Rimozione e recupero di ammonio da acque reflue tramite adsorbimento e scambio ionico utilizzando materiali innovativi

Presso i laboratori del DICAM dell’Università di Bologna, partner del progetto FIT4REUSE, si studiano materiali adsorbenti innovativi per la rimozione ed il recupero di ammonio e fosfato dalle acque reflue municipali, mediante processo di scambio ionico in continuo su letto fisso, con l’obbiettivo di separare e concentrare l’azoto e il fosforo al fine di ottenere prodotti utilizzabili come fertilizzanti. Nello specifico questo elaborato di tesi riporta lo studio di due geopolimeri per l’adsorbimento di azoto, il geopolimero Na1.2G e il K1.2G, e li confronta con il geopolimero G13 che finora ha mostrato le prestazioni migliori.

Nuovi trattamenti protettivi autopulenti a base di biossido di titanio per i materiali cementizi nel restauro dell’architettura del XX secolo: risultati di uno studio sperimentale in laboratorio

La presente tesi di laurea è finalizzata allo sviluppo di nuovi trattamenti protettivi autopulenti a base di biossido di titanio (TiO2) per la conservazione dei materiali cementizi storici tipici dell’architettura del XX secolo. Tale studio nasce dal crescente interesse verso i temi del restauro del Moderno così come testimoniato dalla recente pubblicazione del “Documento di Madrid – New Delhi” redatto dall’ICOMOS. Vengono analizzati i caratteri peculiari del restauro del Moderno, trovando punti di unione e di divergenza con il restauro tradizionale dell’architettura. In particolare, ci si concentra sulla descrizione delle attuali tecnologie in uso per il restauro dei materiali cementizi storici e sulle problematiche connesse alla scarsa considerazione di cui ancora godono tali materiali nell’ambito del restauro dell’architettura. In tale contesto, i trattamenti fotocatalitici sviluppati si propongono come soluzioni per la conservazione delle superfici architettoniche cementizie con pregio decorativo. Vista la scarsa presenza in letteratura di applicazioni a base di TiO2 su substrati cementizi, sono stati messi a punto alcuni trattamenti innovativi che vedono la dispersione di nanoparticelle di TiO2 in matrici inorganiche di silicato di etile e idrossiapatite. Tali consolidanti sono tra i più affermati nell’ambito del restauro dei materiali e la loro compatibilità con i substrati cementizi è stata attestata da precedenti studi. I trattamenti così elaborati vengono valutati in termini di efficacia autopulente e compatibilità coi substrati.

Studio sperimentale sull'efficacia e la compatibilità di trattamenti idrorepellenti su materiali da costruzione

La principale causa di degrado diretta e indiretta delle murature storiche è l’acqua e, per questo motivo, l’ultima fase di un intervento di restauro consiste nel proteggere la muratura superficialmente, ad esempio attraverso l'applicazione di trattamenti idrorepellenti. Questo elaborato presenta i risultati di una campagna sperimentale volte a testare l’efficacia e la compatibilità di quattro trattamenti idrorepellenti presenti in commercio, applicati a spray e pennello su tre tipi di materiale (due tipi di laterizi e una malta). Particolare attenzione è stata prestata a valutare la reale capacità di evaporazione dell'acqua eventualmente presente all'interno del muratura, un parametro importantissimo per scongiurare distacchi e difetti a valle dell'intervento di restauro.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Sviluppo di biocompositi rinforzati con fibre naturali

Negli ultimi anni sta diventando sempre più insistente la necessità di sviluppare nuovi materiali in grado di sostituire le comuni plastiche derivanti dal petrolio con bioplastiche ottenute da biopolimeri che spesso vengono rinforzate mediante riutilizzo di scarti agricoli, come fibre di bambù, in grado di conferire proprietà meccaniche migliori, dando vita ai biocompositi. In particolare, una delle risorse rinnovabili più promettenti al giorno d'oggi è la cellulosa, come quella contenuta nella fibra di bambù, che, usata come filler rinforzante, permette di ottenere biocompositi con caratteristiche meccaniche e termiche migliori rispetto alle matrici polimeriche pure tipo PHB e PLA. Questa nuova generazione di biocompositi può essere vista come evoluzione dei vecchi compositi e punta l’attenzione alla sostenibilità ed ecoefficienza ponendosi sul mercato come prodotti sostenibili, ecologici e competitivi, utilizzabili in svariati ambiti, dal packaging alimentare ai complementi d’arredo, dall’automotive all’edilizia, dall’industria tessile alle applicazioni biomedicali. Lo scopo di questo lavoro di Tesi è stato quello di realizzare e caratterizzare dal punto di vista termico e meccanico biocompositi a base di PLA con tre percentuali crescenti di filler naturale ed a base di PHB con le stesse percentuali di filler. I sei biocompositi sono stati realizzati tramite plastografo Brabender. In seguito, sono state effettuate le seguenti prove: 1) Calorimetria a scansione differenziale (DSC); 2) Stampaggio ad iniezione per la realizzazione dei campioni secondo la normativa; 3) Prove di trazione, al fine di capire se il filler avesse modificato il modulo di Young e l’allungamento a rottura della matrice pura; 4) Prove di impatto, effettuate per studiare la tenacità del materiale al variare delle diverse percentuali di filler; 5) Microscopio a scansione elettronica (SEM), con lo scopo di osservare l’adesione matrice-filler.

Analisi e standardizzazione del ciclo commessa dei materiali in conto lavoro: il caso HP Composites S.p.A.

HP Composites, azienda leader nella produzione di componenti in fibra di carbonio, a seguito della crescita di ordini commissionati dai suoi clienti, ha deciso di affidare a dei fornitori la produzione di alcune commesse, in alcune o in tutte le fasi del loro ciclo. L’elaborato di tesi nasce da un’esperienza di tirocinio nell’ufficio pianificazione di HP Composites, e si pone l’obiettivo di analizzare tutte le attività che, evitando di dedicare risorse alle lavorazioni selezionate, deve compiere per supportare il fornitore; l’analisi è stata effettuata tramite la costruzione di un diagramma di flusso e fornendo un indicazione del tempo richiesto da ogni attività, per poi poi avanzare delle proposte di ottimizzazione. Il ciclo commessa può essere suddiviso in quattro fasi: scelta della commessa e selezione del fornitore, attivazione del fornitore, gestione settimanale dell’evasione degli ordini e gestione del fine commessa. L’ufficio acquisti nel tempo si è specializzato individuando i temi da chiarire prima di attivare la fornitura per evitare l’insorgere di problematiche a produzione già attivata. Per quanto riguarda la gestione settimanale del fornitore, è stato istituito il ruolo del responsabile delle esternalizzazioni, una figura che funga da intermediario con il fornitore e monitori la produzione esterna: questa figura apporta un'alta quantità di interazioni, ma HP valuta maggiori i vantaggi di questa gestione centralizzata. Inoltre nel tempo le attività pianificazione sono state ottimizzate grazie alla stesura di file precompilati da aggiornare. Un’attività fonte di inefficienza è quella dell’emissione dei documenti di trasporto, soprattutto nel caso in cui il compito di consegnare il prodotto al cliente è deputato al fornitore di conto lavoro: HP Composites ha intenzione di implementare un lettore barcode per l’emissione del documento che ridurrebbe i tempi richiesti dall’attività e permetterebbe una gestione del conto lavoro a sistema più corretta.

Sviluppo ed ingegnerizzazione di nuovi sistemi ibridi a base di nanoparticelle inorganiche e bio-tensioattivi

In questo lavoro di tesi è stata investigata la sintesi di compositi a base di nano particelle di biossido di titanio rivestite da un bio-tensioattivo naturale. Il noto fotocatalizzatore (Nano-TiO2) è stato accoppiato ad un bio-tensioattivo dalle riconosciute proprietà antibatteriche, antivirali e anti-tumorali per ottenere un materiale composito multifunzionale. Diverse opzioni di design sono state investigate e la sintesi ottimizzata attraverso una caratterizzazione sistematica dei materiali prodotti, sia sulle sospensioni (DLS, ELS, TEM) sia sui prodotti granulati e calcinati (XRD, FT-IR, SEM, UV-Vis., BET). Per comprendere il ruolo del bio-tensioattivo e i potenziali effetti sinergici che il materiale composito potesse generare, si sono effettuate diverse caratterizzazioni funzionali testando il materiale per la realizzazione di nano-fasi fotocatalitiche da impiegare in processi di adsorbimento/degradazione di inquinanti acquosi, per la realizzazione di rivestimenti tessili antibatterici e come composito utile per l’assorbimento di metalli pesanti.

Studio e ottimizzazione del riciclo di CFRP tramite processo di pirogassificazione

I compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRC) stanno sempre più sostituendo i materiali convenzionali in applicazioni che necessitano di alte prestazioni meccaniche, grazie alla loro leggerezza e alle eccellenti proprietà meccaniche. Dato l'enorme incremento della loro produzione e delle loro applicazioni, uno dei principali problemi risiede nel loro smaltimento, sia a fine vita che degli scarti e sfridi di lavorazione. Inoltre, la produzione di fibre di carbonio (CF) necessita di un elevato fabbisogno energetico (183-286 MJ/kg), pertanto la possibilità di recupero dei compositi in ottica di riutilizzo delle CF sembra essere un'opzione promettente in termini di sostenibilità ed economia circolare. Nell’ottica di identificare una metodologia per recuperare e riciclare questi materiali, il lavoro della presente tesi di laurea sperimentale, svolto in collaborazione con Leonardo SpA, è stato quello di studiare e ottimizzare il processo di pirogassificazione su CRFP aeronautici.

CFRP modificati con membrane elettrofilate per il self-healing: ottimizzazione delle condizioni di cura e test di delaminazione

I compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio (Carbon fiber reinforced polymers, CFRP) posseggono proprietà meccaniche uniche rispetto ai materiali convenzionali, ed un peso decisamente inferiore. Queste caratteristiche, negli ultimi decenni, hanno determinato un crescente interesse nei confronti dei CFRP che ha portato a numerose applicazioni in settori come l’industria aerospaziale e l’automotive. Le sollecitazioni cui i CFRP laminati sono soggetti durante la vita d’uso possono causare fenomeni di delaminazione che, portando ad una drastica riduzione delle proprietà meccaniche del materiale, ne compromettono l’integrità strutturale. Nel presente lavoro di tesi, sono state integrate in laminati CFRP membrane elettrofilate da blend polimeriche con capacità di self-healing. Le migliori condizioni da applicare in fase di cura del composito sono state approfonditamente investigate mediante analisi termica (DSC). Per verificare la capacità di autoriparazione dei laminati modificati, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e Modo II prima e dopo il trattamento di attivazione del self-healing.

Fabbricazione mediante elettrofilatura di scaffold compositi per il trattamento di difetti ossei

Nel mio elaborato di tesi dal titolo “Fabbricazione mediante elettrofilatura di scaffold compositi per il trattamento di difetti ossei” tratto la fisiologia del tessuto osseo, le cellule che lo compongono, i danni che esso può subire e il processo di riparazione spontaneo che si attua in caso di lesioni. Analizzo quindi differenti tipologie di frattura e le terapie chirurgiche e non-chirurgiche attualmente disponibili, con un occhio di riguardo nei confronti dell’ingegneria dei tessuti - che intende riparare il tessuto danneggiato mediante l’impianto di costrutti bioibridi costituiti da cellule a bordo di scaffold realizzati con biomateriali adeguati. In quest’ottica presento quindi un lavoro di ricerca pubblicato recentemente da Yuwono et al., nel quale viene presentato uno scaffold composito elettrofilato, caratterizzato da nanofibre polimeriche e caricato con particelle di idrossiapatite, che viene proposto come un eccellente candidato all’utilizzo in terapia.

Equazione di Dirac in grafene con deformazioni di reticolo

In questa tesi si sono analizzate le principali conseguenze dovute alle deformazioni nel reticolo cristallino del grafene. Si è fatta innanzitutto, una descrizione generale della struttura cristallina, seguita dal caso specifico del reticolo esagonale del grafene. Si è poi, passati alla struttura elettronica studiata in approssimazione di legame forte tramite il formalismo della seconda quantizzazione, arrivando a descrivere la particolare struttura a bande coniche del grafene, dove i portatori di carica, detti quasiparticelle, sono ben descritti dall'equazione di Dirac. Si sono, in seguito, introdotte le deformazioni del reticolo e i metodi per ottenerle, arrivando ad ampliare l'equazione di Dirac, inserendo in essa gli effetti dei potenziali, pseudo-vettore e scalare, indotti dalla deformazione. Questi potenziali indotti portano con loro alcune conseguenze, si sono analizzate in particolare quelle sulla distribuzione di carica, con particolare attenzione agli effetti di confinamento, e quelle sul trasporto di carica, in particolare riguardanti il filtraggio di valle.

Metodi per la stima ab initio del gap energetico nei materiali

In questa tesi è stato svolto il calcolo di alcune proprietà dei materiali usando un approccio ab initio, in particolare i gap energetici e le DOS (densità di stati) di silicio e ossido di nichel. Per fare ciò, sono state usate tre diverse teorie: DFT (Density Functional Theory), DFT+U e GW. Nei primi tre capitoli sono state spiegate le tre approssimazioni fatte e le basi teoriche. Nel quarto capitolo si presentano i risultati. In particolare il gap del silicio usando la DFT è di 0.6617 eV che risulta più basso di quello sperimentale di 1.12 eV a causa dei limiti della DFT. Per la DFT+U è stato svolto il calcolo sull’ossido di nichel perché presenta orbitali d, interessati maggiormente nella correzione apportata. L’energia di gap calcolata è di 3.3986 eV . Per quel che riguarda l’approssimazione GW, è stata svolta anch’essa sul silicio e restituisce un gap di 1.301 eV , che risulta più vicino alla misura sperimentale rispetto alla DFT.

Razionalizzazione di un sistema di stoccaggio dei materiali: il caso Marazzi Group.

Oggigiorno le aziende si trovano ad operare in mercati aventi caratteristiche comuni; le difficoltà presenti nelle catene del valore sono evidenti: risulta complicato non solo reperire la materia prima per realizzare il prodotto finito, ma anche l’energia necessaria per avviare i processi di trasformazione. Partendo da queste considerazioni, l’incremento dei costi aziendali risulta purtroppo scontato; è quindi necessario ricercare metodi per ridurli e per mantenere invariato il margine di contribuzione sul prodotto finito. Questo elaborato va ad esaminare le attività presenti all’interno del magazzino prodotti finiti di Marazzi Group, azienda leader nella produzione del grès porcellanato, cercando di proporre alcuni miglioramenti applicabili nella quotidianità. Nello specifico, tramite l’applicazione del principio di Pareto, siamo andati a suddividere gli articoli e le locazioni in classi cercando di determinare l’allocazione ottimale per ridurre al minimo le movimentazioni e i relativi sprechi. Una volta determinata la situazione attuale, abbiamo cercato di creare uno strumento che permettesse di monitorare in qualsiasi istante la gestione da parte del responsabile. Inoltre, considerando la saturazione delle varie locazioni, siamo andati a creare un file in grado di indirizzare il materiale in ingresso nella stiva più adeguata. L’introduzione di questi miglioramenti ha portato benefici sia da un punto di vista quantitativo sia qualitativo. A livello quantitativo è stato possibile osservare una riduzione dei costi collegati al personale, al carburante e alla manutenzione dei carrelli. D’altro canto, a livello qualitativo abbiamo riscontrato una riduzione nei tempi di preparazione e di spedizione, aumentando così la capacità produttiva del magazzino.

Studio e implementazione del processo di polarizzazione in AC su materiali piezoelettrici nanofibrosi

I materiali piezoelettrici sono una classe di materiali che hanno la capacità di convertire energia elettrica in meccanica, e viceversa. I piezoelettrici si suddividono in tre classi: naturarli, ceramici e polimerici. Quest'ultimi, seppur mostrando coefficienti piezoelettrici non elevati rispetto ai primi due, presentano grandi vantaggi in termini di proprietà meccaniche, essendo per esempio molto flessibili, grazie anche all'ausilio delle nanotecnologie. In questo elaborato si è utilizzato il PVDF-TrFE, un materiale polimerico, prodotto sotto forma di nanofibre tramite il processo di elettrofilatura. La struttura nanofibrosa incrementa le proprietà piezoelettriche, che dipendono dalla superficie totale del materiale, poiché massimizza il rapporto superficie/volume. Lo scopo dell'elaborato è quello di ottimizzare il processo di polarizzazione, e quindi incrementare la risposta elettromeccanica dei provini a seguito di una sollecitazione, applicando una tecnica innovativa. Questa prevede l'applicazione di un campo elettrico AC sinusoidale, partendo da un valor nullo fino a un valore massimo di regime, continuando successivamente con un campo in DC avente la stessa apiezza massima. Questa tecnica è stata applicata a differenti provini di PVDF-TrFE, variando alcuni parametri come frequenza, numero di cicli e temperatura. I valori misurati sono stati suddivisi in diversi grafici al variare della temperatura, mostrando notevoli miglioramenti rispetto alle tecniche già note di polarizzazione. È stata inoltre mostrata la struttura in scala nanometrica delle fibre, valutando così l'effetto della temperatura di esercizio sui provini durante il processo di polarizzazione.

Introduzione di un piano di campionamento indicizzato secondo l'AQL per i materiali in ingresso nel settore del material handling e dell'intralogistica. Il caso System Logistics S.p.A.

L’elaborato si è sviluppato all'interno dell’azienda System Logistics S.p.A. di Fiorano Modenese, leader nel settore del material handling e dell’intralogistica. Il focus dell'elaborato è sulla progettazione di un piano di campionamento indicizzato secondo il livello di qualità accettabile. Successivamente ad una presentazione più approfondita dell’azienda e dei prodotti offerti, si passa all’introduzione teorica dei temi dell’intralogistica e della qualità. Questo permette di comprendere il contesto operativo più generale in cui si inserisce il progetto. Infatti, la parte centrale è dedicata alla presentazione delle origini, degli obiettivi e della metodologia del progetto, in particolare, anticipando le procedure che si sono poste come basi strutturali della progettazione. La parte finale descrive il processo statistico che ha portato all’ottenimento del nuovo piano di campionamento e la sua applicazione empirica ai componenti più critici della navetta del LogiMate, il più recente prodotto dell’azienda. In quest’ultima fase si pone il focus sul processo di raccolta e analisi dei dati presentando, in particolare, un’analisi comparativa rispetto alla situazione iniziale dal punto di vista del rischio e un’analisi effettuata con le Carte di Controllo sul processo produttivo di un fornitore. L’esposizione è realizzata anche mediante grafici, ottenuti principalmente attraverso il supporto di Excel e Minitab, al fine illustrare in modo più agevole ed esplicito i risultati ottenuti.