Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.

Waste management in Forlì-Cesena province: Life Cycle Assessment (LCA) of Forlì incinerator

This work assesses the environmental impact of a municipal solid waste incinerator with energy recovery in Forlì-Cesena province (Emilia-Romagna region, Italy). The methodology used is Life Cycle Assessment (LCA). As the plant already applies the best technologies available in waste treatment, this study focuses on the fate of the residues (bottom and fly ash) produced during combustion. Nine scenarios are made, based on different ash treatment disposing/recycling techniques. The functional unit is the amount of waste incinerated in 2011. Boundaries are set from waste arrival in the plant to the disposal/recovery of the residues produced, with energy recovery. Only the operative period is considered. Software used is GaBi 4 and the LCIA method used is CML2001. The impact categories analyzed are: abiotic depletion, acidification, eutrophication, freshwater aquatic ecotoxicity, global warming, human toxicity, ozone layer depletion, photochemical oxidant formation, terrestrial ecotoxicity and primary energy demand. Most of the data are taken from Herambiente. When primary data are not available, data from Ecoinvent and GaBi databases or literature data are used. The whole incineration process is sustainable, due to the relevant avoided impact given by co-generator. As far as regards bottom ash treatment, the most influential process is the impact savings from iron recovery. Bottom ash recycling in road construction or as building material are both valid alternatives, even if the first option faces legislative limits in Italy. Regarding fly ash inertization, the adding of cement and Ferrox treatment results the most feasible alternatives. However, this inertized fly ash can maintain its hazardous nature. The only method to ensure the stability of an inertized fly ash is to couple two different stabilization treatments. Ash stabilization technologies shall improve with the same rate of the flexibility of the national legislation about incineration residues recycling.

Capacità fitoestrattive della specie Dittrichia viscosa su suoli derivanti da attività mineraria

La phytoremediation si colloca nel campo dei nuovi interventi di bonifica come una tecnica verde, sostenibile e a basso costo, che può sostituire le ordinarie tecniche ingegneristiche in condizioni di inquinamento da basso a moderato. Si basa sull'utilizzo di piante per contenere, rimuovere o degradare i contaminanti presenti in suolo, sedimenti e acque. In questo studio sono state valutate le capacità fitoestrattive della specie Dittrichia viscosa in suoli derivanti da attività mineraria. Il campionamento è stato realizzato in due siti minerari, il distretto minerario di Montevecchio (VS) e la miniera di Libiola (GE) ed in cinque siti non minerari utilizzati come riferimento e controllo. In ogni sito è stato campionato suolo rizosferico e campioni vegetali della specie D. viscosa. Lo studio si è focalizzato su cinque metalli pesanti molto diffusi e pericolosi: Cu, Ni, Pb, Zn e Cd. Per valutare a quale livello della pianta vengono accumulati, ogni campione vegetale è stato separato in tre porzioni, radici, fusto e foglie, che sono state analizzate separatamente; inoltre, sono state determinate le concentrazioni totali e biodisponibili dei cinque metalli nei suoli rizosferici campionati. Dallo studio è emerso che la specie D. viscosa tende ad accumulare i contaminanti indagati soprattutto a livello fogliare nonostante non sia sempre dimostrato nei campioni provenienti dal sito di Libiola. Grazie alle buone capacità che la pianta presenta nell'accumulare Ni e Zn nell'apparato radicale, e nel trasferire Zn, Pb e Cd nell'apparato fogliare, D. viscosa può essere considerata una buona candidata negli interventi di fitorimedio.

Study of a wind-wave numerical model and its integration with ocean and oil-spill numerical models

The ability to represent the transport and fate of an oil slick at the sea surface is a formidable task. By using an accurate numerical representation of oil evolution and movement in seawater, the possibility to asses and reduce the oil-spill pollution risk can be greatly improved. The blowing of the wind on the sea surface generates ocean waves, which give rise to transport of pollutants by wave-induced velocities that are known as Stokes’ Drift velocities. The Stokes’ Drift transport associated to a random gravity wave field is a function of the wave Energy Spectra that statistically fully describe it and that can be provided by a wave numerical model. Therefore, in order to perform an accurate numerical simulation of the oil motion in seawater, a coupling of the oil-spill model with a wave forecasting model is needed. In this Thesis work, the coupling of the MEDSLIK-II oil-spill numerical model with the SWAN wind-wave numerical model has been performed and tested. In order to improve the knowledge of the wind-wave model and its numerical performances, a preliminary sensitivity study to different SWAN model configuration has been carried out. The SWAN model results have been compared with the ISPRA directional buoys located at Venezia, Ancona and Monopoli and the best model settings have been detected. Then, high resolution currents provided by a relocatable model (SURF) have been used to force both the wave and the oil-spill models and its coupling with the SWAN model has been tested. The trajectories of four drifters have been simulated by using JONSWAP parametric spectra or SWAN directional-frequency energy output spectra and results have been compared with the real paths traveled by the drifters.

Fast and accurate numerical solutions in some problems of particle and radiation transport: synthetic acceleration for the method of short characteristics, Doppler-broadened scattering kernel, remote sensing of the cryosphere

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors.

Convertitori SEPIC per applicazioni fotovoltaiche

Introduzione e principio della generazione fotovoltaica. Studio dei convertitori DC/DC, con particolare attenzione al convertitore di tipo SEPIC. Analisi degli algoritmi di MPPT. Verifica di alcune casistiche pratiche su impianti fotovoltaici di tipo stand alone.

Spectral estimates and preconditioning for saddle point systems arising from optimization problems

In this thesis, we consider the problem of solving large and sparse linear systems of saddle point type stemming from optimization problems. The focus of the thesis is on iterative methods, and new preconditioning srategies are proposed, along with novel spectral estimtates for the matrices involved.

Modelling the dynamic response of rockfall protection barriers

Mountainous areas are prone to natural hazards like rockfalls. Among the many countermeasures, rockfall protection barriers represent an effective solution to mitigate the risk. They are metallic structures designed to intercept rocks falling from unstable slopes, thus dissipating the energy deriving from the impact. This study aims at providing a better understanding of the response of several rockfall barrier types, through the development of rather sophisticated three-dimensional numerical finite elements models which take into account for the highly dynamic and non-linear conditions of such events. The models are built considering the actual geometrical and mechanical properties of real systems. Particular attention is given to the connecting details between the structural components and to their interactions. The importance of the work lies in being able to support a wide experimental activity with appropriate numerical modelling. The data of several full-scale tests carried out on barrier prototypes, as well as on their structural components, are combined with results of numerical simulations. Though the models are designed with relatively simple solutions in order to obtain a low computational cost of the simulations, they are able to reproduce with great accuracy the test results, thus validating the reliability of the numerical strategy proposed for the design of these structures. The developed models have shown to be readily applied to predict the barrier performance under different possible scenarios, by varying the initial configuration of the structures and/or of the impact conditions. Furthermore, the numerical models enable to optimize the design of these structures and to evaluate the benefit of possible solutions. Finally it is shown they can be also used as a valuable supporting tool for the operators within a rockfall risk assessment procedure, to gain crucial understanding of the performance of existing barriers in working conditions.

Verso il consumo sostenibile: i prodotti biologici nelle abitudini alimentari degli italiani

Scegliere di consumare in modo sostenibile significa passare ad un nuovo modello di consumo. Tale modello richiede una maggiore consapevolezza e responsabilità da parte dei consumatori, unite all'adozione di nuovi stili di vita e di scelte d’acquisto, che permettano il raggiungimento di elevati livelli di benessere nel rispetto dell'ambiente. Un notevole sforzo è stato compiuto recentemente dai policy maker per incoraggiare il consumo sostenibile quali implementazioni dello sviluppo sostenibile. Ancora lunga, tuttavia, è la strada da percorrere per raggiungere pienamente questo obiettivo. Tra i prodotti sostenibili, il biologico si è rivelato di gran lunga il più rappresentativo: le statistiche di questo mercato mostrano, infatti, tendenze positive, sebbene il consumo risulti ancora eterogeneo e contenuto rispetto al consumo di alimenti convenzionali. Ciò mostra che il comportamento dei consumatori non è ancora abbastanza reattivo alle suddette politiche. Il presente studio si propone di contribuire alla ricerca sul consumo sostenibile approfondendo i fattori che incoraggiano o impediscono il consumo di prodotti alimentari biologici in Italia. Adottando un nuovo approccio si cerca di capire come i diversi segmenti di diete alimentari affrontino gli alimenti biologici in termini di consumi e di atteggiamenti. Un'analisi multivariata a più fasi è stata condotta su un campione di 3.004 consumatori. Un’analisi delle componenti principali non lineare è stata applicata alle variabili ordinali che misurano il consumo di ventuno categorie di alimenti. Successivamente è stata applicata la cluster analysis che ha dato luogo a quattro segmenti di abitudini alimentari. I prodotti biologici sono diventati parte delle abitudini alimentari in Italia in quasi un terzo della popolazione. Il consumo sembra essersi affermato soprattutto nel segmento con abitudini alimentari sane. Una scarsa attenzione ad una dieta sana, gli stili di vita, il reddito, l'accessibilità, la mancanza di consapevolezza condizionano le abitudini alimentari a scapito di un consumo più sostenibile.

Performance studies of the CMS distributed analysis system in the associated Higgs boson production with top quarks

L'obiettivo di questa tesi è studiare la fattibilità dello studio della produzione associata ttH del bosone di Higgs con due quark top nell'esperimento CMS, e valutare le funzionalità e le caratteristiche della prossima generazione di toolkit per l'analisi distribuita a CMS (CRAB versione 3) per effettuare tale analisi. Nel settore della fisica del quark top, la produzione ttH è particolarmente interessante, soprattutto perchè rappresenta l'unica opportunità di studiare direttamente il vertice t-H senza dover fare assunzioni riguardanti possibili contributi dalla fisica oltre il Modello Standard. La preparazione per questa analisi è cruciale in questo momento, prima dell'inizio del Run-2 dell'LHC nel 2015. Per essere preparati a tale studio, le implicazioni tecniche di effettuare un'analisi completa in un ambito di calcolo distribuito come la Grid non dovrebbero essere sottovalutate. Per questo motivo, vengono presentati e discussi un'analisi dello stesso strumento CRAB3 (disponibile adesso in versione di pre-produzione) e un confronto diretto di prestazioni con CRAB2. Saranno raccolti e documentati inoltre suggerimenti e consigli per un team di analisi che sarà eventualmente coinvolto in questo studio. Nel Capitolo 1 è introdotta la fisica delle alte energie a LHC nell'esperimento CMS. Il Capitolo 2 discute il modello di calcolo di CMS e il sistema di analisi distribuita della Grid. Nel Capitolo 3 viene brevemente presentata la fisica del quark top e del bosone di Higgs. Il Capitolo 4 è dedicato alla preparazione dell'analisi dal punto di vista degli strumenti della Grid (CRAB3 vs CRAB2). Nel capitolo 5 è presentato e discusso uno studio di fattibilità per un'analisi del canale ttH in termini di efficienza di selezione.

Analisi del microclima e valutazione integrata del rischio per ambienti confinati e sensibili: il caso della Biblioteca Classense

Il presente lavoro nasce dall’esigenza maturata, oramai da diversi decenni, di conoscere l’ambiente che circonda i beni culturali, in virtù della loro intrinseca natura non rinnovabile. La ricerca si compone di due parti: l’analisi microclimatica e lo sviluppo di una metodologia innovativa di analisi relativa del rischio, che vede come bersagli i beni culturali, con particolare riferimento a quelli librari. In particolare, sulla base dei dati di temperatura, umidità relativa, concentrazioni di NO2 e O3, misurati in alcune sale della Biblioteca Classense di Ravenna, nel periodo dal 21 luglio al 7 agosto 2014, è stato possibile caratterizzare diversi ambienti confinati, tra loro eterogenei, e confrontare le dinamiche che s’instaurano tra l’ambiente indoor e quello outdoor, mediante, ad esempio, il calcolo del cosiddetto rapporto Indoor/Outdoor (I/O) e la stima del tasso di ventilazione. È stata poi proposta una metodologia di analisi del rischio che valuta i suddetti parametri microclimatici, come fattori di rischio. Attraverso tale metodologia, che identifica gli eventuali stati anomali nel sistema, è possibile giungere ad una definizione delle priorità per quegli aspetti esaminati che potrebbero discostarsi dalle condizioni di benessere, provocando un’accelerazione dei processi di degrado dei beni librari. Tale metodologia, infine, è stata applicata alle sale oggetto dell’analisi microclimatica, allo scopo di identificare eventuali fattori di rischio microclimatici.

Bex: un ambiente user-friendly per esplorare articoli scientifici e bibliografie

Un'applicazione web user-friendly di supporto ai ricercatori per l'esecuzione efficiente di specifici tasks di ricerca e analisi di articoli scientifici

Progetto lavanda: ottimizzazione del servizio attraverso uno studio statistico - gestionale e focus sul fine vita dei pannolini compostabili

L'obiettivo di questo elaborato é quello di mettere in evidenza una categoria critica dei rifiuti: i pannolini usa e getta. Essi, infatti, consumano una quantità ingente di risorse ed energia ed inoltre producono un enorme impatto ambientale connesso allo smaltimento finale. Si pensi che quest'ultimi rappresentano circa il 5% del totale dei rifiuti prodotti: 2 miliardi di pannolini solo in Italia che impiegano più di 500 anni per decomporsi in discarica. Per studiare questo fenomeno si è presa in considerazione una cooperativa sociale bolognese che ha molto a cuore la salvaguardia dell'ambiente e che, attraverso un suo progetto, il progetto Lavanda, ha istituito una lavanderia che si occupa di fornire attraverso il noleggio pannolini lavabili agli asili del territorio: la cooperativa Eta Beta. Inoltre, recentemente, essa ha deciso di utilizzare anche pannolini compostabili, forniti dall'azienda IES Gas, per ridurre ulteriormente le emissioni nell'ambiente. Infatti il motore principale della cooperativa è quello di coniugare la raccolta differenziata alla riduzione dei rifiuti, concetto che dovrebbe essere alla base di ogni azienda, ogni famiglia, ogni persona ma che in Italia risulta di difficile realizzazione.Utilizzando i dati dalla Cooperativa e contattando le cooperative che collaborano con essa (Cadiai e Karabak) ed anche gli asili affiliati si è deciso di effettuare un'analisi statistico - gestionale per individuare il numero medio di pannolini utilizzati da un bambino in un anno scolastico andando a considerare diverse variabili come la tipologia di asilo, l'età dei bambini o le presenze. Dopo questa parentesi 'gestionale', lo studio ha ripreso un'impronta 'ambientale': infatti si è andato a studiare il processo anaerobico e aerobico per lo smaltimento dei pannolini compostabili attraverso un esperimento svolto presso il laboratorio di Chimica e di Processo del DICAM, facoltà di Ingegneria, Alma Mater Studiorum di Bologna

Funzioni polinomiali negli anelli z_(p^n)

Questa ricerca affronta in maniera interdisciplinare il tema delle funzioni polinomiali definite sugli anelli degli interi modulo la potenza di un numero primo. In primo luogo è stato esaminato il caso particolare del campo Zp, dimostrando che in esso tutte le funzioni sono polinomiali. In seguito è stato calcolato il numero delle funzioni polinomiali negli interi modulo 9 e modulo 25, mostrando un procedimento che può essere esteso a qualsiasi potenza di un numero primo. Esso fa uso di alcuni risultati di teoria dei numeri e di aritmetica e affronta il tema da un punto di vista prettamente algebrico. A queste dimostrazioni è stato affiancato un esperimento di tipo statistico, il cui obiettivo è cercare una regolarità che permetta, dati il numero primo p e il suo esponente n, di calcolare immediatamente il numero delle funzioni polinomiali nell'anello degli interi modulo p^n. Sono state presentate due congetture, ottenute utilizzando strumenti di tipo informatico: un software di calcolo e un linguaggio di programmazione ad alto livello. Gli strumenti della statistica descrittiva, in particolare il test di Pearson, si sono rivelati essenziali per verificare l'adeguatezza delle supposizioni. Questa ricerca può essere considerata il punto di partenza per dimostrare (o confutare) quello che è stato ipotizzato attraverso un'analisi di tipo sperimentale.

Tadao ando in italia. Il confronto con l'antico.

La ricerca ha l’intento di cercare di comprendere come l'architetto giapponese Tadao Ando, proveniente da una formazione autodidatta, da una cultura orientale e da una realtà in cui solo architetti con una specifica formazione possono intervenire su architetture vincolate dalla locale Legge sulla Tutela dei Beni Culturali, si approcci ad una materia di certo per lui nuova, realizzando progetti su edifici dichiarati di interesse dal Ministero dei Beni Culturali o da istituzioni equivalenti. Quindi comprendere, in modo specifico, con quale spirito e/o con quale filosofia Tadao Ando ha approcciato i progetti di restauro su edifici esistenti e quale sforzo interiore ha dovuto affrontare per adeguare la sua idea istintiva ai vincoli storici, culturali, paesaggistici e urbanistici, propri della nostra nazione. Operando, inoltre, in un Paese nel quale l’architettura costituisce una parte cospicua della memoria solida dell’umanità e il recupero dell’esistente patrimonio architettonico è uno degli elementi fondamentali che lega la comunità al territorio, il passato al presente, garantendo a quest’ultimo il futuro; in un Paese nel quale le architetture contemporanee devono, o avrebbero dovuto, dialogare in modo armonico con il preesistente. Per analizzare il suo “modus operandi” si studiano e analizzano tutte le opere che l’architetto ha realizzato o sta realizzando in Italia su edifici di interesse storico-architettonico, tenendo sempre presenti, oltre agli aspetti culturali, anche gli obiettivi della committenza, lo stato di fatto delle architetture oggetto di intervento, l'analisi delle scelte progettuali iniziali, l'indagine di tutti i cambiamenti avvenuti nel corso della progettazione e dell’esecuzione dell’opera e i rapporti che intercorrono tra l’architetto e le Soprintendenze, al fine di comprendere le circostanze in base alle quali Tadao Ando abbia avviato le sue riflessioni progettuali su edifici “antichi”; sulle quali egli è stato in grado di relazionare la sua architettura con l’architettura l’"antica".