibilidade óbvia, o monitoramento é outra. Os pesquisadores veem aplicações que podem variar desde alimentar LEDs, fornecer conexões 4G em áreas remotas ou proteção catódica contra corrosão em infraestrutura de concreto.

“Também poderia ser acoplado a painéis de células solares, por exemplo, para fornecer eletricidade e se tornar a fonte de energia para sistemas de monitoramento em rodovias ou pontes, onde sensores operados por uma bateria de concreto poderiam detectar rachaduras ou corrosão”, sugere Emma Zhang.

O conceito de utilizar estruturas e edifícios desta forma pode ser revolucionário, pois ofereceria uma solução alternativa à crise energética, ao disponibilizar um grande volume de armazenamento de energia.

O concreto, que é formado pela mistura de cimento com outros ingredientes, é o material de construção mais usado no mundo. Do ponto de vista da sustentabilidade, está longe de ser o ideal, mas o potencial de adicionar funcionalidade pode oferecer uma nova dimensão. Comentários de Emma Zhang:

“Temos a visão de que, no futuro, essa tecnologia poderá permitir seções inteiras de edifícios de vários andares feitos de concreto funcional. Considerando que qualquer superfície de concreto poderia ter uma camada deste eletrodo embutida, estamos falando de enormes volumes de concreto funcional. ”

Os desafios permanecem com os aspectos de vida útil

A ideia ainda está em um estágio muito inicial. As questões técnicas que ainda precisam ser resolvidas antes que a comercialização da técnica seja uma realidade incluem a extensão da vida útil da bateria e o desenvolvimento de técnicas de reciclagem. “Como a infraestrutura de concreto geralmente é construída para durar cinquenta ou até cem anos, as baterias precisariam ser refinadas para corresponder a isso ou para serem mais fáceis de trocar e reciclar quando sua vida útil terminar. Por enquanto, isso oferece um grande desafio do ponto de vista técnico ”, diz Emma Zhang.

Mas os pesquisadores estão esperançosos de que sua inovação tenha muito a oferecer. “Estamos convencidos de que este conceito é uma grande contribuição para permitir que os futuros materiais de construção tenham funções adicionais, como fontes de energia renováveis”, conclui Luping Tang.

Referência: “Bateria de concreto recarregável” por Emma Qingnan Zhang e Luping Tang, 9 de março de 2021, Edifícios.
DOI: 10.3390/buildings11030103

O projeto de pesquisa foi financiado pela Agência Sueca de Energia (Energimyndigheten).

Mais informações técnicas sobre a bateria recarregável à base de cimento

Os pesquisadores desenvolveram um protótipo para uma bateria recarregável à base de cimento, com uma densidade de energia média de 7 Wh / m2 (ou 0,8 Wh / L) durante seis ciclos de carga e descarga. Eles testaram várias combinações para os eletrodos e descobriram que um ânodo de ferro e um cátodo de óxido à base de níquel produziam os melhores resultados. A condutividade da mistura à base de cimento para o eletrólito foi aumentada pela adição de fibras curtas de carbono, experimentando com diferentes proporções para encontrar uma mistura ótima de cerca de 0,5% de fibra de carbono.

Fonte: Chalmers University of Technology – 18 de maio de 2021

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O concreto consiste em duas partes: o agregado (normalmente feito de areia e cascalho) e o cimento (responsável por 8% do total das emissões globais de CO₂ ). Apesar de haver uma grande quantidade de areia no mundo, a disponibilidade de areia para a produção de concreto é bastante limitada porque as partículas de areia devem ter uma distribuição de tamanho específica para fornecer fluidez ao concreto.

“No concreto, o cimento é usado para unir areia e cascalho. Alguns pesquisadores estão investigando como mais cimento pode ser substituído por outros materiais, como cinzas volantes e escória de alto-forno, para reduzir as emissões de CO₂ , mas essa abordagem é insustentável porque o fornecimento desses materiais está diminuindo devido ao uso reduzido dos sistemas de energia térmica e ao aumento do uso de aço para fornos elétricos “, explica Yuya Sakai, principal autor. Portanto, uma nova abordagem é necessária para produzir concreto a partir de materiais inesgotáveis ​​com menos carga ambiental. “Os pesquisadores podem produzir tetraalcoxissilano a partir da areia, por meio de uma reação com álcool e um catalisador removendo a água, que é um subproduto da reação. Nossa ideia era deixar a água para mudar a reação de areia para tetraalcoxissilano, para unir as partículas de areia entre si. “

Os pesquisadores colocaram um copo feito de folha de cobre em um recipiente de reação com areia e materiais, e variaram sistematicamente as condições de reação, como as quantidades de areia, álcool, catalisador e agente de desidratação; a temperatura de aquecimento; e o tempo de reação. Encontrar a proporção certa de areia e produtos químicos foi fundamental para obter um produto com resistência suficiente.

“Obtivemos produtos suficientemente fortes com, por exemplo, areia de sílica, contas de vidro, areia do deserto e areia da lua simulada”, diz o segundo autor Ahmad Farahani. “Essas descobertas podem promover um movimento em direção a uma indústria de construção mais ecológica e econômica em todos os lugares da Terra. Nossa técnica não requer partículas de areia específicas usadas na construção convencional. Isso também ajudará a resolver as questões de mudança climática e desenvolvimento espacial.”

Além disso, é provável que o produto tenha uma durabilidade melhor do que o concreto convencional, porque a pasta de cimento que é relativamente fraca contra o ataque químico e exibe grandes variações de volume devido à temperatura e umidade, não está incluída no produto.

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Ninho de pássaro inspira engenheiros a construir novos tijolos a partir de resíduos de plástico. O Dr. Karthikeyan Kandan, professor sênior de engenharia mecânica da Universidade De Montfort Leicester (DMU), criou um novo tijolo feito inteiramente com resíduos de plástico reciclados.

Acredita-se que seja o primeiro de seu tipo, o tijolo é construído usando tecnologias de impressão 3D e arquitetura de treliça, que envolvem tiras cruzadas dos materiais plásticos para formar uma grade ou entrelaçado.

O design é inspirado na natureza, depois que o Dr. Kandan examinou a estrutura do ninho do pássaro tecelão Baya; conhecido por sua construção elaboradamente tecida.

“A engenhosa construção do ninho de pássaro tecelão Baya oferece excelente isolamento térmico e propriedades mecânicas para a habitação”, explicou o Dr. Kandan.

“No interior, existe uma câmara central de nidificação, tornado-o um microclima ideal para a habitação. Ao replicar essa estrutura, fabricamos um tijolo que melhora a eficiência energética de edifícios modernos, e portanto, pode reduzir a pegada de carbono.”

Saad Alqahtani, um estudante de doutorado do primeiro ano da DMU, realizou experimentos controlados sobre os tijolos de plástico, sob supervisão conjunta dos dr. Kandan e Farukh – também professor sênior de engenharia mecânica da universidade.

Para testar suas características de isolamento térmico, Saad colocou o tijolo em um calorímetro de caixa quente – um equipamento usado para medir o valor U de um objeto, que pode ser configurado para simular o padrão regulatório para edifícios.

O valor U é uma medida do fluxo de calor através de um material isolante ou de construção: quanto menor o valor U, melhor a capacidade de isolamento.

Os resultados mostraram que o novo design forneceu um impressionante valor U de 0,25 Watts por metro Kelvin (W/m²K). Isso é 10 vezes mais eficaz que um tijolo de argila, que fornece uma média de 2,94 W/m²K.

Tradicionalmente, são necessários vários blocos de construção para atingir o valor U padrão regulamentar; no entanto, o tijolo de plástico recém-projetado pode conseguir isso sozinho.

“Nosso tijolo, feito com todos os tipos de lixo plástico doméstico – de tampas de xícaras de café a garrafas de plástico – exibe um enorme envelope térmico sobre os materiais de construção convencionais”, disse o Dr. Kandan.

Um envelope de construção refere-se aos elementos exteriores que protegem a propriedade e seus habitantes dos elementos e também contribui para manter o edifício estruturalmente sólido.

“Isso oferece um potencial significativo não apenas para melhorar a eficiência energética de edifícios modernos, mas também para economizar espaço e reduzir o peso morto em edifícios de vários andares”, acrescentou o Dr. Kandan.

Saad, que recebeu uma bolsa de doutorado da DMU para concluir este trabalho com Kandan e Farukh, disse que seus tijolos podem levar a uma nova era de construção com economia de energia, e ao mesmo tempo, lidar com a questão da poluição por plásticos.

“Nosso trabalho demonstrou que os tijolos impressos em 3D feitos com resíduos de plásticos domésticos são termicamente muito superiores aos tijolos existentes no mercado”, explicou. “Esse avanço pode literalmente nos ajudar a construir o futuro.”

Este projeto marca a segunda vez este ano que o Dr. Kandan foi reconhecido por seu trabalho em redirecionar resíduos de plástico. Em agosto, ele ganhou as manchetes ao criar um soquete protético de membro feito de garrafas de água de plástico reciclado para pacientes amputados.

Saad, que também concluiu seu mestrado na DMU, ​​foi convidado a mostrar seu trabalho no prestigiado 39º Workshop Internacional de Mecânica Computacional de Materiais em Dubrovnik, Croácia, em setembro.

“Foi uma ótima oportunidade para conhecer especialistas do setor e contar às pessoas sobre o nosso trabalho“, disse ele. “O próximo passo é colocar o tijolo em produção comercial, o que esperamos fazer até o final do ano.”

O Dr. Kandan acrescentou: “É fantástico ver um de nossos próprios alunos de doutorado assumindo a liderança neste projeto e compartilhando nossos resultados em uma plataforma internacional.”

“Há uma demanda constante por materiais de construção energeticamente eficientes, por isso é muito empolgante saber que o nosso tijolo pode superar o isolamento térmico de materiais de construção padrão em uma ordem de magnitude.”

“Como se trata de um projeto de pesquisa em andamento, o tijolo e o processo para criá-lo fornecem uma excelente base de trabalho que pode ser construída no futuro, portanto esse não é necessariamente o produto final nesta fase. Estamos atualmente no processo de criação de novos protótipos em laboratório, que serão testados em ambientes reais, por isso esperamos ter atualizações mais emocionantes por vir.”

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Franziska Grüneberger parece contente; segurando na mão um cubo indescritível feito de flocos cinzentos, a pesquisadora do laboratório para materiais aplicados de madeira alcançou seu objetivo: pouquíssima química entrou no cubo, mas não havia falta de conhecimento técnico. O pequeno objeto é a prova “viva” de que montanhas gigantes de resíduos de papel podem ser transformadas em um valioso material isolante ao fogo – um grande passo para economizar combustíveis fósseis. Não que alguém pudesse dizer apenas olhando para ele.

O segredo está no que o cubo de fibra de papel reciclado não faz: desintegrar-se. Essa propriedade é importante para oferecer proteção de longo prazo contra incêndio para elementos de suporte de carga em casas de madeira. Precisamente essa firmeza, no entanto, é difícil de obter na produção industrial de camadas isolantes. “Não estamos lidando aqui com tapetes isolantes, que os trabalhadores precisam cortar no tamanho, forma e encaixar nos componentes”, explica Grüneberger. “Em vez disso, as fibras de papel recicladas são automaticamente sopradas em uma cavidade até que sejam completamente preenchidas.” Por razões de custo, esse sopro deve ocorrer o mais fácil e rápido possível, e é por isso que as fibras precisam fluir bem neste momento. Assim que estiverem na cavidade, no entanto, elas devem manter sua forma para proteger a construção em caso de incêndio. Por fim, o isolamento soprado pela máquina deve ser duro e preencher o formato no componente como um painel isolante montado à mão. Só assim eles podem evitar o calor do fogo por tempo suficiente e impedir que a construção queime muito rápido.

Isso não é tarefa fácil: “Tivemos que procurar um aglutinante praticamente mágico para as fibras de celulose isofloc já estabelecidas no mercado – um material que idealmente funcione de um segundo para outro”, diz Grüneberger. Ela estala os dedos como um mágico; tudo o que falta é murmurar “abracadabra”

Um Tour de Force da Química.

O projeto em colaboração com a isofloc, fabricante de materiais de isolamento, começou na primavera de 2017. Franziska Grüneberger e seu colega Thomas Geiger começaram a procurar agentes aglutinantes adequados – um tour de force da química, logo se tornou aparente. Afinal, apenas aqueles que se aventuram confiantes neste terreno encontrarão ouro.

A primeira restrição: para uso na construção sustentável de madeira, o agente ligante deve ser não-tóxico – uma substância que possa entrar em contato com os seres humanos permanentemente sem causar problemas. Os materiais auxiliares da indústria têxtil, de papel, de cosméticos e de alimentos – ou substâncias da natureza – são fortes candidatos. A segunda restrição: o agente de ligação desejado precisa ser acessível e disponível em abundância.

“Juntamente com Willi Senn, engenheiro de desenvolvimento da isofloc, lançamos uma série de experimentos e combinamos as fibras isolantes com diferentes aditivos ”, lembra Grüneberger. Paralelamente, eles procuraram a “pistola de partida” certa para prender as fibras em um piscar de olhos. Aquecimento com vapor? Com radiação infravermelha? Usando indução magnética? Finalmente, eles encontraram o material cobiçado de uma longa série de “suspeitos”: uma substância da indústria de alimentos. Experimentos de laboratório na Empa e isofloc em Bütschwil também mostraram uma ligação confiável entre a estrutura de flocos de celulose durante um incêndio.

Mas isso também funciona em larga escala? Um teste de aumento de escala forneceu as evidências: os flocos foram soprados em várias molduras de madeira, ao lado de uma cavidade idêntica com flocos sem o novo aditivo, e montados usando a técnica usual. Agora era hora de ir ao laboratório de bombeiros da VKF ZIP AG, onde as molduras de madeira estavam expostas a chamas em temperaturas de 800 a 1.000 graus por uma hora. A moldura de madeira não deveria queimar a qualquer momento, nem deveriam cair flocos em brasa. O novo material de isolamento resistiu ao teste e protegeu a construção de maneira confiável, enquanto os flocos sem o aditivo caíram da estrutura de madeira por falta de aderência.

Jon-Anton Schmidt, chefe de tecnologia de aplicação da isofloc AG, explica as vantagens: “A instalação do material isolante em forma solta economiza uma quantidade enorme de tempo. Com a vantagem adicional de estabilidade dimensional e a eficácia associada à segurança contra incêndio, podemos obter uma proteção equivalente aos tapetes de lã mineral colados. Isso torna esse isolamento ecológico e eficiente ainda mais interessante para a indústria da construção. ”

Nova geração de sistemas de isolamento industriais

A etapa final de desenvolvimento está ocorrendo agora na isofloc, onde técnicos e engenheiros mecânicos precisam desenvolver uma nova geração de máquinas de sopro a partir dos protótipos existentes, que atendem aos requisitos de repetibilidade e controle de qualidade. A dosagem do agente aglutinante é crucial aqui. Ele precisa ser respeitado e monitorado em tolerâncias estreitas em todas as etapas da produção.

Segundo o cálculo da isofloc, o novo isolamento chegará ao mercado juntamente com as máquinas de sopro correspondentes em cerca de um ano. Montanhas de resíduos de papel serão então transformadas em um valioso material isolante que não apenas ajuda a economizar grandes quantidades de combustíveis fósseis durante a produção e o uso; como o único material isolante solto no mercado, também pode ser usado industrialmente para proteção efetiva contra incêndios.

Fonte: https://www.empa.ch/web/s604/isofloc

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Transferência Térmica – A facilidade com que o calor desloca-se por uma casa e seu envoltório exterior afeta consideravelmente os fatores de saúde e conforto de uma casa.

Fluxo de Ar – Fuga de ar, um problema tanto para as casas novas como as já existentes que pode contribuir com mais de 30% dos custos com aquecimento e refrigeração, criar problemas de conforto e umidade ou puxar poluentes como o mofo nas casas.

Fluxo de Umidade – Existem quatro modalidades preliminares para migração de umidade em nossas casas; umidade de intempéries, capilaridade, infiltração, e difusão.

Transferência Térmica

A facilidade com que o calor desloca-se por uma casa e seu envoltório exterior afeta consideravelmente os fatores de saúde e conforto de uma casa. Os três principais modos de transferência de calor são condução, convecção, e radiação.

Fluxo de Ar

Fuga de ar, um problema tanto para as casas novas como as já existentes que pode contribuir com mais de 30% dos custos com aquecimento e refrigeração, criar problemas de conforto e umidade ou puxar poluentes como o e mofo nas casas.

• Buracos – quanto maior o buraco, maior a fuga de ar. Grandes buracos devem ter prioridade nos esforços para selagem do ar.
• Força Motriz – uma diferença de pressão que força o fluxo do ar através de um buraco. Buracos que possuem uma força motriz mais forte e contínua devem têm maior prioridade.

As Forças Motrizes comuns incluem:

Vento

O Vento é geralmente considerado a principal força motriz para a fuga de ar. Quando o vento sopra contra um edifício, ele cria uma zona de alta pressão nas áreas de barlavento (lado por onde entra o vento). O ar exterior a partir do lado do barlavento infiltra no edifício enquanto sai ar no lado do sotavento (lado por onde sai o vento). O vento atua para criar zonas de pressão diferencial que causam tanto infiltração como exfiltração. O grau em que o vento contribui para a fuga de ar depende de sua velocidade e duração.

Fluxo de Umidade

Existem quatro modalidades preliminares para migração de umidade em nossas casas; umidade de intempéries, capilaridade, infiltração, e difusão.

Águas de Chuva

Umidade de Intempéries é o fluxo de umidade através de buracos, rachaduras, ou lacunas. A principal fonte é a chuva, mas podem incluir vazamentos em canalizações e infiltração das águas subterrâneas. Uma construção de qualidade com materiais duráveis pode controlar a umidade por intempéries – o mais importante dos quatro modos de migração de umidade.

• Falha na Impermeabilização do Telhado,
• Drenagem Inadequada, e
• Má qualidade das guarnições e molduras ou juntas de calafetagem no exterior da construção. (tais como janelas, portas, pisos e revestimentos)

Infiltração

Infiltração é a transferência de umidade através da circulação do ar. O controle da infiltração é especialmente importante em climas úmidos. Juntas e penetrações não seladas permitem que o ar contendo vapor d’água flua para as áreas fechadas. A criação de um Sistema de Barreira de Ar e o fechamento de todas as vias circulação do ar através do contexto do edifício pode controlar a infiltração.

As causas incluem fugas de ar através de buracos, rachaduras, vazamentos e outros entre:

• Ar Interior e Cavidades no interior das paredes,
• Ar Interior e Sótãos,
• Ar Exterior e Ar Interior, acrescentando umidade ao ar interior durante o Verão,
• Espaços Vazios e Ar Interior.

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