Dimetiladipato: una via di sintesi alternativa da chetoni e carbonati organici

In questo progetto è stata studiata la reazione tra dimetil carbonato e ciclopentanone come possibile alternativa sostenibile per la produzione di dimetiladipato, composto di notevole interesse industriale. Lo studio si è basato su reazioni in fase liquida con catalizzatori eterogenei (commerciali e di sintesi), sia in condizioni batch che soprattutto continue, mai riportate in letteratura, per le quali un apposito reattore a letto fisso è stato progettato e messo a punto. I parametri indagati sono il tempo di contatto, il rapporto di alimentazione dei due reagenti ed il catalizzatore utilizzato, osservando anche l’andamento di grandezze quali rese e conversioni nel tempo. Sono stati inoltre effettuate delle prove per approfondire il meccanismo e lo schema di reazione. Per il processo continuo è risultato come un maggior tempo di contatto porti a maggiori conversioni e rese, mentre per quanto riguarda il rapporto molare di alimentazione, il rapporto ottimale tra dimetilcarbonato e ciclopentanone sembra essere 15:1, sia come resa di dimetil adipato che come compromesso tra reazioni parassite dovute all’eccesso di dimetil carbonato e reazioni di autocondensazione del ciclopentanone. Tra i catalizzatori testati, i più efficienti nella conversione dei reagenti e nella formazione del prodotto sono risultati essere quelli con caratteristiche basiche come MgO e CeO2, rispetto ad un catalizzatore meno basico come ZrO2.

Effetto di fertilizzanti ottenuti dal riciclaggio di scarti organici sulle caratteristiche vegeto-produttive di sangiovese

Negli ultimi anni, i cambiamenti nella raccolta dei rifiuti domestici e nei sistemi di gestione dello smaltimento hanno aumentato la quantità di compost prodotto nelle città italiane. L'applicazione di compost ai terreni agricoli permette il sequestro di forme stabili di C ed N. Data l’estesa superficie a vite che copre circa 660.000 ettari (ISTAT 2021), risulta interessante valutare l'utilizzo di compost su questa coltura. L’esperimento ha come scopo quello di studiare gli effetti di alcuni composti organici sulla fertilità chimica del suolo, sulla crescita della pianta e sulla qualità dell’uva. La prova è stata condotta a Cadriano, Bologna, su un vigneto di Sangiovese innestato su portinnesto 110 Richter, messo a dimora nel 2019 e allevato a cordone speronato. Nello specifico, sono stati utilizzati i seguenti fertilizzanti: 1) ammendante compostato misto (ACM), 2) gesso di defecazione (GDD) e 3) concime minerale. Dai risultati è emerso come il trattamento GDD abbia determinato un aumento della concentrazione di azoto minerale nel suolo, che si è manifestato principalmente con elevati livelli di azoto nelle foglie e una minor produzione. Al contrario l’ACM ha presentato un effetto simile al concime minerale e ha indotto, allo stesso tempo, una maggior produzione, senza effetti negativi sulla qualità dell’uva.

Synthesis of Na-PSS geopolymers and analysis of the H2O/Na2O molar ratio influence over their mechanical properties

Geopolymers are solid aluminosilicate material made by mixing an activating solution and a solid precursor. This work studied the mechanisms of synthesis of metakaolin-based geopolymers and the influence of water content, described by the molar ratio H2O/Na2O, on the final product. The samples were tested using a Uniaxial Compressive Test (UCT) to define their compressive resistance. Two geopolymers series were synthetized and let them rest for 7- days and 28-days, each of them composed by six different sets. 7-day rest series showed that water addition had no relevant effect over its resistance while the 28-day rest series almost doubled the compressive resistance, although those with the highest H2O/Na2O molar ratio showed instead a drastic reduction. Two other series were synthesized by adding silt aggregate, a waste material obtained in the production of aggregate for concrete, corresponding to 10wt% and 20wt%of the metakaolin used. After 28 days of aging, these samples were tested via UCT to measure the variation of the compressive resistance after the silt addition. The aggregate has disruptive effects over the compressive resistance, but the 20wt% samples achieved a higher compressive resistance. Samples with highest and lowest compressive resistance have been chosen to carry out an XRD analysis. In all the samples it has been recognized the presence of Anatase (TiO2), a titanium oxide found in the metakaolin and Thermonatrite, a hydrated sodium carbonate [Na2CO3 • (H2O)]. Scanning Electron Microscopy was carried out on the samples with the highest compressive resistance and showed that the samples with lower water content developed a homogeneous geopolymeric texture, while those with higher water content showed instead a spongy-like texture and a higher air or pore solution bubbles presence. Silt/geopolymer composites showed a fracture system developing across the interstitial transition zone between the geopolymer matrix and the aggregate particle.

Progettazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di sensori capacitivi a fluido dielettrico.

Ad oggi, misurare grandezze fisiche in maniera pratica, distribuita e sostenibile è di grande importanza al fine di poter attivare strategie di digitalizzazione di qualsiasi applicazione: da quelle industriali con robotica collaborativa, fino alla domotica o tecnologia indossabile. La sfida di oggi consiste nel poter creare dei sensori che possano abilitare questi contesti, risultando efficienti, a basso consumo energetico e sostenibili in termini di materiali e componenti utilizzati. L’obiettivo della tesi è infatti quello di valutare una classe innovativa di sensori con principio di funzionamento capacitivo che risultino facili da progettare, fabbricare ed utilizzare. Nello specifico, due tipologie di sensore sono state sviluppate: uno per la misura di forza, l’altro per la misura angolare. Entrambi i dispositivi sono stati realizzati con materiale elastomerico a base di silicone, accoppiato con elettrodi conformi, in un sistema capacitivo deformabile. All’interno di questi sistemi, sono state ricavate delle camere per il contenimento di un fluido dielettrico al fine di poter monitorare lo spostamento del fluido per la misura capacitiva. La tesi riporta le linee guida principali per la progettazione di sensori che utilizzino componenti elastomerici sia conduttori che dielettrici, in combinazione con un fluido per una misura capacitiva. Successivamente, sono riportati tutti gli step di fabbricazione delle due architetture di sensore realizzate, discutendo i vari passaggi ed elencando i materiali utilizzati. Infine, le performance dei due sensori sono valutate sulla base dei risultati di una campagna sperimentale dedicata, eseguita su due setup di banco prova distinti progettati per testare la forza applicata per il primo sensore, e l’angolo di inclinazione per il secondo. Nelle conclusioni viene riportata la valutazione dell’efficienza di questi due sensori, insieme alle evoluzioni future per rendere questa proposta tecnologica affidabile e ad alte prestazioni.

Caratterizzazione del controllo motorio tramite sensori inerziali in una popolazione di bambini con scoliosi idiopatica

Lo scopo del presente lavoro di tesi sperimentale è stato quello di caratterizzare il controllo motorio di bambini affetti da scoliosi idiopatica e di valutarne le alterazioni rispetto ad una popolazione a sviluppo tipico dello stesso range di età. La caratterizzazione è avvenuta grazie ad un approccio basato su sensori indossabili, che ha consentito di estrarre e quantificare un gruppo di metriche che includono parametri temporali del cammino, la loro variabilità e le metriche non lineari (RQA, MSE, HR). Queste ultime sono state estrapolate mediante l'elaborazione dei segnali provenienti dai sensori applicati su caviglie e tronco dei singoli soggetti. L'implementazione degli script utili è avvenuta mediante il software Matlab. I risultati suggeriscono che la scoliosi idiopatica influisca sul controllo motorio dei pazienti scoliotici e ciò si traduce in un cammino più lento, meno stabile e meno maturo, denotato da un’asimmetria temporale ma anche da un’asimmetria con pendolazione destrutturata.

Rilevazione dell'adulterazione di olio extra vergine di oliva con olio di girasole mediante l'impiego di sensori spettrali

Nel corso degli ultimi anni si è assistito ad un aumento di episodi fraudolenti nel settore alimentare. Ciò è vero anche per il settore oleario: per il suo elevato valore economico, nutrizionale e sensoriale, l’olio extra vergine di oliva è un bersaglio perfetto dei frodatori, che realizzano molteplici tipologie di adulterazione. Questo lavoro di tesi si è focalizzato, in particolare, sull’adulterazione dell’olio extra vergine di oliva con olio di semi di girasole. Su campioni preparati in laboratorio per simulare la frode, a partire da due oli extra vergini di oliva addizionati con percentuali diverse di olio di girasole, sono state effettuate determinazioni analitiche utilizzando un sensore spettrale, basato sulla spettroscopia nel vicino infrarosso, seguite da un’elaborazione chemiometrica dei risultati. Lo strumento portatile è stato sviluppato da una start-up olandese presso cui ho svolto il tirocinio curriculare. Il modello di stima risultante dalle risposte fornite dai 16 pixel del sensore ha mostrato una capacità di rilevazione soddisfacente nei confronti di questa adulterazione, conducendo ad un errore medio nella stima della percentuale di olio di girasole aggiunto intorno al 3%. Tale risultato, se verrà confermato da ulteriori analisi grazie alle quali il modello predittivo potrà essere reso più robusto, potrebbe incoraggiare l’utilizzo di questa metodologia analitica come tecnica rapida di screening, facilmente applicabile anche in un contesto industriale, a supporto delle più laboriose e complesse tecniche analitiche tradizionali, nella rilevazione di adulterazioni di oli extra vergini di oliva con oli di semi di girasole.

Progetto PCB di un circuito per la gestione di micropotenze per nodi sensori energeticamente autonomi

L’obiettivo di questa tesi consiste nel progetto e nella realizzazione di un PCB (Printed Circuit Board) per la gestione di micropotenze per nodi sensori energeticamente autonomi, implementato con software di progettazione CAD. In primo luogo è affrontato il tema dell’ Energy Harvesting, sono descritte le tipologie di fonti energetiche principali previste e le prospettive future di questa nuova tecnologia. In secondo luogo sono descritti i processi e i meccanismi per la conversione dell’energia, con un particolare sguardo ai circuiti integrati per la conversione e gestione della potenza (PMIC). Successivamente vengono illustrate le fasi del progetto, basato su un PMIC commerciale: la progettazione dello schema elettrico, la scelta dei componenti (BOM - Bill of Materials) e la progettazione del layout del circuito stampato. Infine sono mostrati il processo di montaggio della scheda e i test realizzati mediante oscilloscopio insieme ad alcune stime di potenza.

Nodi sensori LoRaWAN a micropotenze: progettazione hardware, firmware e a livello di applicazione

L'elaborato parte da una scheda di sviluppo commerciale per arrivare a realizzare una rete LoRaWAN comprensiva di End-Node, Gateway e Application Server. In maniera specifica, l'elaborato affronta il problema della progettazione di end-node a micropotenze. Dopo aver studiato e collaudato la piattaforma di sviluppo, è stata affrontata la problematica dell'ottimizzazione energetica a diversi livelli: scelta di componenti con correnti di perdita estremamente ridotte, tecniche di power gating temporizzato, comportamento adattativo del nodo, impostazione dei consumi del nodo mediante i server della rete. L'elaborato presenta infine il layout del PCB progettato, pronto per la fabbricazione, insieme a stime del tempo di vita dell'end-node in funzione della frequenza di trasmissione e della capacità delle batterie utilizzate.

AlmaBike: una piattaforma web per aggregare e visualizzare dati sull'inquinamento da sensori IoT

L'inquinamento è un pensiero costante nel ventunesimo secolo. Ogni anno, i ricercatori cercano di trovare nuove metodologie e tecnologie per controllarlo e ridurlo. Per questo motivo l’Università di Bologna ha avviato svariati progetti per contrastare le problematiche ambientali. Una delle iniziative è AlmaBike. Sono biciclette che vengono assegnate nella forma di comodato gratuito al personale universitario e agli studenti. Nell'ultimo periodo, 50 AlmaBike sono state dotate di un pacchetto sensori in grado di rilevare posizione GPS, la qualità dell’aria, il rumore e alcuni parametri ambientali. Gli obiettivi perseguiti sono: sperimentare un sistema che permetta la misurazione di dati in merito alla qualità ambientale del comune di Bologna e misurare la rilevanza della consapevolezza della qualità dell’aria nella scelta di percorsi da parte di un utente, ad esempio casa-lavoro. L’obiettivo di questa tesi è quello di creare un applicativo che permetta la fruizione dei dati raccolti dai vari sensori attraverso l’uso di tecniche di Data Visualization. I dati vengono elaborati e organizzati con lo scopo di permetterne la comprensione anche ad utenti inesperti. La tesi è suddivisa in tre capitoli: nel primo capitolo sono stati approfonditi i concetti inerenti alla sostenibilità riprendendo quanto detto a proposito degli obiettivi dell'Agenda 2030, facendo anche una breve introduzione sul concetto di IoT e sensori; nel secondo capitolo vengono presentate le tecnologie utilizzate per la realizzazione dell’applicativo tra cui: Docker, MySQL, Angular, Typescript, Golang; nel terzo capitolo viene mostrata nel dettaglio l'applicazione creata: dalle scelte progettuali, fino ad arrivare al risultato finale.

Simulazione numerica di sensori in fibra ottica distribuiti per rilevamento del danno in materiali compositi

Le fibre ottiche sono materiali costituiti al loro interno da fibre di vetro o filamenti polimerici. Esse attualmente trovano grande impiego nel campo della telecomunicazione, ma è assai importante lo sviluppo che stanno ottenendo nel campo del monitoraggio strutturale. L’obiettivo del lavoro descritto in questo elaborato finale è di riuscire a sviluppare un programma in grado di computare una simulazione analitico-parametrica riguardante i segnali restituiti da un sensore in fibra ottica. In particolare, sono stati creati due codici (Codice 1 e Codice 2) per sostenere un Codice Esistente. Quest’ultimo prende in input dei dati sperimentali che, invece di essere ottenuti da prove in laboratorio, sono prodotti in uscita dal Codice 1, il quale simula prove a fatica o statiche in provini di diverso materiale. Attraverso l’analisi di questi dati, il codice finale crea delle curve probabilistiche in grado di asserire con quanta probabilità e con quale confidenza è possibile valutare i risultati esplicitati dallo strumento di rilevazione, che in questo caso è un sensore in fibra ottica. D’altra parte, il Codice 2 analizza le conseguenze nella Probability of Detection e confidenza al variare dei parametri maggiormente influenti nel modello.

Sintesi di dimetiladipato da carbonati organici e ciclopentanone utilizzando catalizzatori eterogenei a base di zinco

Lo scopo di questo progetto è studiare e sviluppare una sintesi alternativa del dimetiladipato (DMA), a partire da ciclopentanone (CPO) e dimetilcarbonato (DMC), con l’utilizzo di un ossido misto di zinco e magnesio come catalizzatore eterogeneo. Le prove sono state svolte in fase liquida con un reattore operante in condizioni discontinue (batch). In particolare, si è investigato l’effetto di diversi parametri operativi sulla reazione quali il tempo, il rapporto molare di alimentazione dei due reagenti, il carico catalitico utilizzato, il rapporto atomico Zn/Mg nel catalizzatore e la temperatura. Una volta individuate le migliori condizioni, si è valutata la possibilità di svolgere la reazione in due step, per cercare di incrementare la resa di DMA. Inizialmente, si è studiato solo il secondo step, cioè la reazione fra l’intermedio (carbossimetilciclopentan-2-one) e il metanolo e si sono ottenute rese di DMA del 92% con un rapporto MeOH:Intermedio di 150:1. Dopo aver ricavato le migliori condizioni di tale reazione, si è svolta la reazione completa a due step e si è dimostrato che è possibile condurre il secondo step a temperature più basse rispetto al primo, per convertire l’intermedio rimasto a DMA e migliorarne la resa dal 32% al 40%.

Studio e caratterizzazione di sensori Silicon PhotoMultiplier (SiPM) per applicazioni di timing nell'esperimento ALICE 3

Lo studio che verrà presentato in questo lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione di Silicon PhotoMultiplier (SiPM): essi sono sensori a semiconduttore che sono stati proposti per la realizzazione del layer Time-Of-Flight (TOF) del nuovo esperimento proposto ad LHC, ALICE 3. Sono stati testati sensori diversi, sia in termini di casa di fabbricazione (FBK o HPK), sia in termini di struttura; in particolare, i modelli a disposizione di produzione FBK sono singoli SPAD, singoli SiPM e mini-array di SiPM, mentre i modelli HPK sono tutti singoli SiPM. La caratterizzazione è avvenuta mediante misure di corrente e capacità del sensore al variare della tensione (curve IV e curve CV); l'obiettivo primario è studiare e confrontare tali andamenti, in modo da poter selezionare i sensori con caratteristiche simili per la costruzione del layer del TOF. Si è osservato che sensori della stessa casa produttrice e con la stessa struttura interna esibiscono comportamenti quasi sovrapponibili, dimostrando in generale una ottima uniformità.

Caratterizzazione di sensori Low Gain Avalanche Detector (LGAD) per il sistema di tempo di volo dell'esperimento ALICE 3 a LHC

Il lavoro presentato in questa tesi analizza il comportamento elettrico di prototipi di sensori Low-Gain Avalanche Detector (LGAD) ultrasottili. L'analisi consiste in una verifica sperimentale delle caratteristiche attese di questi sensori, che sono stati selezionati come possibili candidati per la realizzazione del sistema di Time-Of-Flight (TOF) nell'esperimento ALICE 3. Concepito come evoluzione dell'esperimento ALICE attualmente in funzione al CERN, ALICE 3 rappresenta l'archetipo di una nuova generazione di esperimenti nella fisica delle collisioni di ioni pesanti, ed è previsto iniziare la propria attività di presa dati per LHC Run 5 nel 2032. Sono stati presi in considerazione 22 campioni di LGAD, di cui 11 provenienti dal wafer di produzione 5 (spessore 25 um) e gli altri 11 dal wafer 6 (spessore 35 um). In entrambi i casi, di questi 11 sensori, 6 sono campioni in configurazione LGAD-PIN e 5 sono matrici. Tutti e 22 i campioni sono stati sottoposti a misure di corrente in funzione del voltaggio, mentre solo quelli appartenenti al wafer 5 anche a misure di capacità. L'obiettivo è quello di misurare la caratteristica IV e CV per ognuno dei campioni e da queste estrarre, rispettivamente, tensione di breakdown e profilo di doping.

Tecnologie per sensori indossabili

L'elaborato tratta tutto ciò che riguarda le generalità sui biosensori, tra cui composizione, manipolazione ed elaborazione dati (circuiti di condizionamento), progettazione e campi di applicazione. Inoltre, una parte è riservata ad un particolare tipo di sensori, quelli indossabili, con una descrizione degli stessi e la presentazione di un progetto per la misurazione di determinati parametri in un paziente.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l’ elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l’influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento è stato condotto a 35°C e carico organico pari a 12,39 g/Ld, il secondo a 25°C e carico organico pari a 8,40 g/Ld. Si è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l’influenza di tale parametro, in particolare si è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità di VFA prodotta nell’ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25°C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l’effluente in uscita risulta più concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell’alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.