Synthesis and characterization of artificial aggregates and their potential applications in road construction

L’obiettivo del progetto è stato quello di realizzare ed analizzare aggregati artificiali creati attraverso geopolimerizzazione e macro-incapsulazione di paraffina in aggregati leggeri espansi, discutendo i loro possibili impieghi nelle pavimentazioni stradali. Dopo un'accurata calibrazione delle miscele geopolimeriche, sono stati realizzati degli aggregati artificiali, in seguito caratterizzati in accordo con la norma UNI EN 10343, con l'intento di sostituire materiali stradali vergini. Contemporaneamente, sono stati prodotti aggregati leggeri impregnati di paraffina (PCM), in grado di cambiare fase una volta raggiunti all'incirca i 3 °C, e successivamente rivestiti da due strati di resina poliestere e polvere di granito, denominati PLA: sfruttandone le proprietà termiche, si è valutato il loro possibile utilizzo come soluzione anti-icing. L’ultima fase della ricerca è stata incentrata nella realizzazione di aggregati geopolimerici espansi e molto porosi che potessero contenere una elevata quantità di PCM, sostituendo l'argilla espansa utilizzata nella produzione degli PLA.

Studio di fattibilita’ per lo sfruttamento geotermico delle gallerie del Brennero

Il calore contenuto in profondità negli ammassi rocciosi può essere estratto attraverso un sistema geotermico che prevede l’inserimento di tubazioni in corrispondenza del rivestimento del tunnel, all'interno del quale circola un fluido termovettore che assorbe calore dalle pareti circostanti. Il caso di studio analizzato è la Galleria di Mules, un tunnel scavato in metodo tradizionale all'interno del Granito di Bressanone, che funge come unica finestra di accesso sul lato italiano alla Galleria di Base del Brennero (BBT). Essa si sviluppa in direzione ovest-est per una lunghezza pari circa a 1780 m. In fase di esercizio. Attraverso una caratterizzazione geologica e idrogeologica dell’area di interesse, prove di laboratorio su campioni e rilevazioni delle temperature all’interno della galleria, è stato possibile delineare un quadro geotermico dell’area di interesse. I dati raccolti hanno permesso di ricavare un modello 3D delle temperature dell’area e, attraverso un’apposita procedura di calcolo, quantificare il potenziale energetico estraibile dal tratto di galleria considerato. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato realizzato uno schema dettagliato della disposizione del circuito sorgente, adattato sul progetto definitivo del rivestimento interno alla Galleria di Mules. In assenza di potenziali utenze termiche nelle vicinanze del portale di accesso, si è ipotizzato di destinare la risorsa geotermica ad una pavimentazione stradale dotata di sistema snow and ice melting. La pavimentazione permetterà il collegamento fra la strada SS12 e l’imbocco del tunnel. E’ stata effettuata una stima dei costi di investimento dell’intero sistema a pompa di calore e, sulla base del fabbisogno energetico dell’utenza considerata, sono stati valutati i costi di esercizio, confrontandoli con altre possibili soluzioni. Lo studio ha dimostrato la fattibilità tecnico-economica di soluzioni di questo tipo e si pone come primo passo per approfondimenti futuri.

Idrochimica delle acque interstiziali e scambi acqua / sedimento nell'invaso di Ridracoli

Uno degli aspetti più influenti sulla qualità chimica e biologica dell’acqua di laghi e invasi, caratteristico del bacino di Ridracoli, è rappresentato dalla stratificazione termica, un processo di formazione di volumi d’acqua a diversa densità che può verificarsi allorquando, in alcune circostanze e, nello specifico, durante la stagione estiva, si instauri una condizione stabile in cui l’acqua riscaldata dalla radiazione solare sovrasta quella più fredda e densa del fondo. Una delle conseguenze di tali variazioni termiche è che esse inducono cambiamenti nei livelli di ossigeno disciolto, favorendo l’instaurarsi di processi di degradazione anaerobica della materia organica e determinando la formazione di un chimismo ostile per l’attività biologica. I cicli stagionali, redox-dipendenti, di Ferro e Manganese tra la colonna d’acqua e i sedimenti sono caratteristici di questi ambienti ed una loro risospensione in forma disciolta è stato rilevato nell’ipolimnio dell’invaso di Ridracoli, stagionalmente anossico. Questo studio, collocato all’interno di un ampio progetto finanziato da Romagna Acque Società delle Fonti S.p.A. con la Facoltà di Scienze Ambientali – Campus di Ravenna ed il CNR-ISMAR, si è posto come obiettivo l’individuazione dei fattori che controllano la distribuzione e la mobilità degli elementi chimici all’interno del sistema acqua-sedimento dell’invaso di Ridracoli ed è articolato in tre diverse fasi: • Indagine della composizione chimica del sedimento; • Analisi ed interpretazione della composizione chimica delle acque interstiziali • Stima del flussi attraverso l’interfaccia acqua-sedimento mediante l’utilizzo di una camera bentica e l’applicazione della prima legge di Fick sulla diffusione. Al termine del lavoro è stato possibile ricostruire un quadro diagenetico generale contraddistinto da una deplezione degli accettori di elettroni principali (O2 e NO3-) entro i primi millimetri di sedimento, da un consumo immediato di SO42- e da una graduale riduzione degli ossidi di Mn (IV) e Fe (III), con formazione di gradienti negativi ed il rilascio di sostanze disciolte nella colonna d’acqua.

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) per applicazioni geomatiche

La tesi tratta i dispositivi UAV, in particolare i droni di peso inferiore ai 25 kg, facendo riferimento alla normativa ENAC. Vengono descritte le applicazioni pratiche in campo civile, concentrandosi sulle geomatiche, delineando i principali sensori esterni utilizzati come Camere digitali, termiche e multispettrali.

Analisi di un impianto solare termico a circolazione forzata per la produzione di acqua calda sanitaria in un condominio

Il presente elaborato propone un’analisi in regime dinamico mediante il software di simulazione TRNSYS di un impianto solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria istallato in un condominio a Bologna. Le simulazioni rappresentano una particolare tipologia di esperimento numerico e possono fornire lo stesso tipo di informazioni sulle performance termiche dei comuni esperimenti fisici. Esse possono valutare gli effetti delle variabili di progetto sulle performance del sistema attraverso una serie di esperimenti, eseguiti tutti in identiche condizioni metereologiche e di carico. Le variabili di progetto esaminate in questo documento mediante simulazione sono l’inclinazione e orientamento del collettore, la superficie captante totale istallata, il volume di accumulo e la portata massima del circuito solare. Le analisi esposte sono un esempio dei risultati che un approccio simulativo può garantire; nel nostro caso, in particolare, le simulazioni hanno confermato la bontà dei criteri di dimensionamento degli impianti solari termici che è possibile incontrare in letteratura. Il presente elaborato si propone inoltre di discutere i benefici, ambientali ed economici, legati all’investimento proposto. L’analisi economica, in particolare, è stata eseguita a seconda dell’impianto tradizionale da affiancare, del diverso costo dell’impianto, di differenti valori di superficie captante e considerando o meno gli incentivi fiscali offerti: per questa valutazione è stato nuovamente necessario l’ausilio del software di simulazione.

Strumenti e metodi per la tracciabilità della catena logistica agroalimentare: simulazione e diagnostica di una camera climatica

I fenomeni di globalizzazione in atto hanno radicalmente modificato il consumo e la distribuzione dei prodotti agroalimentari e dilatato le distanze tra l’origine delle materie prime e consumo finale. Obiettivo del progetto interuniversitario "Food Supply Chain" è studiare le condizioni di trasporto di prodotti agroalimentari. Una delle attività principali è tracciare ed analizzare i fattori critici di spedizioni dal momento in cui i prodotti lasciano lo stabilimento produttivo in Italia fino ai consumatori situati in EU o extra-EU. La tesi si inserisce all’interno di questo progetto e descrive la realizzazione di due Piattaforme in ambiente LabVIEW per la consultazione e la simulazione dei viaggi logistici, le cui caratteristiche sono conservate e organizzate in appositi database. La "Piattaforma LabVIEW per la consultazione a analisi" permette di consultare il database attraverso interrogazioni multiple, estrarre le informazioni più significative, riprodurre le spedizioni in apposite interfacce e produrre dei report riassuntivi per comunicazioni alle imprese La "Piattaforma LabVIEW per la simulazione in camera climatica" rappresenta il sistema di controllo attraverso cui gestire la simulazione dei singoli viaggi in camera climatica, realizzata nel Laboratorio MECCANICA del DIN della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna. Si potranno così valutare e comparare tra loro soluzioni alternative rispetto ad una medesima catena logistica in termini di packaging, imballaggio e protezioni supplementari della spedizione. Infine si potranno confrontare rotte commerciali differenti relative allo stesso prodotto. I risultati ottenuti in camera climatica costituiranno la base per le successive analisi biochimiche sui prodotti e valutazione finale della sostenibilità dell’intera catena logistica.

Analisi tecnico-economica di interventi di riqualificazione energetica in un plesso scolastico

Gli interventi di riqualificazione energetica di un edificio risultano necessari per rispondere alle leggi europee e nazionali che impongono misure sempre più stringenti per limitare le dispersioni termiche degli edifici e per ridurre i consumi energetici. L’utilizzo del software Edilclima ha permesso lo studio e l’analisi delle condizioni pre e post-interventi dell’edificio scolastico G. Marconi sito in Castelfranco Emilia (MO). Per mezzo del modello creato nel software, sono state determinate le dispersioni termiche dell’edificio, sulla base delle quali è stato possibile definire alcuni interventi di efficientamento energetico. Gli interventi considerati sono stati: isolamento delle pareti perimetrali verso l’esterno e verso il terreno, isolamento del sottotetto, sostituzione degli infissi. Gli interventi sono necessari per ottenere un edificio che presenti caratteristiche conformi alle leggi; hanno lo scopo di ridurre l’indice di Prestazione Energetica e i costi per il riscaldamento dell’edificio. Gli indici su cui si è valutata la convenienza degli interventi sono stati: il risparmio in termini di costo annuo per il riscaldamento e il tempo di ritorno dell’investimento (payback time). Sono stati presi in considerazione i casi di interventi singoli e di interventi combinati, il confronto tra essi, in questo caso, definisce gli interventi combinati come maggiormente convenienti rispetto ai parametri presi in considerazione per la valutazione della convenienza. Le valutazioni, inoltre, sono state effettuate in due diversi condizioni: impianto con accensione continua (sul modello delle valutazioni per la Certificazione Energetica) e impianto con accensione intermittente (sul modello delle valutazioni per la Diagnosi energetica). Le due condizioni di prova hanno messo in luce l’importanza della valutazione con impianto intermittente poiché questa rappresenta una condizione più realistica e fornisce una stima più attendibile della convenienza degli interventi.

Analisi del ciclo di lavorazione di un compound polimerico

La tesi riguarda il ciclo di lavorazione di un compound polimerico realizzato dall'impresa forlivese So.F.Ter. . Il prodotto in esame, Polifor E 30 TR/20 UV Nero, è un tecnopolimero a base di polipropilene utilizzato nel settore dell'automobile per la realizzazione del fascione sottoporta e del passaruota. La tesi si sviluppa su tre capitoli attraverso i quali si descrivono, nel primo capitolo, le materie plastiche in generale e i prodotti realizzati dall'impresa, nel secondo capitolo il ciclo di lavorazione completo partendo dalla fase di miscelazione arrivando all'estrusione e al taglio nei granuli plastici. Infine nel terzo capitolo si rappresentano le analisi fisiche, meccaniche e termiche realizzate in laboratorio.

Proprietà di conduzione elettrica in campioni di grafene poroso

Il grafene, allotropo del carbonio costituito da un reticolo bidimensionale, è uno dei nanomateriali più promettenti allo stato attuale della ricerca nei campi della Fisica e della Chimica, ma anche dell'Ingegneria e della Biologia. Isolato e caratterizzato per la prima volta nel 2004 dai ricercatori russi Andre Geim e Konstantin Novoselov presso l'Università di Manchester, ha aperto la via sia a studi teorici per comprendere con gli strumenti della Meccanica Quantistica gli effetti di confinamento in due dimensioni (2D), sia ad un vastissimo panorama di ricerca applicativa che ha l'obiettivo di sfruttare al meglio le straordinarie proprietà meccaniche, elettriche, termiche ed ottiche mostrate da questo materiale. Nella preparazione di questa tesi ho personalmente seguito presso l'Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM) del CNR di Bologna la sintesi mediante Deposizione Chimica da Fase Vapore (CVD) di grafene "tridimensionale" (3D) o "poroso" (denominato anche "schiuma di grafene", in inglese "graphene foam"), ossia depositato su una schiuma metallica dalla struttura non planare. In particolare l'obiettivo del lavoro è stato quello di misurare le proprietà di conduttività elettrica dei campioni sintetizzati e di confrontarle con i risultati dei modelli che le descrivono teoricamente per il grafene planare. Dopo un primo capitolo in cui descriverò la struttura cristallina, i livelli energetici e la conduzione dei portatori di carica nel reticolo ideale di grafene 2D (utilizzando la teoria delle bande e l'approssimazione "tight-binding"), illustrerò le differenti tecniche di sintesi, in particolare la CVD per la produzione di grafene poroso che ho seguito in laboratorio (cap.2). Infine, nel capitolo 3, presenterò la teoria di van der Pauw su cui è basato il procedimento per eseguire misure elettriche su film sottili, riporterò i risultati di conduttività delle schiume e farò alcuni confronti con le previsioni della teoria.

Analisi sperimentale delle prestazioni di un sistema micro-ORC

Con l’aumento del consumo mondiale di risorse energetiche del pianeta, è diventato sempre più necessario utilizzare sistemi energetici che sfruttino al meglio la fonte di energia che li alimenta. Una delle soluzioni in questo ambito è quella proposta dagli Organic Rankine Cycle (ORC). Questi sistemi recuperano energia termica altrimenti non utilizzabile per le temperature troppo basse e sfruttano sorgenti termiche con ampi range di temperatura. L’elaborato volge all’analisi sperimentale delle prestazioni di un sistema Micro-ORC di piccola taglia, con rendimento termodinamico massimo dichiarato dal costruttore del 10 %. Inizialmente vengono descritti i fluidi organici e i sistemi che ne fanno uso, descrivendo anche esempi bibliografici di banchi prova per interpretare al meglio i risultati ottenuti con quello disponibile, che viene poi descritto, comprendendo i circuiti di asservimento dell’acqua calda e fredda, i punti di misura e il programma di acquisizione dati. Ci si concentra poi sulla descrizione e l’utilizzo dei codici implementati per l’elaborazione dei dati acquisiti. Questi hanno permesso di osservare gli andamenti temporali delle grandezze fondamentali per il sistema e valutarne la ripetibilità del comportamento nel corso di differenti prove. Vengono proposte infine le mappe di funzionamento per l’intero impianto e per i vari sotto-sistemi, offrendone un’interpretazione e inquadrandone i punti di lavoro ottimali. Attraverso la loro osservazione si sono dedotte le condizioni necessarie per avere un funzionamento ritenuto stabile del sistema ed è stato possibile ottimizzare le procedure svolte durante le fasi di test e di acquisizione dati. Sarà oggetto di studi futuri l’ottimizzazione dell’impianto, prolungando i tempi di esercizio a parità di carico elettrico e frequenza imposta alla pompa, con il fine di ottenere delle curve di prestazioni confrontabili con quelle presenti in bibliografia per altri sistemi ORC.

Rilievo fotogrammetrico da drone per la generazione di modelli termici di porzioni di territorio

In questo elaborato viene sperimentato un iter processuale che consenta di utilizzare i sensori termici affiancati a fotocamere digitale in ambito fotogrammetrico al fine di ottenere prodotto dal quale sono estrapolabili informazioni geometriche e termiche dell’oggetto di studio. Il rilievo fotogrammetrico è stato svolto mediante l’utilizzo di un drone con equipaggiamento multisensoriale, termico e digitale, su una porzione di territorio soggetto ad anomalie termiche nei pressi di Medolla (MO). Per l’analisi termica e geometrica sono stati posizionati sul campo 5 target termici di cui ne sono state misurate le coordinate per la georeferenziazione delle nuvole dense di punti e la temperatura. In particolare sono state eseguite due riprese aeree dalle quali sono stati estratti i frame necessari per i processi di restituzione fotogrammetrica. Le immagini sono state sottoposte ad una fase di trattamento che ha prodotto immagini rettificate prive di delle distorsioni impresse dall’obbiettivo. Per la creazione degli elaborati vettoriali e raster a colori e termici sono stati impiegati inizialmente software di fotogrammetria digitale in grado di fornire scene tridimensionali georeferenziate dell’oggetto. Sono state sviluppate sia in un ambiente open-source, sia sfruttando programmi commerciali. Le nuvole dense sono state successivamente trattate su una piattaforma gratuita ad interfaccia grafica. In questo modo è stato possibile effettuare dei confronti tra i diversi prodotti e valutare le potenzialità dei software stessi. Viene mostrato come creare un modello tridimensionale, contenente sia informazioni geometriche che informazioni termiche, partendo dalla nuvola termica e da quella a colori. Entrambe georeferenziate utilizzando gli stessi punti fotogrammetrici d’appoggio. Infine i prodotti ottenuti sono stati analizzati in un ambiente GIS realizzando sovrapposizioni grafiche, confronti numerici, interpolazioni, sezioni e profili.

Studio della sintesi di alcol furfurilico da furfurale mediante catalisi basica eterogenea

La messa a punto di processi in grado di utilizzare le biomasse lignocellulosiche per la produzione di molecole piattaforma, utilizzabili per la sintesi di intermedi per la chimica fine, l’industria polimerica ed i combustibili, è attualmente un argomento di ricerca di grande interesse. Tra le molecole più studiate vi è la furfurale (FU), che si può ottenere mediante disidratazione dei monosaccaridi pentosi contenuti nei materiali lignocellulosici. Il prodotto di riduzione della furfurale, l’alcol furfurilico (FAL), è commercialmente interessante perché trova applicazione nell’industria polimerica e viene utilizzato come intermedio nella produzione di lisina, vitamina C, lubrificanti e agenti dispersanti. In letteratura sono riportati numerosi processi che permettono di ottenere questo prodotto, utilizzando la riduzione catalitica con H2 in pressione, che però presentano problemi di selettività, costo, sostenibilità e tossicità del catalizzatore utilizzato. La possibilità di effettuare la riduzione selettiva della furfurale senza fare ricorso all’idrogeno molecolare, utilizzando un processo di H-transfer e catalizzatori eterogenei a base di ossidi misti, risulta quindi di estremo interesse perché permette di eliminare i suddetti problemi. Lo scopo di questa tesi è stato quello di ottimizzare il processo, confrontando catalizzatori basici, quali MgO, CaO e SrO ottenuti tramite calcinazione a diverse temperature dei rispettivi precursori. In particolare, è stata valutata l’influenza che la temperatura di calcinazione, il tempo e la temperatura di reazione hanno sulla reattività e la stabilità dei sistemi catalitici sintetizzati. La caratterizzazione dei catalizzatori tramite diffrazione ai raggi X (XRD), analisi termiche (TGA, DTA) e misure di area superficiale con tecnica BET ha permesso di correlare le proprietà chimico-fisiche dei materiali con la loro attività catalitica.

Formulazione e caratterizzazione di geopolimeri come nuovi materiali refrattari

Il presente lavoro di tesi è finalizzato all'ottimizzazione della formulazione iniziale e delle condizioni di stagionatura per ottenere un materiale utilizzabile come refrattario in applicazioni che richiedono elevate temperature di esposizione. L’interesse della ricerca scientifica verso questa nuova classe di materiali nasce dai vantaggi ambientali ed economici che essi possono fornire. Inoltre, le buone proprietà di resistenza e stabilità termica evidenziate dagli studi condotti negli ultimi anni inducono a sperimentare l’impiego dei materiali geopolimerici in sostituzione dei materiali refrattari o cementiferi attualmente in commercio. A tal fine sono state determinate le caratteristiche fisico-meccaniche, microstrutturali e termiche di matrici geopolimeriche additivate con scarti refrattari. Lo studio svolto, si può suddividere in tre fasi successive. Inizialmente sono state ottimizzazione le formulazioni geopolimeriche. Successivamente i prodotti ottenuti sono stati oggetto di caratterizzazione fisico-meccanica, microstrutturale e termica. Tali caratterizzazioni sono state eseguite attraverso: analisi al microscopio ottico, assorbimento di acqua, determinazione della densità geometrica, prove ultrasoniche per la determinazione dell’omogeneità del materiale, resistenza meccanica a compressione, diffrattometria ai raggi X (XRD), microscopio riscaldante, ciclo termico in muffola e analisi dilatometriche. Nella terza fase sono stati analizzati ed elaborati i risultati ottenuti, evidenziando le soddisfacenti proprietà di stabilità e resistenza termica. È stata inoltre effettuata una analisi economica preliminare evidenziando la competitività nel marcato del sistema geopolimerico studiato. Se a questo si aggiungono i considerevoli benefici ambientali dovuti al fatto che il prodotto è ottenuto con sostanze di recupero, non sarebbe sorprendente che in un futuro prossimo i geopolimeri possano essere largamente prodotti e commercializzati.

Studio delle proprietà reologiche di poliuretani termoplastici

Il poliuretano termoplastico (TPU) è un materiale polimerico molto versatile che, se formulato in maniera opportuna può assumere un’ampia gamma di caratteristiche chimico-fisiche e proprietà meccaniche. Per questo motivo negli ultimi decenni sono state studiate estesamente le sue applicazioni e i metodi di sintesi. Il lavoro presentato ha come scopo la valutazione delle proprietà reologiche dei fusi polimerici di una serie di TPUs, mediante l'ausilio di un reometro capillare. A tal proposito lo scopo del progetto è stato quello di incrementare la conoscenza dei fenomeni reologici che avvengono in un fuso polimerico in fase di lavorazione per ottenere un determinato prodotto finito e commercializzabile e che sanciscono l'effettiva realizzazione del processo in funzione delle caratteristiche del TPU in questione. Con l’utilizzo del reometro capillare si ha la possibilità di simulare le condizioni termiche e di stress meccanico delle più comuni tecnologie di formatura dei materiali polimerici: dall’estrusione allo stampaggio ad iniezione, passando per lo stampaggio a compressione. Questa importante caratteristica strumentale risulta utile in fase di assistenza al cliente, in modo da proporre una tipologia di materiale adatta alla tecnologia disponibile e, in alcuni casi, suggerire le condizioni più opportune per la lavorazione dello stesso.