Bioremediation of PAHs - Limitations and soultions

Introduction 1.1 Occurrence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in the environment Worldwide industrial and agricultural developments have released a large number of natural and synthetic hazardous compounds into the environment due to careless waste disposal, illegal waste dumping and accidental spills. As a result, there are numerous sites in the world that require cleanup of soils and groundwater. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are one of the major groups of these contaminants (Da Silva et al., 2003). PAHs constitute a diverse class of organic compounds consisting of two or more aromatic rings with various structural configurations (Prabhu and Phale, 2003). Being a derivative of benzene, PAHs are thermodynamically stable. In addition, these chemicals tend to adhere to particle surfaces, such as soils, because of their low water solubility and strong hydrophobicity, and this results in greater persistence under natural conditions. This persistence coupled with their potential carcinogenicity makes PAHs problematic environmental contaminants (Cerniglia, 1992; Sutherland, 1992). PAHs are widely found in high concentrations at many industrial sites, particularly those associated with petroleum, gas production and wood preserving industries (Wilson and Jones, 1993). 1.2 Remediation technologies Conventional techniques used for the remediation of soil polluted with organic contaminants include excavation of the contaminated soil and disposal to a landfill or capping - containment - of the contaminated areas of a site. These methods have some drawbacks. The first method simply moves the contamination elsewhere and may create significant risks in the excavation, handling and transport of hazardous material. Additionally, it is very difficult and increasingly expensive to find new landfill sites for the final disposal of the material. The cap and containment method is only an interim solution since the contamination remains on site, requiring monitoring and maintenance of the isolation barriers long into the future, with all the associated costs and potential liability. A better approach than these traditional methods is to completely destroy the pollutants, if possible, or transform them into harmless substances. Some technologies that have been used are high-temperature incineration and various types of chemical decomposition (for example, base-catalyzed dechlorination, UV oxidation). However, these methods have significant disadvantages, principally their technological complexity, high cost , and the lack of public acceptance. Bioremediation, on the contrast, is a promising option for the complete removal and destruction of contaminants. 1.3 Bioremediation of PAH contaminated soil & groundwater Bioremediation is the use of living organisms, primarily microorganisms, to degrade or detoxify hazardous wastes into harmless substances such as carbon dioxide, water and cell biomass Most PAHs are biodegradable unter natural conditions (Da Silva et al., 2003; Meysami and Baheri, 2003) and bioremediation for cleanup of PAH wastes has been extensively studied at both laboratory and commercial levels- It has been implemented at a number of contaminated sites, including the cleanup of the Exxon Valdez oil spill in Prince William Sound, Alaska in 1989, the Mega Borg spill off the Texas coast in 1990 and the Burgan Oil Field, Kuwait in 1994 (Purwaningsih, 2002). Different strategies for PAH bioremediation, such as in situ , ex situ or on site bioremediation were developed in recent years. In situ bioremediation is a technique that is applied to soil and groundwater at the site without removing the contaminated soil or groundwater, based on the provision of optimum conditions for microbiological contaminant breakdown.. Ex situ bioremediation of PAHs, on the other hand, is a technique applied to soil and groundwater which has been removed from the site via excavation (soil) or pumping (water). Hazardous contaminants are converted in controlled bioreactors into harmless compounds in an efficient manner. 1.4 Bioavailability of PAH in the subsurface Frequently, PAH contamination in the environment is occurs as contaminants that are sorbed onto soilparticles rather than in phase (NAPL, non aqueous phase liquids). It is known that the biodegradation rate of most PAHs sorbed onto soil is far lower than rates measured in solution cultures of microorganisms with pure solid pollutants (Alexander and Scow, 1989; Hamaker, 1972). It is generally believed that only that fraction of PAHs dissolved in the solution can be metabolized by microorganisms in soil. The amount of contaminant that can be readily taken up and degraded by microorganisms is defined as bioavailability (Bosma et al., 1997; Maier, 2000). Two phenomena have been suggested to cause the low bioavailability of PAHs in soil (Danielsson, 2000). The first one is strong adsorption of the contaminants to the soil constituents which then leads to very slow release rates of contaminants to the aqueous phase. Sorption is often well correlated with soil organic matter content (Means, 1980) and significantly reduces biodegradation (Manilal and Alexander, 1991). The second phenomenon is slow mass transfer of pollutants, such as pore diffusion in the soil aggregates or diffusion in the organic matter in the soil. The complex set of these physical, chemical and biological processes is schematically illustrated in Figure 1. As shown in Figure 1, biodegradation processes are taking place in the soil solution while diffusion processes occur in the narrow pores in and between soil aggregates (Danielsson, 2000). Seemingly contradictory studies can be found in the literature that indicate the rate and final extent of metabolism may be either lower or higher for sorbed PAHs by soil than those for pure PAHs (Van Loosdrecht et al., 1990). These contrasting results demonstrate that the bioavailability of organic contaminants sorbed onto soil is far from being well understood. Besides bioavailability, there are several other factors influencing the rate and extent of biodegradation of PAHs in soil including microbial population characteristics, physical and chemical properties of PAHs and environmental factors (temperature, moisture, pH, degree of contamination). Figure 1: Schematic diagram showing possible rate-limiting processes during bioremediation of hydrophobic organic contaminants in a contaminated soil-water system (not to scale) (Danielsson, 2000). 1.5 Increasing the bioavailability of PAH in soil Attempts to improve the biodegradation of PAHs in soil by increasing their bioavailability include the use of surfactants , solvents or solubility enhancers.. However, introduction of synthetic surfactant may result in the addition of one more pollutant. (Wang and Brusseau, 1993).A study conducted by Mulder et al. showed that the introduction of hydropropyl-ß-cyclodextrin (HPCD), a well-known PAH solubility enhancer, significantly increased the solubilization of PAHs although it did not improve the biodegradation rate of PAHs (Mulder et al., 1998), indicating that further research is required in order to develop a feasible and efficient remediation method. Enhancing the extent of PAHs mass transfer from the soil phase to the liquid might prove an efficient and environmentally low-risk alternative way of addressing the problem of slow PAH biodegradation in soil.

One-step elettrosintesi: un metodo alternativo per sintetizzare nanoparticelle di Pt

La maggiore richiesta energetica di questi anni, associata alla diminuzione delle riserve di combustibile fossile e ai problemi di inquinamento ambientale hanno spinto il settore scientifico verso la ricerca di nuovi dispositivi che presentino elevata efficienza e quantità di emissioni ridotta. Tra questi, le celle a combustibile (fuel cells) alimentate con idrogeno o molecole organiche come etanolo, acido formico e metanolo, hanno particolare rilevanza anche se attualmente risultano particolarmente costose. Una delle principali sfide di questi ultimi anni è ridurne i costi e aumentarne l'efficienza di conversione in energia. Per questo scopo molti sforzi vengono condotti verso l'ottimizzazione dei catalizzatori a base di Pt spostando l’attenzione verso sistemi nanostrutturati ad elevata attività catalitica e buona stabilità. Durante questo lavoro di tesi si è affrontato lo studio relativo alla preparazione di elettrodi modificati con PtNPs ottenute per elettrodeposizione, un metodo semplice ed efficace per poterne controllare i parametri di deposizione e crescita e per ottenere direttamente le nanoparticelle sulla superficie dell’elettrodo. Come materiale elettroattivo si è utilizzato un foglio di grafite, denominato (Pure Graphite Sheet = PGS). Tale superficie elettrodica, meno costosa e più conduttiva rispetto all’ITO, si presenta sotto forma di fogli flessibili resistenti ad alte temperature e ad ambienti corrosivi e quindi risulta conveniente qualora si pensi ad un suo utilizzo su scala industriale. In particolare è stato studiato come la variazione di alcuni parametri sperimentali quali: i) il tempo di elettrodeposizione e ii) la presenza di stabilizzanti tipo: KI, acido dodecil benzene sulfonico (DBSA), poli vinil pirrolidone (PVP) o poliossietilene ottilfenil etere (Triton-X100) e iii) la concentrazione degli stessi stabilizzanti, potessero influire sulle dimensioni ed eventualmente sulla morfologia delle PtNPs. in fase di elettrodeposizione. L’elettrosintesi è stata effettuata per via cronoamperometria. I film di PtNPs sono stati caratterizzati utilizzando tecniche di superficie quali microscopia a scansione elettronica (SEM) e Voltammetria Ciclica (CV). Al fine di valutare le capacità elettrocatalitiche delle diverse PtNPs ottenute si è studiata la reazione di ossidazione del metanolo in ambiente acido.

Test di nuovi rivelatori per misure di cattura neutronica radiativa.

Gli scintillatori organici contenenti C6D6 (benzene deuterato) sono ampiamente utilizzati per misure ad altra precisione di sezioni d'urto di cattura neutronica presso le facility che sfruttano la tecnica del tempo di volo. In particolare il loro uso nell'ambito della facility n_ToF al CERN di Ginevra ha richiesto la costruzione di nuovi rivelatori con una minore sensibilità ai neutroni di quelli presenti in commercio. In questa tesi si è studiato il nuovo prototipo di C6D6 realizzati dal gruppo italiano di n_ToF descrivendone la struttura e confrontandolo con i precedenti rivelatori realizzati nell'ambito del progetto n_ToF e le controparti commerciali evidenziandone i miglioramenti. Inoltre viene presentato lo studio, effettuato alla facility GELINA, della sensibilità ai neutroni del nuovo C6D6 e la ricerca di difetti costruttivi. Infine è mostrato come i nuovi rivelatori hanno una sezione d'urto per la cattura di nutrono molto bassa e una presenza minima di contaminanti dovuti ai materiali che li compongono.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi biopoliesteri aromatici a base di resorcinolo

Il lavoro di tesi si inserisce in un contesto di ricerca molto attuale, che studia la preparazione di nuovi materiali polimerici ad elevate prestazioni e derivabili da fonti rinnovabili. Partendo dal resorcinolo, una molecola che può essere ottenuta da biomassa, e dall’etilene carbonato sono state ottimizzate la sintesi e la purificazione di un diolo, l’1,3-bis(2-idrossietossi)benzene (HER), senza l’impiego di solventi e con l’utilizzo di modeste quantità di catalizzatore. L’HER è conosciuto in letteratura ma è poco studiato e non viene attualmente impiegato come monomero. In questo lavoro L’HER è stato polimerizzato in massa con una serie di diacidi (alcuni derivati da biomassa, altri provenienti da fonti fossili) sia di natura alifatica (lineari e ciclici) che di natura aromatica. Sono state analizzate la struttura chimica e le proprietà termiche dei nuovi poliesteri, in modo da definire correlazioni fra struttura e prestazioni finali. E’ stata infine messa a punto una procedura one-pot per la preparazione dei suddetti poliesteri; essa prevede la sintesi diretta dei polimeri senza lo stadio intermedio di purificazione dell’HER.

Analisi del ciclo di vita applicato alla produzione dell'anidride maleica mediante vie alternative di sintesi industriale

Nel campo dell’industria chimica la ricerca si è mossa in direzione di rendere i processi più sostenibili. Ciò viene effettuato considerando le linee guida della green chemistry. In questo contesto si colloca la metodologia LCA che valuta l’impatto ambientale associato ad un processo o un prodotto, comprendendo tutto il suo ciclo di vita. Nel presente lavoro di tesi si studia l’applicazione della LCA alla sintesi industriale di anidride maleica (AM), che viene ottenuta tramite reazione di ossidazione del benzene o dell’n-butano. Nello studio si sono modellate tre diverse vie di sintesi dell’AM considerando il processo di produzione che parte da benzene e il processo di produzione da butano con due diversi tipi di reattore: il letto fisso e il letto fluido (processo ALMA). Negli scenari si considerano le fasi di produzione dei reagenti e si è modellata la fase della reazione di ossidazione e l’incenerimento dei sottoprodotti e del reagente non convertito. Confrontando i tre processi, emerge che al processo che parte da benzene sono associati gli impatti globali maggiori mentre il processo ALMA ha un minore carico ambientale. Il processo da benzene risulta avere maggiori impatti per le categorie Cambiamento climatico, Formazione di particolato e Consumo dei metalli. Il processo da butano a tecnologia a letto fisso presenta invece maggiori impatti per le categorie Tossicità umana e Consumo di combustibili fossili, dovuti alla maggiore richiesta energetica effettuata dal processo di ossidazione del butano con tecnologia a letto fisso e alla richiesta di combustibile ausiliario per la fase di incenerimento. Tale risultato emerge anche dall’analisi effettuata con il Cumulative Energy Demand. Al processo ALMA sono associati gli impatti inferiori in assoluto, nonostante abbia una resa inferiore al processo che utilizza il letto fisso. I risultati dell’analisi LCA sono stati confermati dall’analisi delle incertezze, realizzata con il metodo statistico Monte Carlo.

Influenza dei parametri idrogeologici nei processi di contaminazione del sottosuolo imputabili a rilasci accidentali di idrocarburi

Il presente lavoro di tesi si propone di esaminare i processi di contaminazione del suolo e delle acque sotterranee conseguenti ad un fenomeno di “oil spill”: con tale termine si vuole intendere un fenomeno di rilascio accidentale di sostanze chimiche, come il benzene, dovuto al danneggiamento di lunghe condotte onshore realizzate per trasferire, tali sostanze, anche per distanze di centinaia di chilometri. Sebbene le basse frequenze incidentali confermino che il trasporto in condotta rappresenta la modalità di movimentazione via terra più sicura per fluidi chimici, bisogna tuttavia tener presente che i quantitativi di sostanze che possono essere rilasciate da questi impianti sono molto elevati.In questo lavoro, si è partiti con l’esaminare un caso studio riportato in letteratura, relativo alla valutazione quantitativa del rischio ambientale legato a fenomeni di oil spill da condotte onshore [Bonvicini et al., 2014]. Si è considerato, in particolare, un singolo tratto di una lunga condotta industriale, in corrispondenza del quale si è ipotizzato il verificarsi di una rottura, con conseguente rilascio di contaminante nel sottosuolo. L’impianto in questione è finalizzato al trasporto di benzene (LNAPL), idrocarburo aromatico cancerogeno, fortemente pericoloso per l’ambiente e per l’uomo.

Studio di nuovi processi di sintesi di anidride maleica in fase gas

Oggi il mercato mondiale dell'anidride maleica (AM) è in continua espansione grazie ad un numero sempre crescente di applicazioni finali e sviluppo di nuove tecnologie industriali. La AM viene impiegata nella produzione di resine poliestere insature e resine alchidiche e nella produzione di chemicals a più alto valore aggiunto. Il processo di sintesi è tutt’ora basato sull'ossidazione selettiva del benzene e del n-butano. Con l’aumento delle emissione di gas serra, legate all’impiego di materie di origine fossile e la loro continua diminuzione, si stanno studiando nuovi processi basati su materie derivanti da fonti rinnovali. Tra i vari processi studiati vi è quello per la sintesi di AM, i quali utilizzano come molecola di furfurale, 5-idrossimetilfurfurale e 1-butanolo; tutte queste presentano però il problema di un costo superiore rispetto alle molecole tutt’ora usate. Ad oggi una delle molecole ottenibili da fonti rinnovabili avente un costo competitivo alle materie derivanti da fonti fossili è il bio-etanolo. Essendo nota la possibilità di trasformare dell’etanolo in composti a 4 atomi di carbonio (C4) come 1-butanolo (reazione di Guerbet) e in 1,3- butadiene (processo Lebedev) su ossidi misti Mg/Si e la loro trasformazioni in AM, è’ dunque possibile ipotizzare un processo operante in fase gas che accoppi entrambi i processi. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di effettuare uno studio su sistemi catalitici mediante differenti approcci impiantistici. Il primo ha previsto l’impiego di un sistema detto “a cascata” nel quale è stato accoppiato il sistema misto a base di Mg/Si/O, per la trasformazione dell’etanolo a C4, e il pirofosfato di vanadile (VPP), per l’ossidazione selettiva di quest’ultimi in AM. Il secondo approccio ha previsto l’impiego di un unico sistema multifunzionale in grado di catalizzare tutti gli step necessari. In quest’ultimo caso, i sistemi studiati sono stati il Mg2P2O7 ed un sistema costituito da VPP DuPont sul quale è stato depositato MgO. I catalizzatori sono stati caratterizzati mediante diffrattometria a raggi X, spettroscopia Raman e analisi dell’area superficiale mediante metodo BET, mentre i test catalitici sono stati condotti su un impianto di laboratorio con un reattore assimilabile ad un modello di tipo PFR.

Design of an indirectly fired gas turbine integrated with an organic rankine cycle unit for combined heat and power production

In the last years, the European countries have paid increasing attention to renewable sources and greenhouse emissions. The Council of the European Union and the European Parliament have established ambitious targets for the next years. In this scenario, biomass plays a prominent role since its life cycle produces a zero net carbon dioxide emission. Additionally, biomass can ensure plant operation continuity thanks to its availability and storage ability. Several conventional systems running on biomass are available at the moment. Most of them are performant either in the large-scale or in the small power range. The absence of an efficient system on the small-middle scale inspired this thesis project. The object is an innovative plant based on a wet indirectly fired gas turbine (WIFGT) integrated with an organic Rankine cycle (ORC) unit for combined heat and power production. The WIFGT is a performant system in the small-middle power range; the ORC cycle is capable of giving value to low-temperature heat sources. Their integration is investigated in this thesis with the aim of carrying out a preliminary design of the components. The targeted plant output is around 200 kW in order not to need a wide cultivation area and to avoid biomass shipping. Existing in-house simulation tools are used: They are adapted to this purpose. Firstly the WIFGT + ORC model is built; Zero-dimensional models of heat exchangers, compressor, turbines, furnace, dryer and pump are used. Different fluids are selected but toluene and benzene turn out to be the most suitable. In the indirectly fired gas turbine a pressure ratio around 4 leads to the highest efficiency. From the thermodynamic analysis the system shows an electric efficiency of 38%, outdoing other conventional plants in the same power range. The combined plant is designed to recover thermal energy: Water is used as coolant in the condenser. It is heated from 60°C up to 90°C, ensuring the possibility of space heating. Mono-dimensional models are used to design the heat exchange equipment. Different types of heat exchangers are chosen depending on the working temperature. A finned-plate heat exchanger is selected for the WIFGT heat transfer equipment due to the high temperature, oxidizing and corrosive environment. A once-through boiler with finned tubes is chosen to vaporize the organic fluid in the ORC. A plate heat exchanger is chosen for the condenser and recuperator. A quasi-monodimensional model for single-stage axial turbine is implemented to design both the WIFGT and the ORC turbine. The system simulation after the components design shows an electric efficiency around 34% with a decrease by 10% compared to the zero-dimensional analysis. The work exhibits the system potentiality compared to the existing plants from both technical and economic point of view.

Fattibilità della misura di cattura neutronica sugli isotopi dispari del gadolinio

In questo lavoro di tesi ci proponiamo di determinare lo spessore degli isotopi ^157Gd e ^155Gd in vista della misura della sezione d’urto di cattura neutronica presso la facility n_TOF del CERN. La principale motivazione dell’esperimento è legata alla necessità di ottenere misure più accurate per le applicazioni ai reattori nucleari. Inoltre, i nuovi risultati, potranno essere sfruttati anche per applicazioni ai recenti sviluppi nella Terapia di Cattura Neutronica e per costruire nuovi rivelatori nell’ambito della ricerca del neutrino. La misura sarà effettuata nella prima area sperimentale EAR-1 di n_TOF, equipaggiata con rivelatori, come per esempio gli scintillatori liquidi al benzene deuterato (C6 D6) particolarmente adatti per questi tipi di misura. La sezione d’urto di questi due isotopi cambia di molti ordini di grandezza al variare dell’energia dei neutroni incidenti. Per questo motivo, lo studio effettuato in questa tesi ha mostrato che sono necessari due campioni altamente arricchiti per ogni isotopo da misurare: un campione estremamente sottile per energie del neutrone fino a 100 meV, e uno più spesso per energie maggiori. Inoltre per questi campioni sono stati determinati le densità areali necessarie per lo svolgimento dell’esperimento affinchè avvenga il fenomeno di trasmissione dei neutroni.

Supporting Cubane’s Renaissance: Metathesis reactions on 4-iodo-1-vinylcubane and Stetter reaction on 1-iodocubane-4-carboxaldehyde

Cubane is a peculiar cube-shaped alkane molecule with a rigid, regular structure. This makes it a good scaffold, i.e. a molecular platform to which the substituents are arranged in a specific and fixed orientation. Moreover, cubane has a body diagonal of 2.72 Å, very similar to the distance across the benzene ring, i.e. 2.79 Å. Thus, it would be possible to use cubane as a scaffold in medicinal and material chemistry as a benzene isostere 1,2. This could lead to advantages in terms of solubility and toxicity and could provide novel properties. For this purpose, the possibility of performing “modern organic chemistry” on the cubane scaffold has to be studied. This project was entirely carried out in the framework of the Erasmus+ mobility programme at the Trinity College (Dublin, IRL) under the supervision of prof. M. O. Senge. The main goal of this project was to widen the knowledge on cubane chemistry. In particular, it was decided to test reactions that were never applied to the scaffold before, such as metathesis of 4-iodo-1-vinylcubane and Stetter reaction of 1-iodocubane-4-carboxaldehyde. These two molecules were synthesized in 10 and 9 steps respectively from commercially available cyclopentanone, following a known procedure. Unfortunately, metathesis with different olefins, such as styrene, α,β unsaturated compounds and linear α-olefins failed under different conditions, highlighting cubane behaves as a Type IV, challenging olefin under metathesis conditions. Even the employment of a specific catalyst for hindered olefins failed in the cross-coupling with linear α-olefins. On the other hand, two new molecules were synthesized via Stetter reaction and benzoin condensation respectively. Even if the majority of the reactions were not successful, this work can be seen as an inspiration for further investigation on cubane chemistry, as new questions were raised and new opportunities were envisioned.