Ms. lat. qu. 128 - Delle tratte ed estrazioni

Vorbesitzer: Johann Hieronymus Zum Jungen

De la pirotechnia. Libri X. : doue ampiamente si tratta non solo di ogni sorte & diuersita di miniere, ma anchora quanto si ricerca intorno a la prattica di quelle cose di quel che si appartiene a l'arte de la fusione ouer gitto de metalli come d'ogni altra cosa simile a questa /

CCBE S. XVI,

Zinc, cadmium and lead resistance mechanisms in bacteria and their contribution to biosensing

In bacteria resistance to heavy metals is mainly achieved through active efflux, but also sequestration with proteins or as insoluble compounds is used. Although numerous studies have dealt with zinc, cadmium and lead resistance mechanisms in bacteria, it has still remained unclear how different transporters are integrated into an effective homeostasis/resistance network and whether specific mechanisms for lead sequestration exist. Furthermore, since metals are toxic not only to bacteria but to higher organisms as well, it is important to be able to estimate possible biological effects of heavy metals in the environment. This could be done by determining the bioavailable amount of the metals in the environment with bacterial bioreporters. That is, one can employ bacteria that respond to metal contamination by a measurable signal to assess the property of metals to cross biological membranes and to cause harmful effects in a possibly polluted environment. In this thesis a new lead resistance mechanism is described, interplay between CBA transporters and P-type ATPases in zinc and cadmium resistance is presented and finally the acquired knowledge is used to construct bacterial bioreporters for heavy metals with increased sensitivity and specificity. The new lead resistance model employs a P-type ATPase that removes Pb2+ ions from the cytoplasm and a phosphatase that produces inorganic phosphate for lead sequestration in the periplasm. This was the first study where the molecular mechanism of lead sequestration has been described. Characterization of two P-type ATPases and two CBA transporters showed that resistance mechanisms for Zn2+ and Cd2+ are somewhat different than for Pb2+ as these metals cannot be sequestered as insoluble compounds as easily. Resistance to Zn2+ was conferred merely by the CBA transporter that could export both cytoplasmic and periplasmic ions; whereas, full resistance to Cd2+ required interplay of a P-type ATPase that exported cytoplasmic ions to periplasm and a CBA transporter that further exported periplasmic ions to the outside. The knowledge on functionality of the transporters and metal-inducible promoters was exploited in bioreporter technology. A transporter-deficient bioreporter strain that lacked exporters for Zn2+/Cd2+/Pb2+ could detect up to 45-fold lower metal concentrations than its wild type counterpart due to the accumulation of metals in the cell. The broad specificity issue of bioreporters was overcome by using Zn-specific promoter as a sensor element, thus achieving Zn-specific bioreporter.

Enzyme molecular choreography : studies on soluble inorganic pyrophosphatases

Inorganic pyrophosphatases (PPases, EC 3.6.1.1) hydrolyse pyrophosphate in a reaction that provides the thermodynamic 'push' for many reactions in the cell, including DNA and protein synthesis. Soluble PPases can be classified into two families that differ completely in both sequence and structure. While Family I PPases are found in all kingdoms, family II PPases occur only in certain prokaryotes. The enzyme from baker's yeast (Saccharomyces cerevisiae) is very well characterised both kinetically and structurally, but the exact mechanism has remained elusive. The enzyme uses divalent cations as cofactors; in vivo the metal is magnesium. Two metals are permanently bound to the enzyme, while two come with the substrate. The reaction cycle involves the activation of the nucleophilic oxygen and allows different pathways for product release. In this thesis I have solved the crystal structures of wild type yeast PPase and seven active site variants in the presence of the native cofactor magnesium. These structures explain the effects of the mutations and have allowed me to describe each intermediate along the catalytic pathway with a structure. Although establishing the ʻchoreographyʼ of the heavy atoms is an important step in understanding the mechanism, hydrogen atoms are crucial for the mechanism. The most unambiguous method to determine the positions of these hydrogen atoms is neutron crystallography. In order to determine the neutron structure of yeast PPase I perdeuterated the enzyme and grew large crystals of it. Since the crystals were not stable at ambient temperature, a cooling device was developed to allow neutron data collection. In order to investigate the structural changes during the reaction in real time by time-resolved crystallography a photolysable substrate precursor is needed. I synthesised a candidate molecule and characterised its photolysis kinetics, but unfortunately it is hydrolysed by both yeast and Thermotoga maritima PPases. The mechanism of Family II PPases is subtly different from Family I. The native metal cofactor is manganese instead of magnesium, but the metal activation is more complex because the metal ions that arrive with the substrate are magnesium different from those permanently bound to the enzyme. I determined the crystal structures of wild type Bacillus subtilis PPase with the inhibitor imidodiphosphate and an inactive H98Q variant with the substrate pyrophosphate. These structures revealed a new trimetal site that activates the nucleophile. I also determined that the metal ion sites were partially occupied by manganese and iron using anomalous X- ray scattering.

Schiff Base Complexes and their Assemblies on Surfaces

Schiff bases and their transition metal complexes are of significant current interest even though they have been prepared for decades. They have been used in various applications such as catalysis, corrosion protection, and molecular sensors. In this study, N-aryl Schiff base ketimine ligands as well as numerous new, differently substituted salen and salophen-type ligands and their cobalt(II), copper(II), iron(II), manganese(II), and nickel(II) complexes were synthesised. New solid state structures of the above compounds and the dioxygen coordination properties of cobalt(II) complexes and catalytic properties of three synthesised binuclear complexes were examined. The prepared complexes were applied in the formation of self-assembled layers on a polycrystalline gold surface and liquid-graphite interface. The effect of metal ion and ligand structure on the as-formed patterns was studied. When studying gold surfaces, a unique thiol-assisted dissolution of elemental gold was observed and a new thin gold foil preparation method was introduced. In the summary, synthesis, structures, and properties of Schiff base ligands and their transition metal complexes are described in detail and the applications of these reviewed. Assemblies of other complexes on a liquid-graphite interface and on a gold surface are also presented, and the surface characterisation methods and surfaces employed are described.

Studies on metal complex formation of environmentally friendly aminopolycarboxylate chelating agents

Aminopolykarboksyylaatteja, kuten etyleenidiamiinitetraetikkahappoa (EDTA), on käytetty useiden vuosikymmenien ajan erinomaisen metalli-ionien sitomiskyvyn vuoksi kelatointiaineena lukuisissa sovelluksissa sekä analytiikassa että monilla teollisisuuden aloilla. Näiden yhdisteiden biohajoamattomuus on kuitenkin herättänyt huolta viime aikoina, sillä niiden on havaittu olevan hyvin pysyviä luonnossa. Tämä työ on osa laajempaa tutkimushanketta, jossa on tavoitteena löytää korvaavia kelatointiaineita EDTA:lle. Tutkimuksen aiheena on kuuden kelatointiaineen metalli-ionien sitomiskyvyn kartoitus. EDTA:a paremmin luonnossa hajoavina nämä ovat ympäristöystävällisiä ehdokkaita korvaaviksi kelatointiaineiksi useisiin sovelluksiin. Työssä tutkittiin niiden kompleksinmuodostusta useiden metalli-ionien kanssa potentiometrisella titrauksella. Metalli-ionivalikoima vaihteli hieman kelatointiaineesta riippuen sisältäen magnesium-, kalsium-, mangaani-, rauta-, kupari-, sinkki-, kadmium-, elohopea-, lyijy- ja lantaani-ionit. Tutkittavat metallit oli valittu tähtäimessä olevien sovellusten, synteesissä ilmenneiden ongelmien tai ympäristönäkökohtien perusteella. Tulokset osoittavat näiden yhdisteiden metallinsitomiskyvyn olevan jonkin verran heikompi kuin EDTA:lla, mutta kuitenkin riittävän useisiin sovelluksiin kuten sellunvalkaisuprosessiin. Myrkyllisten raskasmetallien, kadmiumin, elohopen ja lyijyn kohdalla EDTA:a heikompi sitoutuminen on eduksikin, koska se yhdistettynä parempaan biohajoavuuteen saattaa alentaa tutkittujen yhdisteiden kykyä mobilisoida kyseisiä metalleja sedimenteistä. Useimmilla tutkituista yhdisteistä on ympäristönäkökulmasta etuna myös EDTA:a pienempi typpipitoisuus.

Multiscale study on hydrogen mobility in metallic fusion divertor material

For achieving efficient fusion energy production, the plasma-facing wall materials of the fusion reactor should ensure long time operation. In the next step fusion device, ITER, the first wall region facing the highest heat and particle load, i.e. the divertor area, will mainly consist of tiles based on tungsten. During the reactor operation, the tungsten material is slowly but inevitably saturated with tritium. Tritium is the relatively short-lived hydrogen isotope used in the fusion reaction. The amount of tritium retained in the wall materials should be minimized and its recycling back to the plasma must be unrestrained, otherwise it cannot be used for fueling the plasma. A very expensive and thus economically not viable solution is to replace the first walls quite often. A better solution is to heat the walls to temperatures where tritium is released. Unfortunately, the exact mechanisms of hydrogen release in tungsten are not known. In this thesis both experimental and computational methods have been used for studying the release and retention of hydrogen in tungsten. The experimental work consists of hydrogen implantations into pure polycrystalline tungsten, the determination of the hydrogen concentrations using ion beam analyses (IBA) and monitoring the out-diffused hydrogen gas with thermodesorption spectrometry (TDS) as the tungsten samples are heated at elevated temperatures. Combining IBA methods with TDS, the retained amount of hydrogen is obtained as well as the temperatures needed for the hydrogen release. With computational methods the hydrogen-defect interactions and implantation-induced irradiation damage can be examined at the atomic level. The method of multiscale modelling combines the results obtained from computational methodologies applicable at different length and time scales. Electron density functional theory calculations were used for determining the energetics of the elementary processes of hydrogen in tungsten, such as diffusivity and trapping to vacancies and surfaces. Results from the energetics of pure tungsten defects were used in the development of an classical bond-order potential for describing the tungsten defects to be used in molecular dynamics simulations. The developed potential was utilized in determination of the defect clustering and annihilation properties. These results were further employed in binary collision and rate theory calculations to determine the evolution of large defect clusters that trap hydrogen in the course of implantation. The computational results for the defect and trapped hydrogen concentrations were successfully compared with the experimental results. With the aforedescribed multiscale analysis the experimental results within this thesis and found in the literature were explained both quantitatively and qualitatively.

Radiation effects in supported nanoparticles

Nanotechnology applications are entering the market in increasing numbers, nanoparticles being among the main classes of materials used. Particles can be used, e.g., for catalysing chemical reactions, such as is done in car exhaust catalysts today. They can also modify the optical and electronic properties of materials or be used as building blocks for thin film coatings on a variety of surfaces. To develop materials for specific applications, an intricate control of the particle properties, structure, size and shape is required. All these depend on a multitude of factors from methods of synthesis and deposition to post-processing. This thesis addresses the control of nanoparticle structure by low-energy cluster beam deposition and post-synthesis ion irradiation. Cluster deposition in high vacuum offers a method for obtaining precisely controlled cluster-assembled materials with minimal contamination. Due to the clusters small size, however, the cluster-surface interaction may drastically change the cluster properties on deposition. In this thesis, the deposition process of metal and alloy clusters on metallic surfaces is modelled using molecular dynamics simulations, and the mechanisms influencing cluster structure are identified. Two mechanisms, mechanical melting upon deposition and thermally activated dislocation motion, are shown to determine whether a deposited cluster will align epitaxially with its support. The semiconductor industry has used ion irradiation as a tool to modify material properties for decades. Irradiation can be used for doping, patterning surfaces, and inducing chemical ordering in alloys, just to give a few examples. The irradiation response of nanoparticles has, however, remained an almost uncharted territory. Although irradiation effects in nanoparticles embedded inside solid matrices have been studied, almost no work has been done on supported particles. In this thesis, the response of supported nanoparticles is studied systematically for heavy and light ion irradiation. The processes leading to damage production are identified and models are developed for both types of irradiation. In recent experiments, helium irradiation has been shown to induce a phase transformation from multiply twinned to single-crystalline nanoparticles in bimetallic alloys, but the nature of the transition has remained unknown. The alloys for which the effect has been observed are CuAu and FePt. It is shown in this thesis that transient amorphization leads to the observed transition and that while CuAu and FePt do not amorphize upon irradiation in bulk or as thin films, they readily do so as nanoparticles. This is the first time such an effect is demonstrated with supported particles, not embedded in a matrix where mixing is always an issue. An understanding of the above physical processes is essential, if nanoparticles are to be used in applications in an optimal way. This thesis clarifies the mechanisms which control particle morphology, and paves way for the synthesis of nanostructured materials tailored for specific applications.

Characterisation of cellulose- and lignin-based materials using x-ray scattering methods

Wood is an important material for the construction and pulping industries. Using x-ray diffraction the microfibril angle of Sitka spruce wood was studied in the first part of this thesis. Sitka spruce (Picea sitchensis [Bong.] Carr.) is native to the west coast of North America, but due to its fast growth rate, it has also been imported to Europe. So far, its nanometre scale properties have not been systematically characterised. In this thesis the microfibril angle of Sitka spruce was shown to depend significantly on the origin of the tree in the first annual rings near the pith. Wood can be further processed to separate lignin from cellulose and hemicelluloses. Solid cellulose can act as a reducer for metal ions and it is also a porous support for nanoparticles. By chemically reducing nickel or copper in the solid cellulose support it is possible to get small nanoparticles on the surfaces of the cellulose fibres. Cellulose supported metal nanoparticles can potentially be used as environmentally friendly catalysts in organic chemistry reactions. In this thesis the size of the nickel and copper containing nanoparticles were studied using anomalous small-angle x-ray scattering and wide-angle x-ray scattering. The anomalous small-angle x-ray scattering experiments showed that the crystallite size of the copper oxide nanoparticles was the same as the size of the nanoparticles, so the nanoparticles were single crystals. The nickel containing nanoparticles were amorphous, but crystallised upon heating. The size of the nanoparticles was observed to be smaller when the reduction of nickel was done in aqueous ammonium hydrate medium compared to reduction made in aqueous solution. Lignin is typically seen as the side-product of wood industries. Lignin is the second most abundant natural polymer on Earth, and it possesses potential to be a useful material for many purposes in addition to being an energy source for the pulp mills. In this thesis, the morphology of several lignins, which were produced by different separation methods from wood, was studied using small-angle and ultra small-angle x-ray scattering. It was shown that the fractal model previously proposed for the lignin structure does not apply to most of the extracted lignin types. The only lignin to which the fractal model could be applied was kraft lignin. In aqueous solutions the average shape of the low molar mass kraft lignin particles was observed to be elongated and flat. The average shape does not necessarily correspond to the shape of the individual particles because of the polydispersity of the fraction and due to selfassociation of the particles. Lignins, and especially lignosulfonate, have many uses as dispersants, binders and emulsion stabilisers. In this thesis work the selfassociation of low molar mass lignosulfonate macromolecules was observed using small-angle x-ray scattering. By taking into account the polydispersity of the studied lignosulfonate fraction, the shape of the lignosulfonate particles was determined to be flat by fitting an oblate ellipsoidal model to the scattering intensity.

Occupational chronic solvent encephalopathy in Finland 1995 - 2007 : incidence and diagnostic methods

The occurrence of occupational chronic solvent encephalopathy (CSE) seems to decrease, but still every year reveals new cases. To prevent CSE and early retirement of solvent-exposed workers, actions should focus on early CSE detection and diagnosis. Identifying the work tasks and solvent exposure associated with high risk for CSE is crucial. Clinical and exposure data of all the 128 cases diagnosed with CSE as an occupational disease in Finland during 1995-2007 was collected from the patient records at the Finnish Institute of Occupational Health (FIOH) in Helsinki. The data on the number of exposed workers in Finland were gathered from the Finnish Job-exposure Matrix (FINJEM) and the number of employed from the national workforce survey. We analyzed the work tasks and solvent exposure of CSE patients and the findings in brain magnetic resonance imaging (MRI), quantitative electroencephalography (QEEG), and event-related potentials (ERP). The annual number of new cases diminished from 18 to 3, and the incidence of CSE decreased from 8.6 to 1.2 / million employed per year. The highest incidence of CSE was in workers with their main exposure to aromatic hydrocarbons; during 1995-2006 the incidence decreased from 1.2 to 0.3 / 1 000 exposed workers per year. The work tasks with the highest incidence of CSE were floor layers and lacquerers, wooden surface finishers, and industrial, metal, or car painters. Among 71 CSE patients, brain MRI revealed atrophy or white matter hyperintensities or both in 38% of the cases. Atrophy which was associated with duration of exposure was most frequently located in the cerebellum and in the frontal or parietal brain areas. QEEG in a group of 47 patients revealed increased power of the theta band in the frontal brain area. In a group of 86 patients, the P300 amplitude of auditory ERP was decreased, but at individual level, all the amplitude values were classified as normal. In 11 CSE patients and 13 age-matched controls, ERP elicited by a multimodal paradigm including an auditory, a visual detection, and a recognition memory task under single and dual-task conditions corroborated the decrease of auditory P300 amplitude in CSE patients in single-task condition. In dual-task conditions, the auditory P300 component was, more often in patients than in controls, unrecognizable. Due to the paucity and non-specificity of the findings, brain MRI serves mainly for differential diagnostics in CSE. QEEG and auditory P300 are insensitive at individual level and not useful in the clinical diagnostics of CSE. A multimodal ERP paradigm may, however, provide a more sensitive method to diagnose slight cognitive disturbances such as CSE.

Biometanazione della frazione organica di rifiuti solidi urbani da raccolta indifferenziata mediante codigestione con refluo zootecnico o addizione di solfuro di sodio

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.

Modellazione bidimensionale della propagazione nell'entroterra della inondazione da mare negli scenari dei previsti cambiamenti climatici

Le ricerche di carattere eustatico, mareografico, climatico, archeologico e geocronologico, sviluppatesi soprattutto nell’ultimo ventennio, hanno messo in evidenza che gran parte delle piane costiere italiane risulta soggetta al rischio di allagamento per ingressione marina dovuta alla risalita relativa del livello medio del mare. Tale rischio è la conseguenza dell’interazione tra la presenza di elementi antropici e fenomeni di diversa natura, spesso difficilmente discriminabili e quantificabili, caratterizzati da magnitudo e velocità molto diverse tra loro. Tra le cause preponderanti che determinano l’ingressione marina possono essere individuati alcuni fenomeni naturali, climatici e geologici, i quali risultano fortemente influenzati dalle attività umane soprattutto a partire dal XX secolo. Tra questi si individuano: - la risalita del livello del mare, principalmente come conseguenza del superamento dell’ultimo acme glaciale e dello scioglimento delle grandi calotte continentali; - la subsidenza. Vaste porzioni delle piane costiere italiane risultano soggette a fenomeni di subsidenza. In certe zone questa assume proporzioni notevoli: per la fascia costiera emiliano-romagnola si registrano ratei compresi tra 1 e 3 cm/anno. Tale subsidenza è spesso il risultato della sovrapposizione tra fenomeni naturali (neotettonica, costipamento di sedimenti, ecc.) e fenomeni indotti dall’uomo (emungimenti delle falde idriche, sfruttamento di giacimenti metaniferi, escavazione di materiali per l’edilizia, ecc.); - terreni ad elevato contenuto organico: la presenza di depositi fortemente costipabili può causare la depressione del piano di campagna come conseguenza di abbassamenti del livello della falda superficiale (per drenaggi, opere di bonifica, emungimenti), dello sviluppo dei processi di ossidazione e decomposizione nei terreni stessi, del costipamento di questi sotto il proprio peso, della carenza di nuovi apporti solidi conseguente alla diminuita frequenza delle esondazioni dei corsi d’acqua; - morfologia: tra i fattori di rischio rientra l’assetto morfologico della piana e, in particolare il tipo di costa (lidi, spiagge, cordoni dunari in smantellamento, ecc. ), la presenza di aree depresse o comunque vicine al livello del mare (fino a 1-2 m s.l.m.), le caratteristiche dei fondali antistanti (batimetria, profilo trasversale, granulometria dei sedimenti, barre sommerse, assenza di barriere biologiche, ecc.); - stato della linea di costa in termini di processi erosivi dovuti ad attività umane (urbanizzazione del litorale, prelievo inerti, costruzione di barriere, ecc.) o alle dinamiche idro-sedimentarie naturali cui risulta soggetta (correnti litoranee, apporti di materiale, ecc. ). Scopo del presente studio è quello di valutare la probabilità di ingressione del mare nel tratto costiero emiliano-romagnolo del Lido delle Nazioni, la velocità di propagazione del fronte d’onda, facendo riferimento allo schema idraulico del crollo di una diga su letto asciutto (problema di Riemann) basato sul metodo delle caratteristiche, e di modellare la propagazione dell’inondazione nell’entroterra, conseguente all’innalzamento del medio mare . Per simulare tale processo è stato utilizzato il complesso codice di calcolo bidimensionale Mike 21. La fase iniziale di tale lavoro ha comportato la raccolta ed elaborazione mediante sistema Arcgis dei dati LIDAR ed idrografici multibeam , grazie ai quali si è provveduto a ricostruire la topo-batimetria di dettaglio della zona esaminata. Nel primo capitolo è stato sviluppato il problema del cambiamento climatico globale in atto e della conseguente variazione del livello marino che, secondo quanto riportato dall’IPCC nel rapporto del 2007, dovrebbe aumentare al 2100 mediamente tra i 28 ed i 43 cm. Nel secondo e terzo capitolo è stata effettuata un’analisi bibliografica delle metodologie per la modellazione della propagazione delle onde a fronte ripido con particolare attenzione ai fenomeni di breaching delle difese rigide ed ambientali. Sono state studiate le fenomenologie che possono inficiare la stabilità dei rilevati arginali, realizzati sia in corrispondenza dei corsi d’acqua, sia in corrispondenza del mare, a discapito della protezione idraulica del territorio ovvero dell’incolumità fisica dell’uomo e dei territori in cui esso vive e produce. In un rilevato arginale, quale che sia la causa innescante la formazione di breccia, la generazione di un’onda di piena conseguente la rottura è sempre determinata da un’azione erosiva (seepage o overtopping) esercitata dall’acqua sui materiali sciolti costituenti il corpo del rilevato. Perciò gran parte dello studio in materia di brecce arginali è incentrato sulla ricostruzione di siffatti eventi di rottura. Nel quarto capitolo è stata calcolata la probabilità, in 5 anni, di avere un allagamento nella zona di interesse e la velocità di propagazione del fronte d’onda. Inoltre è stata effettuata un’analisi delle condizioni meteo marine attuali (clima ondoso, livelli del mare e correnti) al largo della costa emiliano-romagnola, le cui problematiche e linee di intervento per la difesa sono descritte nel quinto capitolo, con particolare riferimento alla costa ferrarese, oggetto negli ultimi anni di continui interventi antropici. Introdotto il sistema Gis e le sue caratteristiche, si è passati a descrivere le varie fasi che hanno permesso di avere in output il file delle coordinate x, y, z dei punti significativi della costa, indispensabili al fine della simulazione Mike 21, le cui proprietà sono sviluppate nel sesto capitolo.

Collegamento della secante di Cesena SS 9 via Emilia verso nord

Prima di parlare di lotto zero, credo sia opportuno inquadrare in modo più preciso il significato che riveste la Secante per Cesena. La Secante è senza dubbio l’opera più rilevante e strategica in assoluto degli ultimi decenni ed è destinata a incidere in modo profondo (almeno così ci auguriamo) sulla vita della città, contribuendo a migliorarla sensibilmente. A questa arteria è affidato il compito di raccogliere tutto il traffico di attraversamento di Cesena, e specialmente quello rappresentato dai mezzi pesanti, che gravita principalmente sulla via Emilia, creando da tempo una situazione difficile, ma che negli ultimi anni è divenuta pressoché insostenibile: sono molte migliaia i veicoli che ogni giorno percorrono questa strada che già dalla fine degli anni Sessanta ha cessato di essere periferica e che ai giorni nostri fa ormai parte del centro urbano. La Secante, una volta completata, porrà un rimedio definitivo a questa situazione: secondo le previsioni, sarà in grado di smaltire in modo efficiente circa 40mila veicoli al giorno e, quindi, di rispondere alle necessità di circolazione della città per almeno i prossimi 20-30 anni. Proprio per l’importanza che il nuovo asse di collegamento riveste, diventa fondamentale garantirne la massima fruibilità, dedicando estrema attenzione non solo alla funzionalità della struttura in sé ( per altro progettata con criteri d’avanguardia, soprattutto per la parte in galleria, che si configura come il primo eco-tunnel italiano ), ma anche al complesso delle opere di collegamento con la viabilità preesistente: svincoli, nodi stradali, nuove connessioni. È in questo quadro che si inserisce il cosiddetto “lotto zero”, cioè quel tratto stradale che prolungherà il primo lotto della Secante verso Forlì e avrà una lunghezza pari a circa 1 chilometro. Entrando nel dettaglio, questo lotto dovrà portare il traffico in uscita dalla Secante dalla via comunale San Cristoforo alla via Provinciale San Giuseppe, sicuramente più idonea a sopportare l’importante mole di traffico veicolare e meglio collegata alla viabilità principale. Il lotto zero si congiungerà con la via Emilia attraverso la già esistente rotatoria davanti al cimitero di Diegaro. Naturalmente, il nuovo tratto sarà dotato di barriere acustiche: si è pensato a strutture in lamiera di acciaio, con funzioni fonoassorbenti e fonoisolanti, per una lunghezza totale di circa 310 metri. Il costo complessivo dell’opera si aggira intorno ai 25 milioni di euro. Il Comune di Cesena considera questo intervento irrinunciabile, e per questo si stanno valutando le soluzioni più opportune per una sua realizzazione in tempi ragionevolmente brevi. Non a caso, per accelerare le procedure già nel 2004 l’Amministrazione Comunale di Cesena e l’Amministrazione Provinciale di Forlì – Cesena hanno deciso di finanziare direttamente il progetto, e sono stati avviati contatti con i ministeri delle Infrastrutture e dell’Ambiente per sollecitarne l’approvazione e la conseguente disponibilità di fondi. D’altro canto, non si può dimenticare che il lotto zero s’inserisce nella necessità più complessiva di un nuovo assetto della viabilità del territorio, che troverà una risposta definitiva con il progetto della cosiddetta via Emilia bis. Si tratta di un intervento prioritario non solo per Cesena, ma per tutta la Romagna, e che acquisisce un significato ancor più rilevante alla luce del recente progetto relativo alla Civitavecchia-Orte-Cesena-Ravenna-Mestre. In quest’ottica, il lotto zero assume una funzione indispensabile per armonizzare la grande circolazione che gravita sul nodo cesenate, destinato a diventare ancora più rilevante nel momento in cui si svilupperà la dorsale autostradale appenninica, la futura E45/E55.

Prove di caratterizzazione meccanica del legame di adesione fra FRP ed acciaio

Il progresso nella tecnica di recupero e di rinforzo nelle strutture metalliche con i polimeri fibro-rinforzati FRP (fibre reinforced polymers). 1.1 Introduzione nelle problematiche ricorrenti delle strutture metalliche. Le strutture moderne di una certa importanza, come i grattacieli o i ponti, hanno tempi e costi di costruzione molto elevati ed è allora di importanza fondamentale la loro durabilità, cioè la lunga vita utile e i bassi costi di manutenzione; manutenzione intesa anche come modo di restare a livelli prestazionali predefiniti. La definizione delle prestazioni comprende la capacità portante, la durabilità, la funzionalità e l’aspetto estetico. Se il livello prestazionale diventa troppo basso, diventa allora necessario intervenire per ripristinare le caratteristiche iniziali della struttura. Strutture con una lunga vita utile, come per la maggior parte delle strutture civili ed edilizie, dovranno soddisfare esigenze nuove o modificate: i mezzi di trasporto ad esempio sono diventati più pesanti e più diffusi, la velocità dei veicoli al giorno d'oggi è aumentata e ciò comporta anche maggiori carichi di tipo dinamico.

Sviluppi di catalizzatori per l'abbattimento di NOx in presenza di ossigeno

Il traffico veicolare è la principale fonte antropogenica di NOx, idrocarburi (HC) e CO e, dato che la sostituzione dei motori a combustione interna con sistemi alternativi appare ancora lontana nel tempo, lo sviluppo di sistemi in grado di limitare al massimo le emissioni di questi mezzi di trasporto riveste un’importanza fondamentale. Sfortunatamente non esiste un rapporto ottimale aria/combustibile che permetta di avere basse emissioni, mentre la massima potenza ottenibile dal motore corrisponde alle condizioni di elevata formazione di CO e HC. Gli attuali sistemi di abbattimento permettono il controllo delle emissioni da sorgenti mobili tramite una centralina che collega il sistema di iniezione del motore e la concentrazione di ossigeno del sistema catalitico (posto nella marmitta) in modo da controllare il rapporto aria/combustibile (Fig. 1). Le marmitte catalitiche per motori a benzina utilizzano catalizzatori “three way” a base di Pt/Rh supportati su ossidi (allumina, zirconia e ceria), che, dovendo operare con un rapporto quasi stechiometrico combustibile/comburente, comportano una minore efficienza del motore e consumi maggiori del 20-30% rispetto alla combustione in eccesso di ossigeno. Inoltre, questa tecnologia non può essere utilizzata nei motori diesel, che lavorano in eccesso di ossigeno ed utilizzano carburanti con un tenore di zolfo relativamente elevato. In questi ultimi anni è cresciuto l’interesse per il controllo delle emissioni di NOx da fonti veicolari, con particolare attenzione alla riduzione catalitica in presenza di un eccesso di ossigeno, cioè in condizioni di combustione magra. Uno sviluppo recente è rappresentato dai catalizzatori tipo “Toyota” che sono basati sul concetto di accumulo e riduzione (storage/reduction), nei quali l’NO viene ossidato ed accumulato sul catalizzatore come nitrato in condizioni di eccesso di ossigeno. Modificando poi per brevi periodi di tempo le condizioni di alimentazione da ossidanti (aria/combustibile > 14,7 p/p) a riducenti (aria/combustibile < 14,7 p/p) il nitrato immagazzinato viene ridotto a N2 e H2O. Questi catalizzatori sono però molto sensibili alla presenza di zolfo e non possono essere utilizzati con i carburanti diesel attualmente in commercio. Obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di ottimizzare e migliorare la comprensione del meccanismo di reazione dei catalizzatori “storage-reduction” per l’abbattimento degli NOx nelle emissioni di autoveicoli in presenza di un eccesso di ossigeno. In particolare lo studio è stato focalizzato dapprima sulle proprietà del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, in funzione del tipo di precursore e sulle proprietà e composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). Lo studio è stato inizialmente focalizzato sulle proprietà dei precursori del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, sulla composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). E’ stata effettuata una dettagliata caratterizzazione chimico-fisica dei materiali preparati tramite analisi a raggi X (XRD), area superficiale, porosimetria, analisi di dispersione metallica, analisi in riduzione e/o ossidazione in programmata di temperatura (TPR-O), che ha permesso una migliore comprensione delle proprietà dei catalizzatori. Vista la complessità delle miscele gassose reali, sono state utilizzate, nelle prove catalitiche di laboratorio, alcune miscele più semplici, che tuttavia potessero rappresentare in maniera significativa le condizioni reali di esercizio. Il comportamento dei catalizzatori è stato studiato utilizzando differenti miscele sintetiche, con composizioni che permettessero di comprendere meglio il meccanismo. L’intervallo di temperatura in cui si è operato è compreso tra 200-450°C. Al fine di migliorare i catalizzatori, per aumentarne la resistenza alla disattivazione da zolfo, sono state effettuate prove alimentando in continuo SO2 per verificare la resistenza alla disattivazione in funzione della composizione del catalizzatore. I principali risultati conseguiti possono essere così riassunti: A. Caratteristiche Fisiche. Dall’analisi XRD si osserva che l’impregnazione con Pt(NH3)2(NO2)2 o con la sospensione nanoparticellare in DEG, non modifica le proprietà chimico-fisiche del supporto, con l’eccezione del campione con sospensione nanoparticellare impregnata su ossido misto per il quale si è osservata sia la segregazione del Pt, sia la presenza di composti carboniosi sulla superficie. Viceversa l’impregnazione con Ba porta ad una significativa diminuzione dell’area superficiale e della porosità. B. Caratteristiche Chimiche. L’analisi di dispersione metallica, tramite il chemiassorbimento di H2, mostra per i catalizzatori impregnati con Pt nanoparticellare, una bassa dispersione metallica e di conseguenza elevate dimensioni delle particelle di Pt. I campioni impregnati con Pt(NH3)2(NO2)2 presentano una migliore dispersione. Infine dalle analisi TPR-O si è osservato che: Maggiore è la dispersione del metallo nobile maggiore è la sua interazione con il supporto, L’aumento della temperatura di riduzione del PtOx è proporzionale alla quantità dei metalli alcalino terrosi, C. Precursore Metallo Nobile. Nelle prove di attività catalitica, con cicli ossidanti e riducenti continui in presenza ed in assenza di CO2, i catalizzatori con Pt nanoparticellare mostrano una minore attività catalitica, specie in presenza di un competitore come la CO2. Al contrario i catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 presentano un’ottima attività catalitica, stabile nel tempo, e sono meno influenzabili dalla presenza di CO2. D. Resistenza all’avvelenamento da SO2. Il catalizzatore di riferimento, 17Ba1Pt/γAl2O3, mostra un effetto di avvelenamento con formazione di solfati più stabili che sul sistema Ba-Mg; difatti il campione non recupera i valori iniziali di attività se non dopo molti cicli di rigenerazione e temperature superiori ai 300°C. Per questi catalizzatori l’avvelenamento da SO2 sembra essere di tipo reversibile, anche se a temperature e condizioni più favorevoli per il 1.5Mg8.5Ba-1Pt/γAl2O3. E. Capacità di Accumulo e Rigenerabilità. Tramite questo tipo di prova è stato possibile ipotizzare e verificare il meccanismo della riduzione. I catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 hanno mostrato un’elevata capacità di accumulo. Questa è maggiore per il campione bimetallico (Ba-Mg) a T < 300°C, mentre per il riferimento è maggiore per T > 300°C. Per ambedue i catalizzatori è evidente la formazione di ammoniaca, che potrebbe essere utilizzata come un indice che la riduzione dei nitrati accumulati è arrivata al termine e che il tempo ottimale per la riduzione è stato raggiunto o superato. Per evitare la formazione di NH3, sul catalizzatore di riferimento, è stata variata la concentrazione del riducente e la temperatura in modo da permettere alle specie adsorbite sulla superficie e nel bulk di poter raggiungere il Pt prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo. La presenza di CO2 riduce fortemente la formazione di NH3; probabilmente perché la CO2, occupando i siti degli elementi alcalino-terrosi lontani dal Pt, impedisce ai nitriti/nitrati o all’H2 attivato di percorrere “elevate” distanze prima di reagire, aumentando così le possibilità di una riduzione più breve e più selettiva. F. Tempo di Riduzione. Si è migliorata la comprensione del ruolo svolto dalla concentrazione dell’agente riducente e dell’effetto della durata della fase riducente. Una durata troppo breve porta, nel lungo periodo, alla saturazione dei siti attivi, un eccesso alla formazione di NH3 Attraverso queste ultime prove è stato possibile formulare un meccanismo di reazione, in particolare della fase riducente. G. Meccanismo di Riduzione. La mobilità dei reagenti, nitriti/nitrati o H2 attivato è un elemento fondamentale nel meccanismo della riduzione. La vicinanza tra i siti di accumulo e quelli redox è determinante per il tipo di prodotti che si possono ottenere. La diminuzione della concentrazione del riducente o l’aumento della temperatura concede maggiore tempo o energia alle specie adsorbite sulla superficie o nel bulk per migrare e reagire prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo.