Analisi sperimentale di un accumulo termico tramite fluido a cambiamento di fase

L’incremento dell’istallazione di collettori solari termici e panelli solari ibridi nell’ultimo decennio ha spinto il mercato settoriale alla ricerca di nuovi sistemi di accumulo termico da implementare a tali impianti, al fine di poter sfruttare l’energia derivante dal sole con una efficienza termica maggiore. I dispositivi oggigiorno in commercio, nonostante le tecnologie impiantistiche risultino essere state migliorate, non hanno subito un’evoluzione ed ancora oggi il principale materiale d’accumulo è l’acqua, ottenendo così dispositivi con efficienze molto ridotte, di dimensioni elevate e collocabili in zone interne abitabili. L’utilizzo di fluido a cambiamento di stato come mezzo di accumulo può essere una valida alternativa al fine di incrementare l’efficienza dal punto di vista energetico e la riduzione degli ingombri, data l’elevata energia interna posseduta dal materiale durante il cambiamento di fase. Nel seguente elaborato di tesi, si è posto come obbiettivo quello di effettuare uno studio sulla possibilità di accumulare energia termica mediante l’utilizzo di un fluido a cambiamento di fase a base organica, tramite un’analisi sperimentale ed energetica dei meccanismi di fusione attorno ad un ramo dello scambiatore di calore, al fine di valutare la conformazione migliore che permetta la sottrazione di energia termica latente durante la fase di solidificazione. Questo ha comportato, oltre alla scelta del PCM ottimale per l’accumulo, la progettazione e realizzazione del prototipo e l’attrezzatura sperimentale.

Studio della reazione di isomerizzazione del d-glucosio

I carboidrati, come il D-glucosio, sono i principali costituenti della biomasse e potrebbero rappresentare un’alternativa concreta alla chimica tradizionale del petrolio per la produzione dei building-blocks, utili quest’ultimi per lo sviluppo della filiera produttiva della chimica industriale. Dal D-glucosio è possibile ottenere epimeri importanti per la medicina o zuccheri largamente utilizzati in campo alimentare come il D-fruttosio tramite isomerizzazione strutturale del D-glucosio. Attualmente, la maggior parte dei metodi di sintesi di questa molecole prevedono l’utilizzo enzimi, o la catalisi omogenea con impiego di grandi quantità di basi e acidi minerali dannosi per l’ambiente. Lo scopo di questo lavoro è stato lo studio di innovativi catalizzatori eterogenei capaci operare in soluzione acquosa la conversione acido catalizzata del D-glucosio in prodotti di epimerizzazione e isomerizzazione strutturale. I catalizzatori dei nostri test sono stati caratterizzati tramite tecniche BET, ATR-IR, DRUv-Vis e XRD. Lo studio, quindi, è stato focalizzato sulle valutazioni delle prestazioni catalitiche di questi sistemi e sull’individuazione, tramite caratterizzazione strumentale, degli ioni costituenti questi solidi responsabili delle alte selettività nelle reazioni di riarrangiamento strutturale del D-glucosio. Gli studi condotti hanno portato alla conclusione che, grazie all’utilizzo di questi sistemi inorganici è possibile ottenere con alte selettività prodotti di riarrangiamento strutturale del D-glucosio, evitando al contempo la degradazione del substrato che in genere accompagna queste reazioni in condizioni di catalisi acida. Ulteriori studi riguardanti questi catalizzatori apriranno con buone probabilità la strada allo sviluppo di un nuovo processo industriale per la sintesi di questi zuccheri derivati, rendendo possibile una via produttiva sostenibile da un punto di vista economico che ambientale.

Alchilazione in fase gassosa del fenolo con reagenti "green" in catalisi basica eterogenea

L’alchilazione del fenolo (PhOH) è un processo di grande rilevanza. I prodotti, alchilfenoli (dall’alchilazione del carbonio d’anello) ed eteri fenilici (dall’alchilazione dell’ossigeno fenolico), sono usati nella produzione di resine fenoliche ed in sintesi organica. I carbonati organici sono atossici, biodegradabili, ottenibili da fonti rinnovabili ed hanno un ottimo potere solvente per i composti organici e aromatici. Con un opportuno catalizzatore sono reattivi per l’alchilazione del PhOH, e potrebbero sostituire gli alchilanti usati industrialmente: quelli per la O- alchilazione, alchilioduro e dialchilsolfato, sono estremamente tossici, mentre gli alcoli, impiegati per la C-alchilazione, decompongono estesamente sui catalizzatori industriali. In questo lavoro di tesi, le prestazioni del dietilcarbonato (DEC) come agente etilante del PhOH sono state indagate a fondo al variare dei parametri operativi, e sono state poi confrontate con quelle dell’etanolo, dimostrando che il carbonato è molto più reattivo: sui catalizzatori basici il DEC mostra una chemoselettività prettamente orientata alla O-alchilazione e la conversione del PhOH può essere massimizzata agendo sui parametri operativi senza grandi variazioni nella selettività del prodotto di interesse; sui sistemi acido/base (ossido misto di Mg e Al) si è invece dimostrato possibile orientare l’alchilazione alternativamente all’ossigeno (fenetoli) o al carbonio (etilfenoli) aumentando la temperatura.

Processi di degassamento di laghi craterici iperacidi: analisi del fenomeno attraverso i dati di prove di laboratorio e confronto con dati empirici.

Le condizioni iperacide presenti nelle acque di alcuni laghi craterici, combinate con altre proprietà chimico-fisiche quali densità e temperatura, possono favorire processi di degassamento anche di specie ad elevata solubilità e geochimicamente conservative in acque “normali”. In questa tesi si sono studiati i meccanismi e l’influenza di tali proprietà nel processo di degassamento attraverso la ricostruzione in laboratorio delle condizioni iperacide che caratterizzano i laghi iperacidi in natura. Particolare attenzione è posta al comportamento dello ione Cl-, diffusamente presente nelle acque crateriche e considerato fin ora tipicamente “conservativo”. In condizioni di estrema acidità questo ione modifica la sua tendenza conservativa, attivando le sue caratteristiche di base coniugata. In tali condizioni infatti esso si lega agli ioni H+ presenti formando acido cloridrico molecolare (HCl), parte del quale inevitabilmente degassa. Lo studio di soluzioni preparate in laboratorio e poste a condizioni di temperatura, densità ed acidità iniziale differenti, sono stati raccolti una serie di dati relativi al pH e alle variazioni della concentrazione dello ione Cl- imputabile a fenomeni di degassamento. I dati così ottenuti, sono stati poi confrontati con le caratteristiche chimico-fisiche di una serie di laghi craterici iperacidi esistenti in varie parti del mondo. Questo confronto ha consentito di definire più in dettaglio le cause ed i meccanismi che portano al degassamento di acidi forti (HCl) da acque iperacide e il grado di influenza delle varie proprietà sopra citate in questo fenomeno naturale.

Smart texile: biosensori elettronici indossabili

In questo lavoro verra presentata la realizzazione e la caratterizzazione di transistor organici basati su un polimero conduttore, il poli(3,4-etilenediossitiofene) polistirene sulfonato, o PEDOT:PSS. Tali transistor rientrano nella categoria degli OECT o transistor elettrochimici organici e hanno la capacita di poter rilevare ed analizzare sostanze chimiche di diverso genere presenti in soluzione. I dispositivi implementati in questa tesi sono stati ottenuti tramite la deposizione del materiale organico conduttivo su substrato tessile al fine di creare un device completamente integrabile in un capo di abbigliamento o in un qualsiasi utilizzo in campo tessile. In particolare questi transistor sono stati studiati per la rilevazione di sostanze quali acido ascorbico, dopamina e adrenalina. Gli ultimi due analiti sono di importanza particolare poiche facenti parte della famiglia dei neurotrasmettitori. Inoltre in questa tesi sono stati creati fili di cotone conduttivi, sempre tramite l'utilizzo di PEDOT:PSS. Tali fili infatti sono risultati ottimi candidati per il trasporto di un segnale elettrico e per questo sono stati implementati nella costruzione di un OECT. La realizzazione dei fili conduttivi potra permettere un ulteriore avanzamento nella completa integrabilita dell'elettronica con il settore tessile. Una peculiarita aggiuntiva di questo lavoro e stata quella di utilizzare il sudore artificiale come elettrolita, oltre al normale PBS che costituisce ormai uno standard in questo tipo di ricerche. L'utilizzo del sudore artificiale rientra nell'ottica futura di un utilizzo di questi sensori come rilevatori di sostanze chimiche emesse dal corpo umano sfruttabili diversi ambiti, ovvero dall'attivita sportiva alla prevenzione, in ambito medico, di diverse malattie.

Transistor elettrochimici organici per biosensoristica

I transistor elettrochimici a base organica (OECT) hanno attratto sempre maggior interesse e sono oggetto di molti studi dagli anni '70 no ai nostri giorni. Questo lavoro di tesi ha come oggetto la realizzazione e la caratterizzazione di OECT a base di poli(3,4-etilen-diossi-tiofene) complessato con l'acido stirensolfonico (PSS). Questi dispositivi sono stati costruiti utilizzando solamente semiconduttori organici come materiali conduttivi ovvero senza l'uso di metalli, quindi risultano essere biocompatibili, economici e di semplice realizzazione. Questo tipo di sensori presenta un elevata sensibilità agli analiti e necessita di un'elettronica di controllo molto più semplice rispetto a metodi elettrochimici tradizionali che utilizzano un potenziostato ed un elettrodo di riferimento. Sono state studiate diverse geometrie e spessori di polimero depositato per ottimizzare le condizioni di lavoro per avere alta sensibilità e guadagno in corrente attraverso l'uso di misure di corrente di drain in funzione del tempo con aggiunte successive di analita. Questi dispositivi sono stati utilizzati come sensori di analiti quali la dopamina, l'acido ascorbico e l'acido urico. Attraverso scansioni in transcaratteristica, si è studiata la risposta dei transistor relativa agli analiti ed attraverso lo studio della transconduttanza si è ottenuta una nuova metodologia di lavoro in grado di separare i contributi relativi ai vari composti. Inoltre, in questa modalità, è stato possibile ottenere una selettività dei sensori ai vari analiti, problema principale dell'utilizzo di transistor elettrochimici, ed attraverso la modulazione della velocità di scansione dello strumento, è stata ottenuta una risposta alla sola dopamina, analita di maggior interesse per applicazioni biosensoristiche. In conclusione si può affermare che questo tipo di dispositivo possiede ottime proprietà e caratteristiche per ulteriori studi e sviluppi in applicazioni reali.

Sviluppo e validazione sperimentale di modelli per la simulazione di una microrete di generazione e di accumulo

Nel corso degli anni le fonti rinnovabili e in particolare il fotovoltaico hanno assunto un ruolo sempre più importante nel panorama energetico italiano. Si è effettuata un’analisi della tecnologia fotovoltaica illustrandone il funzionamento, le tipologie di pannelli, il calcolo dell’energia elettrica producibile e le curve caratteristiche. Dal momento che la maggior parte delle rinnovabili presenta il problema della non programmabilità dovuta alla produzione intermittente, è necessario adottare dei sistemi di accumulo. Tali sistemi vengono mostrati, con particolare riguardo per le batterie al piombo acido e per l’idrogeno immagazzinato in idruri metallici, spiegando nel dettaglio l’elettrolisi e gli elettrolizzatori PEM. Dopo questa panoramica iniziale, si è illustrato l’impianto oggetto di questa tesi, composto principalmente da due pannelli fotovoltaici, un simulatore solare, due batterie al Piombo, un elettrolizzatore, un carico e un alimentatore. In seguito viene spiegata l’attività sperimentale, svolta sulle prove di laboratorio ai fini di ottenere le curve di funzionamento dei vari componenti, tramite due approcci diversi: per il sistema atto all’elettrolisi e per tutti i suoi componenti si è usato un modello black-box, per i pannelli fotovoltaici si è usato un approccio fisico-matematico partendo dalle equazioni del simulatore solare applicandovi i dati dei pannelli del laboratorio. Una volta ottenute queste curve, si è creato un modello completo del laboratorio per simularne il funzionamento al variare dell’irraggiamento. Si è testato prima il modello su un’utenza da 3 kW, poi, dopo aver confrontato gli andamenti reali con quelli ottenuti, si sono simulate varie configurazioni per trovare quella che permette al sistema di produrre idrogeno alla potenza nominale di 250 W in una giornata senza supplemento della rete elettrica.

Studio di membrane a base di liquidi ionici per il trasporto facilitato di CO2

In questo lavoro viene effettuata un’analisi di membrane per la separazione di CO2 basate sul meccanismo di trasporto facilitato. Queste membrane sono caratterizzate da un supporto poroso impregnato di una fase liquida le cui proprietà chimico-fisiche vengono presentate in relazione alle performance di separazione fornite: si tratta di liquidi ionici che presentano gruppi funzionali in grado di reagire con la CO2 consentendo il trasporto facilitato del gas acido attraverso la membrana. Le prestazioni in termini di separazione di CO2 da miscele gas fornite da questa tecnologia vengono analizzate e confrontate con quelle offerte da altre tipologie di membrane: alcune basate sul meccanismo di solution-diffusion (membrane polimeriche e membrane impregnate di liquidi ionici room-temperature) ed altre caratterizzate da permeazione di CO2 con presenza di reazione chimica ottenuta mediante facilitatori (mobili o legati allo scheletro carbonioso del polimero costituente la membrana). I risultati ottenuti sono analizzati in merito alla possibile implementazione di tale sistema di separazione a membrana in processi di cattura di CO2 nell'ambito della tecnologia di Carbon Capture and Storage.

Studio e validazione sperimentale di un nuovo sistema per ultrafiltrazione in emodialisi

La dialisi, le cui basi sono state fondate a metà ottocento dal chimico Thomas Graham, è la terapia, alternativa al trapianto, utilizzata su pazienti affetti da insufficienza renale. Ad oggi tale terapia ha un numero sempre maggiore di utilizzatori, più di 2,5 milioni di persone al mondo, ragione per cui ha un impatto sempre più grande sul sistema sanitario. La terapia, ha come scopo principale quello ripristinare gli equilibri idro-elettrolitico e acido-base del sangue del paziente utilizzando principi quali ultrafiltrazione, convezione e diffusione. Per raggiungere questo obiettivo, il sangue del paziente viene fatto scorrere controcorrente al liquido di dialisi, di composizione nota, ai capi di una membrana semipermeabile. Nel caso dell’emodialisi tutto il processo si svolge in circolazione extracorporea. La dialisi viene eseguita quando i reni del paziente non riescono più a espletare la loro funzione, con conseguente accumulo di tossine e di liquidi, che nel giro di pochi giorni porterebbe alla morte se non si interviene. Data la sua funzione, una parte importante della macchina che esegue l’emodialisi, è il sistema di controllo dell’ultrafiltrazione, che permette di rimuovere in maniera controllata i liquidi che il paziente non riesce a smaltire in maniera autonoma. La rimozione di liquidi avviene mediante la creazione di un gradiente pressorio tra il lato sangue e il lato dializzato, che causa il passaggio di liquidi da una parte all’altra della membrana semipermeabile. Esistono vari metodi che permettono di realizzare questo processo, che si differenziano per la strategia utilizzata per creare i gradienti pressori; ognuno dei quali permette di ottenere una determinata accuratezza. Scopo del mio lavoro di tesi è stato quello di studiare e validare un nuovo sistema di realizzazione e controllo dell’ultrafiltrazione.

Cemento endodontico iniettabile: ricerca del "carrier" mediante osservazioni di microscopia elettronica a scansione e misure di micro-permeabilita'

Questa tesi si pone l’obiettivo di individuare il corretto veicolo “carrier” per un cemento bioceramico premiscelato, iniettabile e pronto all’uso. Il suddetto cemento è creato per applicazioni di chiusura e otturazioni permanenti del canale radicolare. A tale scopo è stato analizzato anatomicamente il dente e sono state approfondite le patologie. In seguito si è posta particolare attenzione per l’endodonzia e la terapia endodontica ortograda. L’attenzione si è poi focalizzata sui cementi endodontici allo scopo di ricercare lo stato dell’arte circa le proprietà chimico-fisiche di cementi ampiamente utilizzati in odontoiatria quali il mineral trioxide aggregate (MTA) e il cemento da cui è derivato ossia il cemento Portland. La parte sperimentale dell’elaborato parte con l’idea di ricreare, presso il Centro di Ricerca Interdisciplinare di Biomineralogia, Cristallografia e Biomateriali del Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico-Ambientali dell’Università di Bologna, un prodotto con le stesse caratteristiche di un cemento ad uso endodontico iniettabile attualmente in commercio. Si è quindi studiato non solo il comportamento ma si sono anche analizzate le caratteristiche superficiali al SEM del suddetto cemento additivato con differenti sostanze (acqua, PEG 400, etil-lattato, glicerina) in diverse quantità. Si è passati di poi a testare il campione dalle caratteristiche più vicine all’obiettivo su disco di dentina con il permeabilimetro di Pashley e successivamente, si sono osservati dischi di dentina dopo l’applicazione del cemento e dopo attacco acido al SEM.

Ottimizzazione del sistema di trattamento fumi a doppio stadio del termovalorizzatore HERA di Coriano (RN)

Lo studio svolto si propone di stabilire quali sono le condizioni di gestione ottimale del sistema di depurazione dei fumi dell’impianto di termovalorizzazione di Rimini, situato nel comune di Coriano e gestito da Herambiente, una società nata nel 2009 nell'ambito del Gruppo Hera, una delle più importanti multiutility italiane che opera nei servizi dell’ambiente, dell’acqua e dell’energia. Il sistema di depurazione dell’impianto è composto da un doppio stadio di abbattimento a secco in cui si dosa calce (Ca(OH)2), al primo stadio, e bicarbonato di sodio (NaHCO3), al secondo. Rispetto alla calce, il bicarbonato garantisce una migliore efficienza di abbattimento dei gas acidi (HCl, SO2, HF), ma ha un prezzo d’acquisto maggiore. Da tale considerazione ha origine il problema di ottimizzazione economica: è necessario individuare una soluzione che consenta di ridurre il consumo e la spesa dei reagenti utilizzati senza alterare le emissioni di inquinanti a camino. I costi operativi legati alla gestione del sistema di depurazione, inoltre, devono tenere in considerazione anche la produzione dei residui solidi generati nei due stadi di abbattimento. Il calcolo di ottimizzazione è stato eseguito utilizzando un modello matematico in grado di prevedere il comportamento dei sistemi reagenti nei due stadi di abbattimento tramite la conoscenza di un parametro empirico. Dopo aver calibrato il modello con i dati di funzionamento dell’impianto, è possibile procedere alla sua implementazione al fine di valutare, in diversi periodi dell’anno 2015, come variano i costi operativi totali in funzione della conversione di HCl (gas acido più critico) al primo stadio di abbattimento e individuare quindi la migliore condizione economico-operativa per ciascun periodo considerato.