Local scale finite element modelling of stack pollutant emissions

Congresos y conferencias

Application of evolutionary algorithms and the boundary element method in the optimization of noise barrier profiles

[EN]This Ph.D. thesis presents a general, robust methodology that may cover any type of 2D acoustic optimization problem. A procedure involving the coupling of Boundary Elements (BE) and Evolutionary Algorithms is proposed for systematic geometric modifications of road barriers that lead to designs with ever-increasing screening performance. Numerical simulations involving single- and multi-objective optimizations of noise barriers of varied nature are included in this document. results disclosed justify the implementation of this methodology by leading to optimal solutions of previously defined topologies that, in general, greatly outperform the acoustic efficiency of classical, widely used barrier designs normally erected near roads.

Calibration and validation of an air quality finite element model around an electric power plant in Gran Canaria island

[EN]This work presents the calibration and validation of an air quality finite element model applied to the surroundings of Jinamar electric power plant in Gran Canaria island (Spain). The model involves the generation of an adaptive tetrahedral mesh, the computation of an ambient wind field, the inclusion of the plume rise effect in the wind field, and the simulation of transport and reaction of pollutants. The main advantage of the model is the treatment of complex terrains that introduces an alternative to the standard implementation of current models. In addition, it improves the computational cost through the use of unstructured meshes...

Adaptive Finite Element Method with a local element parametrization nested meses

[EN]This work presents a novel approach to solve a two dimensional problem by using an adaptive finite element approach. The most common strategy to deal with nested adaptivity is to generate a mesh that represents the geometry and the input parameters correctly, and to refine this mesh locally to obtain the most accurate solution. As opposed to this approach, the authors propose a technique using independent meshes : geometry, input data and the unknowns. Each particular mesh is obtained by a local nested refinement of the same coarse mesh at the parametric space…

Microfluidic device and interfacial transport: application to biomolecules and nanostructures

The aim of my dissertation is to provide new knowledge and applications of microfluidics in a variety of problems, from materials science, devices, and biomedicine, where the control on the fluid dynamics and the local concentration of the solutions containing the relevant molecules (either materials, precursors, or biomolecules) is crucial. The control of interfacial phenomena occurring in solutions at dierent length scales is compelling in nanotechnology for devising new sensors, molecular electronics devices, memories. Microfluidic devices were fabricated and integrated with organic electronics devices. The transduction involves the species in the solution which infills the transistor channel and confined by the microfluidic device. This device measures what happens on the surface, at few nanometers from the semiconductor channel. Soft-lithography was adopted to fabricate platinum electrodes, starting from platinum carbonyl precursor. I proposed a simple method to assemble these nanostructures in periodic arrays of microstripes, and form conductive electrodes with characteristic dimension of 600 nm. The conductivity of these sub-microwires is compared with the values reported in literature and bulk platinum. The process is suitable for fabricating thin conductive patterns for electronic devices or electrochemical cells, where the periodicity of the conductive pattern is comparable with the diusion length of the molecules in solution. The ordering induced among artificial nanostructures is of particular interest in science. I show that large building blocks, like carbon nanotubes or core-shell nanoparticles, can be ordered and self-organised on a surface in patterns due to capillary forces. The eective probability of inducing order with microfluidic flow is modeled with finite element calculation on the real geometry of the microcapillaries, in soft-lithographic process. The oligomerization of A40 peptide in microconfined environment represents a new investigation of the extensively studied peptide aggregation. The added value of the approach I devised is the precise control on the local concentration of peptides together with the possibility to mimick cellular crowding. Four populations of oligomers where distinguished, with diameters ranging from 15 to 200 nm. These aggregates could not be addresses separately in fluorescence. The statistical analysis on the atomic force microscopy images together with a model of growth reveal new insights on the kinetics of amyloidogenesis as well as allows me to identify the minimum stable nucleus size. This is an important result owing to its implications in the understanding and early diagnosis and therapy of the Alzheimer’s disease

Ingegnerizzazione e design di nanoparticelle core-shell di magnetite/silice

In the past decade the study of superparamagnetic nanoparticles has been intensively developed for many biomedical applications such as magnetically assisted drug delivery, MRI contrast agents, cells separation and hyperthermia therapy. All of these applications require nanoparticles with high magnetization, equipped also with a suitable surface coating which has to be non-toxic and biocompatible. In this master thesis, the silica coating of commercially available magnetic nanoparticles was investigated. Silica is a versatile material with many intrinsic features, such as hydrophilicity, low toxicity, proper design and derivatization yields particularly stable colloids even in physiological conditions. The coating process was applied to commercial magnetite particles dispersed in an aqueous solution. The formation of silica coated magnetite nanoparticles was performed following two main strategies: the Stöber process, in which the silica coating of the nanoparticle was directly formed by hydrolysis and condensation of suitable precursor in water-alcoholic mixtures; and the reverse microemulsions method in which inverse micelles were used to confine the hydrolysis and condensation reactions that bring to the nanoparticles formation. Between these two methods, the reverse microemulsions one resulted the most versatile and reliable because of the high control level upon monodispersity, silica shell thickness and overall particle size. Moving from low to high concentration, within the microemulsion region a gradual shift from larger particles to smaller one was detected. By increasing the amount of silica precursor the silica shell can also be tuned. Fluorescent dyes have also been incorporated within the silica shell by linking with the silica matrix. The structure of studied nanoparticles was investigated by using transmission electron microscope (TEM) and dynamic light scattering (DLS). These techniques have been used to monitor the syntetic procedures and for the final characterization of silica coated and silica dye doped nanoparticles. Finally, field dependent magnetization measurements showed the magnetic properties of core-shell nanoparticles were preserved. Due to a very well defined structure that combines magnetic and luminescent properties together with the possibility of further functionalization, these multifunctional nanoparticles are potentially useful platforms in biomedical fields such as labeling and imaging.

Trattamenti ad aria calda per la decontaminazione superficiale delle uova in guscio

In order to improve the animal welfare, the Council Directive 1999/74/EC (defining minimum standards for the welfare of laying hens) will ban conventional cage systems since 2012, in favour of enriched cages or floor systems. As a consequence an increased risk of bacterial contamination of eggshell is expected (EFSA, 2005). Furthermore egg-associated salmonellosis is an important public health problem throughout the world (Roberts et al., 1994). In this regard the introduction of efficient measures to reduce eggshell contamination by S. Enteritidis or other bacterial pathogens, and thus to prevent any potential or additional food safety risk for Human health, may be envisaged. The hot air pasteurization can be a viable alternative for the decontamination of the surface of the egg shell. Few studies have been performed on the decontamination power of this technique on table eggs (Hou et al, 1996; James et al., 2002). The aim of this study was to develop innovative techniques to remove surface contamination of shell eggs by hot air under natural or forced convection. Initially two simplified finite element models describing the thermal interaction between the air and egg were developed, respectively for the natural and forced convection. The numerical models were validated using an egg simulant equipped by type-K thermocouple (Chromel/Alumel). Once validated, the models allowed the selection of a thermal cycle with an inner temperature always lower than 55°C. Subsequently a specific apparatus composed by two hot air generators, one cold air generator and rolling cylinder support, was built to physically condition the eggs. The decontamination power of the thermal treatments was evaluated on shell eggs experimentally inoculated with either Salmonella Enteritidis, Escherichia coli, Listeria monocytogenes and on shell eggs containing only the indigenous microflora. The applicability of treatments was further evaluated by comparing quality traits of treated and not treated eggs immediately after the treatment and after 28 days of storage at 20°C. The results showed that the treatment characterized by two shots of hot air at 350°C for 8 sec, spaced by a cooling interval of 32 (forced convection), reduce the bacterial population of more than 90% (Salmonella enteritidis and Listeria monocytogenes). No statistically significant results were obtained comparing E. coli treated and not treated eggs as well as indigenous microflora treated and not treated eggs. A reduction of 2.6 log was observed on Salmonella enteritidis load of eggs immediately after the treatment in oven at 200°C for 200 minutes (natural convection). Furthermore no detrimental effects on quality traits of treated eggs were recorded. These results support the hot air techniques for the surface decontamination of table eggs as an effective industrial process.

Constraints on mantle melting from major and trace element systematics in residual abyssal peridotites

ZusammenfassungDie Bildung von mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) ist einer der wichtigsten Stoffflüsse der Erde. Jährlich wird entlang der 75.000 km langen mittelozeanischen Rücken mehr als 20 km3 neue magmatische Kruste gebildet, das sind etwa 90 Prozent der globalen Magmenproduktion. Obwohl ozeanische Rücken und MORB zu den am meisten untersuchten geologischen Themenbereichen gehören, existieren weiterhin einige Streit-fragen. Zu den wichtigsten zählt die Rolle von geodynamischen Rahmenbedingungen, wie etwa Divergenzrate oder die Nähe zu Hotspots oder Transformstörungen, sowie der absolute Aufschmelzgrad, oder die Tiefe, in der die Aufschmelzung unter den Rücken beginnt. Diese Dissertation widmet sich diesen Themen auf der Basis von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen in Mineralen ozeanischer Mantelgesteine.Geochemische Charakteristika von MORB deuten darauf hin, dass der ozeanische Mantel im Stabilitätsfeld von Granatperidotit zu schmelzen beginnt. Neuere Experimente zeigen jedoch, dass die schweren Seltenerdelemente (SEE) kompatibel im Klinopyroxen (Cpx) sind. Aufgrund dieser granatähnlichen Eigenschaft von Cpx wird Granat nicht mehr zur Erklärung der MORB Daten benötigt, wodurch sich der Beginn der Aufschmelzung zu geringeren Drucken verschiebt. Aus diesem Grund ist es wichtig zu überprüfen, ob diese Hypothese mit Daten von abyssalen Peridotiten in Einklang zu bringen ist. Diese am Ozeanboden aufgeschlossenen Mantelfragmente stellen die Residuen des Aufschmelz-prozesses dar, und ihr Mineralchemismus enthält Information über die Bildungs-bedingungen der Magmen. Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen von Peridotit-proben des Zentralindischen Rückens (CIR) wurden mit Mikrosonde und Ionensonde bestimmt, und mit veröffentlichten Daten verglichen. Cpx der CIR Peridotite weisen niedrige Verhältnisse von mittleren zu schweren SEE und hohe absolute Konzentrationen der schweren SEE auf. Aufschmelzmodelle eines Spinellperidotits unter Anwendung von üblichen, inkompatiblen Verteilungskoeffizienten (Kd's) können die gemessenen Fraktionierungen von mittleren zu schweren SEE nicht reproduzieren. Die Anwendung der neuen Kd's, die kompatibles Verhalten der schweren SEE im Cpx vorhersagen, ergibt zwar bessere Resultate, kann jedoch nicht die am stärksten fraktionierten Proben erklären. Darüber hinaus werden sehr hohe Aufschmelzgrade benötigt, was nicht mit Hauptelementdaten in Einklang zu bringen ist. Niedrige (~3-5%) Aufschmelzgrade im Stabilitätsfeld von Granatperidotit, gefolgt von weiterer Aufschmelzung von Spinellperidotit kann jedoch die Beobachtungen weitgehend erklären. Aus diesem Grund muss Granat weiterhin als wichtige Phase bei der Genese von MORB betrachtet werden (Kapitel 1).Eine weitere Hürde zum quantitativen Verständnis von Aufschmelzprozessen unter mittelozeanischen Rücken ist die fehlende Korrelation zwischen Haupt- und Spuren-elementen in residuellen abyssalen Peridotiten. Das Cr/(Cr+Al) Verhältnis (Cr#) in Spinell wird im Allgemeinen als guter qualitativer Indikator für den Aufschmelzgrad betrachtet. Die Mineralchemie der CIR Peridotite und publizierte Daten von anderen abyssalen Peridotiten zeigen, dass die schweren SEE sehr gut (r2 ~ 0.9) mit Cr# der koexistierenden Spinelle korreliert. Die Auswertung dieser Korrelation ergibt einen quantitativen Aufschmelz-indikator für Residuen, welcher auf dem Spinellchemismus basiert. Damit kann der Schmelzgrad als Funktion von Cr# in Spinell ausgedrückt werden: F = 0.10×ln(Cr#) + 0.24 (Hellebrand et al., Nature, in review; Kapitel 2). Die Anwendung dieses Indikators auf Mantelproben, für die keine Ionensondendaten verfügbar sind, ermöglicht es, geochemische und geophysikalischen Daten zu verbinden. Aus geodynamischer Perspektive ist der Gakkel Rücken im Arktischen Ozean von großer Bedeutung für das Verständnis von Aufschmelzprozessen, da er weltweit die niedrigste Divergenzrate aufweist und große Transformstörungen fehlen. Publizierte Basaltdaten deuten auf einen extrem niedrigen Aufschmelzgrad hin, was mit globalen Korrelationen im Einklang steht. Stark alterierte Mantelperidotite einer Lokalität entlang des kaum beprobten Gakkel Rückens wurden deshalb auf Primärminerale untersucht. Nur in einer Probe sind oxidierte Spinellpseudomorphosen mit Spuren primärer Spinelle erhalten geblieben. Ihre Cr# ist signifikant höher als die einiger Peridotite von schneller divergierenden Rücken und ihr Schmelzgrad ist damit höher als aufgrund der Basaltzusammensetzungen vermutet. Der unter Anwendung des oben erwähnten Indikators ermittelte Schmelzgrad ermöglicht die Berechnung der Krustenmächtigkeit am Gakkel Rücken. Diese ist wesentlich größer als die aus Schweredaten ermittelte Mächtigkeit, oder die aus der globalen Korrelation zwischen Divergenzrate und mittels Seismik erhaltene Krustendicke. Dieses unerwartete Ergebnis kann möglicherweise auf kompositionelle Heterogenitäten bei niedrigen Schmelzgraden, oder auf eine insgesamt größere Verarmung des Mantels unter dem Gakkel Rücken zurückgeführt werden (Hellebrand et al., Chem.Geol., in review; Kapitel 3).Zusätzliche Informationen zur Modellierung und Analytik sind im Anhang A-C aufgeführt

Entwicklung einer online-Chromatographie für Element 106 (Seaborgium)

Das Studium chemischer Eigenschaften der schwersten Elemente, der Transactiniden, erfordert immer leistungsfähigere Apparaturen. Wegen ihrer kurzen Halbwertszeiten müssen diese Elemente schnell von der Targetkammer mittels Gasjet zur Apparatur transportiert und dort in die wässrige Phase überführt werden. Das sollte zur Vermeidung von Verlusten durch vorzeitigen Zerfall möglichst online betrieben werden, d.h. die in der Kernreaktion gebildeten Atome werden kontinuierlich aus der Targetkammer ausgespült und in der Apparatur in die wässrige Phase überführt. Dabei stellt sich das Problem, die kleinen Aerosol-Partikel (100-200 nm und etwa 1010 Teilchen pro Liter) bei einem Gasfluss von 2 bis 3 Liter Jet-Gas pro min in eine mit 1 bis 2 mL/min fließende wässrige Lösung zu überführen. Hierzu wurden zwei verschiedene Systeme am TRIGA-Reaktor Mainz entwickelt und in Experimenten an den Schwerionenbeschleunigern am PSI und der GSI erfolgreich eingesetzt. Da die diskontinuierlich arbeitende Chemieapparatur ARCA, mit der bisher chemische Eigenschaften der Elemente 101, 103, 104, 105 und 106 bestimmt wurden, wegen niedriger Produktionsraten bei Element 106 an ihre technologischen Grenzen stößt, bestand eine weitere Aufgabe der vorliegenden Arbeit darin, ein kontinuierlich arbeitendes Chromatographiesystem aufzubauen, mit dem Verteilungskoeffizienten des Elements 106 gemessen werden können. Bei der in dieser Arbeit entwickelten und in Versuchen mit kurzlebigen Hafnium-, Wolfram- und Rutherfordium-Isotopen getesten, kontinuierlich arbeitenden Mehrsäulentechnik wird der direkte Nachweis des Transactinids aufgegeben, und die Retentionszeit in dem chromatographischen System über die Menge der während der Retention zerfallenen Atome bestimmt. Neben der apparativen Entwicklung dieser Technik, die geringste Totvolumina im System erfordert, mussten bei der Auswahl des geeigneten chemischen Systems die engen Grenzen dieser Methode beachtet werden, was umfangreiche Kenntnisse zur trägerfreien Chemie der homologen Elemente erfordert. Neben Batchexperimenten mit trägerfrei produzierten Nukliden wurde für offline-Experimente auch ARCA erfolgreich eingesetzt. Der Vergleich von Kd-Werten, die in Batchexperimenten, mit ARCA und mit der prinzipiell neuen Methode der Mehrsäulentechnik bestimmt wurden, zeigten dabei gute Übereinstimmungen. Für die Anwendbarkeit der Mehrsäulentechnik sind aber auch geeignete radioaktive Zerfallsketten notwendig, die in einem langlebigen Isotop enden sollten, welches über lange Experimentierzeiten akkumuliert werden kann. Dabei ist die Diskriminierung von einzelnen Atomen langlebiger Actiniden als Endglieder der Zerfallskette der Transactiniden gegen den natürlichen und elektronischen Untergrund sehr anspruchsvoll und möglicherweise der limitierende Faktor dieser Technik. Neben Beiträgen zur Fluoridkomplexierung von Elementen der 4. Nebengruppe (inklusive Rutherfordium) und der 6. Nebengruppe, wurde die Hydrolyse von Elementen der 6. Nebengruppe untersucht. Hier zeigen sich bei Verwendung von trägerfreien Aktivitäten abweichende Resultate gegenüber der Literatur.Auf der Grundlage dieser Daten wurde ein Mehrsäulenexperiment für 7,4-s 265Sg (Element 106) vorbereitet, für dessen Einsatz sowohl ein drehendes Targetradsystem für eine erhöhte Produktionsrate getestet wurde, als auch der Einsatz von speziell funktionalisierten Ionenaustauscherharzen.

Identifikation des Gruppe I Introns CDISt1 in offenen Leserastern des Clostridium difficile Genoms und dessen Charakterisierung als chimäres genetisches Element

Im tcdA-Gen des Clostridium difficile Stammes C34 wurde eine Insertion mit einer Größe von 1975 bp lokalisiert. Der als CdISt1 bezeichneten Insertion konnten charakteristische Merkmale von Gruppe I Introns und von Insertionselementen zugewiesen werden. Dem im 5’ Bereich gelegenen Anteil ließen sich die Intron-spezifischen Eigenschaften zuordnen, im 3’ Anteil wurden zwei offene Leseraster gefunden, die hohe Homologien zu Transposasen der IS605 Familie hatten. Funktionelle Analysen belegten die Spleißaktivität des chimären Ribozymes. CdISt1 konnte in mehren Kopien in allen untersuchten C. difficile Stämmen nachgewiesen werden. In anderen clostridialen Spezies konnte das Gruppe I Intron bislang nicht vorgefunden werden. Der Integrationsort in C. difficile war in allen untersuchten Fällen immer ein offenes Leseraster. Bislang waren Gruppe I Introns noch nie in bakteriellen offenen Leserastern beschrieben worden. Es kann angenommen werden, dass der chimäre Aufbau des Ribozymes die Integration in bakterielle offene Leseraster ermöglicht. Dabei wäre für die Spleißaktivität der Gruppe I Intron Anteil maßgeblich, die Mobilität würde über den IS Element Anteil vermittelt. Im Rahmen der Dissertationsarbeit konnten erste experimentelle Hinweise erbracht werden, dass das chimäre Ribozym an der evolution clostridialer Proteine beteiligt sein kann, wovon seinen Wirt C. difficile entsprechend profitieren würde.An insertion of 1975 bp is situated in the tcdA-gene of Clostridium difficile strain C34. The insertion was designated as CdISt1 and it had characteristics of group I introns and insertion elements. The group I characteristcs could be found in the 5’ area of the genetic element, in the 3’ area two open reading frames were located with high homologies to transposases of the IS605 family. Functional studies could proof the splicing activity of the ribozyme. CdISt1 could be found in several copies in all C. difficile strains examined so far. It was absent in other examined clostridial species. In all cases, the integration site in C. difficile was an open reading frame. Up to now, group I introns never were discovered in bacterial open reading frames. It can be assumed that the chimeric characteristics of the ribozyme permit an integration in bacterial open reading frames. The group I intron part would be responsible of the splicing activity, the IS element part could mediate the mobility of the genetic element. First experimental evidences point to a possible involvement of the chimeric ribozyme in the evolution of clostridial proteins, so the host C. difficile could benefit from its presence.

Finite element models of coseismic deformation due to the 2009 L'Aquila (Italy) and 2008 Wenchuan(China) earthquakes

The topic of my Ph.D. thesis is the finite element modeling of coseismic deformation imaged by DInSAR and GPS data. I developed a method to calculate synthetic Green functions with finite element models (FEMs) and then use linear inversion methods to determine the slip distribution on the fault plane. The method is applied to the 2009 L’Aquila Earthquake (Italy) and to the 2008 Wenchuan earthquake (China). I focus on the influence of rheological features of the earth's crust by implementing seismic tomographic data and the influence of topography by implementing Digital Elevation Models (DEM) layers on the FEMs. Results for the L’Aquila earthquake highlight the non-negligible influence of the medium structure: homogeneous and heterogeneous models show discrepancies up to 20% in the fault slip distribution values. Furthermore, in the heterogeneous models a new area of slip appears above the hypocenter. Regarding the 2008 Wenchuan earthquake, the very steep topographic relief of Longmen Shan Range is implemented in my FE model. A large number of DEM layers corresponding to East China is used to achieve the complete coverage of the FE model. My objective was to explore the influence of the topography on the retrieved coseismic slip distribution. The inversion results reveals significant differences between the flat and topographic model. Thus, the flat models frequently adopted are inappropriate to represent the earth surface topographic features and especially in the case of the 2008 Wenchuan earthquake.

Core-shell macromolecules with dendritic polyphenylene core and polymer shells

Core-shell macromolecules with dendritic polyphenylene core and polymer shell Zusammenfassung / Abstract Core-shell macromolecular structures have become of great interest in materials science because they gave an opportunity to combine a large variety of chemical and physical properties in the single molecule, by combination of different (in terms of chemistry and physics) cores and shells. The interest in such complex structures was provoked by their potential applications in the coating and painting industry (latexes), as supports for catalysts in polymer industry, or as nano-containers and transporters for genes or drug delivery. The aim of this study was the synthesis, characterization and further application of core-shell macromolecules possessing a hydrophobic stiff core (polyphenylene dendrimers) surrounded with a hydrophilic, soft, covalently bonded polymer shell (poly(ethylene oxide) and its copolymers). The requirements for such complex substances were that they should be well-defined in terms of molecular weight (narrow molecular weight distribution) and in molecular structure. The preparation of core-shell molecules containing dendrimer as a core was possible via two synthetic routs: “grafting-onto” and “grafting-from”. The resulting core-shell macromolecules possessed narrow polydispersity as guaranteed by the excellent structural and functional definition of the dendrimer and the narrow polydispersity of the PEO, PS-b-PEO and PI-b-PEO attached to the dendrimer surface. Additional investigation of the size of the particles indicated a relation between both the length and the number of the polymer chains and the hydrodynamic radius determined by Dynamic Light Scattering and Fluorescent Correlation Spectroscopy. Core-shell nano-particles were applied as metallocene supports in heterogeneous olefin polymerizations. Our results indicate that such catalyst systems, that have a size of at least one order of magnitude smaller than the used by now organic supports, could be very useful as model compounds for investigations on catalyst fragmentation and its influence on the product parameters.