Studio dell’adenina come indurente per resine epossidiche e produzione di materiali compositi da fonti rinnovabili

A causa di una maggiore preoccupazione ambientale, la ricerca si sta muovendo verso lo sviluppo di nuovi prodotti bio-based. Il progetto è stato incentrato sulla possibilità di produrre materiali compositi utilizzando un sistema resina-indurente interamente ottenuto da fonti rinnovabili con fibre naturali totalmente green e sintetiche. In particolare, è stata studiata la possibilità di utilizzare l’adenina, una molecola atossica e derivante da fonte rinnovabile, per la produzione di compositi con fibre di lino, juta, carbonio vergine e riciclato con resina epossidica da fonte bio. In particolare è stato ottimizzato il ciclo di cura e sono state caratterizzate le proprietà termiche e meccaniche dei materiali prodotti mediante analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry), DMA (Dynamic Mechanical Analysis) e TGA (Termo-Gravimetric-Analysis). Per comprendere meglio la reticolazione delle resine epossidiche, si è studiato il meccanismo di reazione tra l’adenina e un precursore epossidico attraverso spettroscopia 1H-NMR (Nuclear Magnetic Resonance).

Materiali ceramici a struttura Aurivillius per la produzione di solar fuels

Solar fuels from CO2 is a topic of current large scientific and industrial interest. In particular, photo-electrochemical cells (PECs) represent today one of the most promising technology for storing sun energy as chemical bonds exploiting carbon dioxide as starting reagent. In this thesis, the possibility of using Aurivillius-type compounds for the production of solar fuels was deeply investigated. Aurivillius-type perovskites, with general formula Bi(n+1)Fe(n-3)Ti3O(3n+3), were synthesized and fully characterized to study the influence of the number of perovskite layers as well as of the synthesis parameters onto their final properties. In particular, 8 different systems were considered increasing the amount of iron and, as a consequence, the number of perovskite layers. These compounds were synthesized through a standard solid-state reaction method as well as via a sol-gel technique and characterized by XRD, SEM and BET analyses. The band gap value and the photocatalytic activity towards Rhodamine B decomposition were assessed as well. For each system, a screen-printing ink was formulated to be deposited as photo-electrodes onto transparent conducting supports. The photo-electrodes were morphologically characterized by XRD and SEM analysis, and their electrochemical properties (cyclic and linear voltammetry, EIS, Mott-Schottky analysis) were determined. Finally, the most promising materials were tested as photo-cathode inside PEC cell under different illumination conditions, to quantify their ability to convert CO2. The obtained results show the potentiality of Aurivillius-type compounds as innovative material for carbon dioxide photo-electrochemical reduction.

Sintesi per microemulsione di materiali fotocatalitici ed elettrocatalitici basati su nanoparticelle di ossido di titanio

Il catalizzatore studiato per questa reazione è principalmente l’ossido di titanio (TiO2) per la sua disponibilità. Le modifiche principali riguardano l’inserimento nella struttura della TiO2 di altri elementi, principalmente N, e la deposizione di particelle di metalli nobili come co-catalizzatori. In questo elaborato vengono studiate una serie di sintesi per via microemulsione (ME). L’introduzione di una base (NaOH o NH4OH) è stata utilizzata per produrre delle modifiche nella morfologia dei catalizzatori. Alcuni parametri operativi delle sintesi, quali: tempo di agitazione del precursore, agente neutralizzante e trattamenti a riflusso sono stati studiati. Ottimizzando le sintesi in ME è stato possibile ottenere polveri di TiO2 con densità inferiore al campione di riferimento prodotto per ME, con valori inferiori a 1 g/mL. Le dimensioni delle particelle sono state osservate e risultano anch’esse inferiori, solitamente sotto 10 nm. L’area superficiale delle polveri è di solito superiore a 100 m2/g. Ulteriori modifiche introdotte riguardano la presenza di N nella struttura della TiO2, che ha permesso un miglioramento nell’assorbimento di luce nello spettro visibile. Inoltre, sfruttando la versatilità delle ME è stato possibile mettere a punto delle sintesi che permettono la precipitazione di specie di Ag sotto forma di nanoparticelle, della dimensione di 1 nm. I catalizzatori sono poi stati testati in fotocatalisi eterogenea, usando condizioni pressione atmosferica, temperatura di 30°C e utilizzando come solvente acqua. L’attività catalitica dei campioni è risultata promettente e si pensa che ulteriori studi di ottimizzazione dei parametri delle sintesi possano portare a successivi miglioramenti. I catalizzatori prodotti per neutralizzazione hanno mostrato una maggiore reattività e tra questi, quello trattato con NaOH, per effetto sinergico della densità e delle dimensioni dei cristalliti, ha esibito un’attività superiore agli altri.

Sintesi e caratterizzazione di materiali polimerici water-soluble per applicazioni nel campo del fotovoltaico organico

The need to use renewable energy sources, due to the massive production of pollution for the energy production, has led to the development of new technologies for the use of solar energy. The purpose of this thesis project is to synthesize and characterize new thiophene-based polymeric materials processable in water, a green solvent, for the construction of organic solar cells, promising and versatile devices used for the production of electric energy. For this, a highly regioregular polymer was synthesized through GRIM polymerization (Grignard Metathesis Polymerization) on which a study was performed to identify the optimal reaction time.

Valutazione degli impatti ambientali di un processo biobased nella produzione di acido crotonico

L’utilizzo di biomasse come fonte di chemicals nell’industria chimica mira a rendere più sostenibili i processi industriali e i materiali prodotti. In particolare, l’acido crotonico (AC), impiegato come building block nella produzione di vernici e rivestimenti, è prodotto tradizionalmente da fonti fossili. La domanda globale ammonta a circa 1000 tonnellate ed è in continuo aumento, rendendo prioritaria l’individuazione di una sintesi alternativa e sostenibile. In questo studio, l’analisi del ciclo di vita (life cycle assessment, LCA) è stata applicata per stimare la carbon footprint e la domanda cumulativa di energia relative ad una sintesi innovativa dell’AC, basata sulla conversione termica di un precursore derivato da biomasse di scarto. In particolare, il processo prevede l’applicazione di un trattamento termochimico a poli-idrossi-butirrati (PHB) prodotti da colture batteriche miste a valle del processo B-PLAS. Sono stati modellati due scenari comparativi con l’obiettivo di (i) valutare la sostenibilità ambientale della sintesi alternativa nella tecnologia B-PLAS, considerando una condizione “base” di processo (con un contenuto di PHB pari al 30% nello slurry in ingresso al processo) e una “ottimale” (con un contenuto di PHB pari al 60%); (ii) confrontare gli impatti ambientali del processo di sintesi alternativo per entrambi gli scenari con quelli di sintesi dell’AC da fonti fossili. I risultati dell’LCA mostrano che nel processo B-PLAS, giunti alla produzione dello slurry (fango) arricchito in PHB, si possono avere due strade equivalenti estraendo i PHB o convertendoli in AC con una lieve preferenza per il processo estrattivo (0.71MJ/kgslurry vs 1.11MJ/kgslurry) nella condizione di base e (0.69MJ/kgslurry vs 1.17MJ/kgslurry) in quella ottimale. Estendendo la comparazione alla produzione dell’AC da fonti fossili, quello bioderivato comporta un impatto ambientale ampiamente inferiore, stimato in 159.6 MJ/kgAC e 204.6 MJ/kgAC per gli scenari “base” e “ottimale”.

Sviluppo di processi di geopolimerizzazione innovativi

Il seguente elaborato di tesi è finalizzato allo studio, alla preparazione e alla caratterizzazione di campioni geopolimerici sintetizzati in laboratorio. I geopolimeri sono materiali allumino silicatici a matrice polimerica ottenuti, attraverso un trattamento termico a bassa temperatura (generalmente inferiore ai 150-200°C), da una polvere reattiva a composizione prevalentemente allumino silicatica, e un attivatore alcalino, che può essere sotto forma di soluzione o di polvere. Questi materiali innovativi, presentano una versatilità notevole per quanto riguarda le applicazioni potenziali. Infatti, avendo proprietà termiche, meccaniche e chimico-fisiche ottimali possono essere impiegati in differenti settori produttivi e/o industriali, dal settore edile e delle grandi opere fino a quello aeronautico e automobilistico . I materiali geopolimerici sono utilizzati in molteplici campi d’applicazione perché risultano essere economicamente vantaggiosi e relativamente semplici da produrre. In questo lavoro di tesi sono stati prodotti differenti campioni a matrice geopolimerica, utilizzando diversi materiali come precursori e due tipologie di attivatore alcalino. Sui campioni geopolimerici realizzati sono state effettuate numerose analisi: XRD, SEM, analisi dell'andamento interno della temperatura dei campioni durante il trattamento termico in incubatore a 80°C, e infine anche delle prove meccaniche preliminari di compressione verticale, investigando il comportamento di alcuni campioni geopolimerici rappresentativi una volta sottoposti a una pressione assiale di 30 MPa, 60 MPa e 90 MPa, per una durata compresa tra le 24 e le 48 ore, a carico costante.

Rinforzi grafenici in nanofibre per la modifica di materiali compositi

I CFRP laminati offrono vari vantaggi rispetto ai materiali metallici: su tutti un peso ridotto e migliori proprietà meccaniche. Tuttavia, hanno un basso damping (smorzamento delle vibrazioni) e una bassa resistenza alla delaminazione, che possono portare a forti limitazioni durante la vita d’uso del materiale. Lo scopo del seguente elaborato riguarda la produzione di vari tessuti nanofibrosi in polimeri termoplastici, tra cui Nylon 66, eventualmente additivati con grafene, da includere in laminati compositi al fine di migliorare i problemi sopracitati. I tessuti nanofibrosi sono stati ottenuti mediante la tecnica dell'elettrofilatura, dopo ottimizzazione delle soluzioni e del processo stesso. Prima di essere integrate, le membrane sono state caratterizzate morfologicamente tramite analisi SEM e termicamente mediante analisi DSC. I laminati nano-modificati, prodotti tramite laminazione manuale, sono quindi stati caratterizzati meccanicamente. In particolare, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e II tramite test DCB e ENF. Inoltre, sono stati eseguiti anche test Three-Point Bending al fine di avere un quadro più completo sulle proprietà meccaniche dei compositi nano-modificati.

PCM-based battery thermal management systems, energy saving materials and LCA strategy for automotive

This PhD work arises from the necessity to give a contribution to the energy saving field, regarding automotive applications. The aim was to produce a multidisciplinary work to show how much important is to consider different aspects of an electric car realization: from innovative materials to cutting-edge battery thermal management systems (BTMSs), also dealing with the life cycle assessment (LCA) of the battery packs (BPs). Regarding the materials, it has been chosen to focus on carbon fiber composites as their use allows realizing light products with great mechanical properties. Processes and methods to produce carbon fiber goods have been analysed with a special attention on the university solar car Emilia 4. The work proceeds dealing with the common BTMSs on the market (air-cooled, cooling plates, heat pipes) and then it deepens some of the most innovative systems such as the PCM-based BTMSs after a previous experimental campaign to characterize the PCMs. After that, a complex experimental campaign regarding the PCM-based BTMSs has been carried on, considering both uninsulated and insulated systems. About the first category the tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs; the insulated tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs and both of these systems equipped with a liquid cooling circuit. The choice of lighter building materials and the optimization of the BTMS are strategies which helps in reducing the energy consumption, considering both the energy required by the car to move and the BP state of health (SOH). Focusing on this last factor, a clear explanation regarding the importance of taking care about the SOH is given by the analysis of a BP production energy consumption. This is why a final dissertation about the life cycle assessment (LCA) of a BP unit has been presented in this thesis.

Progettazione, modellazione e integrazione di risorse rinnovabili per promuovere lo sfruttamento dell'energia da moto ondoso e la Blue Growth.

L’energia da onda potrebbe assumere un ruolo fondamentale per la transizione energetica durante i prossimi decenni, grazie alla sua continuità nel tempo molto superiore rispetto ad altre risorse rinnovabili e alla sua vasta distribuzione nello spazio. Tuttavia, l’energia da onda è ancora lontana dall’essere economicamente sostenibile, a causa di diverse problematiche tecnologiche e alle difficoltà finanziarie associate. In questa ricerca, si è innanzitutto affrontata una delle maggiori sfide tecniche, nello specifico la progettazione e modellazione di sistemi di ancoraggio per i dispositivi galleggianti, proponendo possibili soluzioni per la modellazione numerica di sistemi di ancoraggio complessi e per l’ottimizzazione dei dispositivi stessi. Successivamente sono state analizzate le possibili sinergie strategiche di installazioni per lo sfruttamento della energia da onda con altre risorse rinnovabili e la loro applicazione nel contesto di aree marine multiuso. In particolare, una metodologia per la valutazione della combinazione ottimale delle risorse rinnovabili è stata sviluppata e verificata in due diversi casi studio: un’isola e una piattaforma offshore. Si è così potuto evidenziare l’importante contributo della risorsa ondosa per la continuità energetica e per la riduzione della necessità di accumulo. Inoltre, è stato concepito un metodo di supporto decisionale multicriteriale per la valutazione delle opzioni di riuso delle piattaforme offshore alla fine della loro vita operativa, come alternativa al decommissionamento, nell’ottica di una gestione sostenibile e della ottimizzazione dell’uso dello spazio marino. Sulla base dei criteri selezionati, l’inclusione di attività innovative come la produzione di energia da onda si è dimostrata essere rilevante per rendere vantaggioso il riuso rispetto al decommissionamento. Numerosi studi recenti hanno infatti sottolineato che, nell’ambito della “crescita blu”, i mercati come l’oil&gas, le attività offshore e le isole stimoleranno lo sviluppo di tecnologie innovative come lo sfruttamento dell’energia da onda, promuovendo la sperimentazione e fornendo un importante contributo all’avanzamento tecnico e alla commercializzazione.

Innovation in conceptual design of chemical processes

Nowadays, the chemical industry has reached significant goals to produce essential components for human being. The growing competitiveness of the market caused an important acceleration in R&D activities, introducing new opportunities and procedures for the definition of process improvement and optimization. In this dynamicity, sustainability is becoming one of the key aspects for the technological progress encompassing economic, environmental protection and safety aspects. With respect to the conceptual definition of sustainability, literature reports an extensive discussion of the strategies, as well as sets of specific principles and guidelines. However, literature procedures are not completely suitable and applicable to process design activities. Therefore, the development and introduction of sustainability-oriented methodologies is a necessary step to enhance process and plant design. The definition of key drivers as support system is a focal point for early process design decisions or implementation of process modifications. In this context, three different methodologies are developed to support design activities providing criteria and guidelines in a sustainable perspective. In this framework, a set of key Performance Indicators is selected and adopted to characterize the environmental, safety, economic and energetic aspects of a reference process. The methodologies are based on heat and material balances and the level of detailed for input data are compatible with available information of the specific application. Multiple case-studies are defined to prove the effectiveness of the methodologies. The principal application is the polyolefin productive lifecycle chain with particular focus on polymerization technologies. In this context, different design phases are investigated spanning from early process feasibility study to operative and improvements assessment. This flexibility allows to apply the methodologies at any level of design, providing supporting guidelines for design activities, compare alternative solutions, monitor operating process and identify potential for improvements.

Structural and stratigraphic control on hypogene dissolution in carbonate rocks: case studies of cave analogues and implications for karst reservoirs

The aim of this research is to improve the understanding of the factors that control the formation of karst porosity in hypogene settings and its associated patterns of void-conduit networks. Subsurface voids created by hypogene dissolution may span from few microns to decametric tubes providing interconnected conduit systems and forming highly anisotropic permeability domains in many reservoirs. Characterizing the spatial-morphological organization of hypogene karst is a challenging task that has dramatic implications for the applied industry, given that only partial data can be acquired from the subsurface by indirect techniques. Therefore, two outcropping cave analogues are examined: the Cavallone-Bove Cave in the Majella Massif (Italy), and the karst systems of the Salitre Formation (Brazil). In the latter, a peculiar example of hypogene speleogenesis associated with silicification has been studied, providing an analogue of many karstified reservoirs hosted in cherts or cherty-carbonates within mixed sedimentary sequences. The first part of the thesis is focused on the relationships between fracture patterns and flow pathways in deformed units in: 1) a fold-and-thrust setting (Majella Massif); 2) a cratonic block (Brazil). These settings represent potential playgrounds for the migration and accumulation of geofluids, where hypogene conduits may affect flow pathways, fluid storage, and reservoir properties. The results indicate that localized deformation producing cross-formational fracture zones associated with anticline hinges or fault damage zones is critical for hypogene fluid migration and karstification. The second part of the thesis deals with the multidisciplinary study of hydrothermal silicification and hypogene dissolution in Calixto Cave (Brazil). Petrophysical analyses and a geochemical characterization of silica deposits are used to unravel the spatial-morphological organization of the conduit system and its speleogenesis. The novel results obtained from this cave shed new light on the relationship between hydrothermal silicification, hypogene dissolution and the development of multistorey cave systems in layered carbonate-siliciclastic sequences.

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.

Approfondimento della modellazione parametrica per la valutazione delle capriate lignee. Analisi degli spostamenti e degli stati deformativi della copertura della Cattedrale di San Pietro a Bologna.

La presente tesi si posiziona all’interno di un percorso di ricerca avviato riguardante lo studio delle coperture lignee di vari edifici storici. Gli obiettivi del lavoro consistono nel fornire un quadro generale sullo stato dell’arte della modellazione parametrica per la diagnosi di strutture lignee storiche, completare e approfondire lo studio delle capriate della Cattedrale di S.Pietro a Bologna ed effettuare un confronto sia in termini quantitativi che di velocità esecutiva con metodologia e risultati degli studi precedenti. Il metodo proposto,è stato perfezionato grazie ai feedback ottenuti in corso d’opera a seguito della sua applicazione a nuovi casi studio.L’intento principale è quello di consentire maggior automatizzazione e parametrizzazione del metodo per conferire alle procedure di modellazione un carattere generalizzato e rapidamente replicabile.Sono state ottimizzate le fasi di editing della nuvola di punti e di vettorializzazione delle sezioni degli elementi strutturali.Al fine di approfondire la conoscenza di queste strutture,si è acquisito il rilievo 3D completo del sottotetto dell’edificio con laser scanner.Il primo output consiste quindi in una nuvola di punti dalla quale sono state estrapolate le singole capriate;da queste è possibile estrarre le sezioni delle aste afferenti ai nodi,poi vettorializzate tramite software di modellazione parametrica:sono stati utilizzati algoritmi,programmati e testati nei precedenti studi,che generano 3 modelli per ogni capriata:il modello di rilievo, il modello proiettato e quello “ideale o teorico”.Comparando i modelli e la nuvola di punti di rilievo è possibile analizzare spostamenti e deformazioni delle capriate,ottenere informazioni sul loro comportamento puntale e trarre considerazioni sullo“stato di salute”globale del sottotetto.I dati raccolti permettono di acquisire una maggiore consapevolezza sulle capriate oggetto di indagine e potrebbero essere utilizzati per progettare eventuali interventi di recupero.

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.

Studio di metodi e strumenti per la valutazione dell'impatto ambientale e di sostenibilità dei processi di produzione additiva

La produzione additiva è una tecnologia innovativa completamente rivoluzionaria. La sua tecnica di costruzione layer by layer a partire da un file digitale consente la progettazione di componenti più complessi e ottimizzati, favorendo la stampa 3D su richiesta. La produzione additiva è potenzialmente in grado di offrire numerosi vantaggi sul tema della sostenibilità, rappresentati dall’utilizzo più efficiente delle risorse, dalla vita estesa dei prodotti e dalle nuove configurazioni delle catene di valore. L’ importanza di determinare gli impatti che tale processo genera lungo il suo ciclo di vita, ha portato ad una revisione della letteratura su tale argomento. In particolare, la mancanza di dati e modelli ha focalizzato l’attenzione su studi LCA di specifici processi. Grazie a tale strumento è stato possibile determinare l’influenza di diversi materiali, parametri di processo e scenari di utilizzo. Infine, viene mostrato quanto sia significativo l’impatto sociale che è in grado di generare la produzione additiva.