Sintesi e caratterizzazione di CaCu3Ti4O12 (CCTO) per applicazioni in fotoelettrocatalisi

A promising strategy to mitigate both the energy crisis and global warming is the development of solar fuels and chemicals using as feedstock CO2 in combination with simple molecules such as water. This process stores the solar energy into chemical bonds, leading to a carbon-neutral approach of fuels and chemicals production. Aim of this thesis was the synthesis and characterization of CaCu3Ti4O12 (CCTO)- based compounds to be used as visible light photocatalyst for CO2 to chemical conversion. Different compositions were produced doping CCTO with increasing concentration of iron into the perovskite’s A site in order to identify the materials with the highest photo- and photoelectrocatalytic properties. The most promising compositions were used to produce photoelectrodes by screen printing that were characterized by linear and cyclic voltammetry, impedance spectroscopy and Mott-Schottky analysis to evaluate the electrical conductivity and calculate the flat band potential and the number of charge carriers in the samples. The photoelectrodes were then tested in a photoelectrochemical (PEC) cell for the conversion of CO2 into fuel and chemicals. The results obtained confirm that CCTO-based materials can be considered promising materials for carbon dioxide photo-electrochemical reduction.

Analisi del degassamento di CO2 diffuso dal suolo presso la Solfatara di Pozzuoli (Napoli, Italia): Misura, mapping e quantificazione del flusso totale.

Il presente lavoro ha come obiettivo la descrizione dello studio del degassamento diffuso di CO2 (acquisizione dei dati e loro trattazione) effettuato nell'area vulcanica dei Campi Flegrei (NA), nello specifico nell'area della Solfatara di Pozzuoli. Questo infatti rappresenta attualmente il punto di massimo rilascio di fluidi ed energia dell'intero Distretto Vulcanico Flegreo attraverso attività quali fumarole e degassamento diffuso dal suolo, nonché deformazioni del terreno (bradisismo). Tramite l'acquisizione dei valori di flusso diffuso e delle temperature dei primi 10 cm di suolo, attraverso una trattazione dei dati statistica e geostatistica, è stato possibile distinguere e caratterizzare le sorgenti di CO2 (biologica o vulcanica), la realizzazione di sviluppo di mappe di probabilità e di flusso medio e la quantificazione dell'output totale giornaliero di CO2. Il lavoro è stato suddiviso in due fasi principali: 1. La prima fase ha riguardato l'acquisizione dei dati sul campo nei giorni 19 e 20 marzo 2015, tramite l'utilizzo di una camera d'accumulo ed un termometro munito di sonda, in 434 punti all'interno del cratere della Solfatara e nelle aree circostanti. 2. Nella seconda fase sono stati elaborati i dati, utilizzando il metodo statistico GSA (Graphical Statistic Approach) ed il metodo geostatistico della simulazione sequenziale Gaussiana (sGs). Tramite il GSA è stato possibile ripartire i dati in popolazioni e definire una media (con relativa varianza) per ognuna di esse. Con la sGs è stato possibile trattare i dati, considerando la loro distribuzione spaziale, per simulare valori per le aree prive di misurazioni; ciò ha permesso di generare delle mappe che mostrassero l'andamento dei flussi e la geometria della struttura del degassamento diffuso (Diffuse Degassing Structure, DDS; Chiodini et al., 2001). Infine i dati ottenuti sono stati confrontati con i risultati di precedenti studi e si è messo in relazione la geometria e l'intensità di degassamento con la geologia strutturale dell'area flegrea indagata.

Stima del sequestro e immagazzinamento di CO2 nelle praterie di Posidonia oceanica

Ogni anno, a causa dell’utilizzo di combustibili fossili e della produzione di cemento, vengono rilasciate in atmosfera 35,7 × 109 tonnellate di CO2, il principale dei gas serra. Durante l’ultima Conferenza delle Parti della UNFCCC, tenutasi a Parigi e nota come COP-21, gli Stati membri hanno posto come obiettivo il raggiungimento delle “emissioni zero” entro la seconda metà del XXI secolo. Secondo le previsioni fornite dall’IPCC il raggiungimento di tale obiettivo porterebbe comunque la concentrazione atmosferica di CO2 a 430 – 530 ppm con un conseguente aumento di temperatura di 1.5-2°C. Se non si riuscisse a rispettare questo traguardo potrebbe rendersi necessaria la rimozione forzata di CO2 dall’atmosfera. Negli ultimi anni è stata riconosciuta ad alcuni ecosistemi, tra cui le praterie di fanerogame marine, la capacità naturale di sottrarre elevate quantità di CO2, e rimuoverle dall’ambiente sotto forma di carbonio organico, chiamato “Blue Carbon”, per lunghi periodi di tempo. Il principale obiettivo di questo lavoro è quello di stimare i quantitativi di “Blue Carbon” contenuto all’interno dei sedimenti e nella biomassa vegetale di una prateria di Posidonia oceanica. I risultati hanno permesso di quantificare, al variare della densità dei fasci fogliari della pianta, la percentuale di carbonio organico contenuta nei primi 40 cm di sedimento e quello contenuto nella biomassa vegetale. Queste percentuali sono state utilizzate per stimare i quantitativi totali di carbonio all’interno di una ristretta area della prateria, quella attorno allo scoglio di Molarotto. Per quest’area il contenuto in carbonio organico stimato per i sedimenti è risultato essere compreso tra 104,4 e 122,7 t C ha-1, mentre quello contenuto nelle fronde tra 3,65 e 6,31 t C ha-1. Utilizzando il software QGIS è stato infine possibile stimare la quantità totale (fronde + sedimento) di carbonio contenuto all’interno della prateria in generale. Questo è risultato essere di 716 tonnellate.

Analisi delle caratteristiche e delle performance di membrane polimeriche a microporosità intrinseca (PIM) per la cattura di CO2

In questo lavoro viene condotta un’analisi critica delle caratteristiche materiali e delle performance di una classe di polimeri recentemente sviluppata, i “Polimeri a Microporosità Intrinseca”, di grande interesse per lo sviluppo di membrane per la separazione di gas, specialmente nella Carbon Capture. Partendo dall’analisi del meccanismo di separazione di gas in membrane polimeriche dense si fornisce una overview sulle tecnologie assodate e innovative per la separazione di gas e per la CC. Le caratteristiche e le proprietà strutturali di rilievo dei polimeri vetrosi sono poi brevemente illustrate e le correlazioni empiriche note tra le suddette e le proprietà di trasporto di materia. Vengono quindi descritti i PIMs analizzando in primis la loro tipica struttura chimica, i processi di sintesi e le caratteristiche principali. Per il PIM-1, capostipite della categoria, il trasporto di gas viene approfondito con lo studio della variabilità delle proprietà quali la permeabilità, la diffusività e la solubilità di penetranti gassosi con i parametri operativi (p, T, composizione dei feed), considerando anche fenomeni tipici dei polimeri vetrosi quali l’aging e l’effetto dei solventi. Sono poi analizzate le proprietà di trasporto nei diversi PIMs, e confrontate con quelle di polimeri di comune utilizzo nelle separazioni in esame. La rielaborazione dei dati raccolti permette di confrontare le performance di una varietà di polimeri nella separazione di gas. In particolare l’analisi critica dei diagrammi permeabilità/selettività induce ad una valutazione approssimativa ma significativa delle possibili soluzioni tra cui optare per una data separazione di gas, considerando anche i parametri operativi tipici della stessa. Infine, vengono riportati e commentati dati di permeazione di miscele gassose in due diversi PIMs e nel polimero PTMSP, ponendo l’attenzione sulle reali condizioni operative con cui la tecnologia a membrane si deve confrontare in applicazioni reali.

Analisi di pH, ORP e DO finalizzata all'utilizzo di segnali indiretti per il monitoraggio e il controllo automatico di impianti di depurazione a fanghi attivi

Con il presente lavoro di tesi si è studiata la possibilità di estrarre informazioni sugli andamenti dei processi biologici dall’osservazione dei segnali di pH, potenziale di ossido riduzione (ORP) e ossigeno disciolto (DO) nelle vasche di processo di un impianto a fanghi attivi a flusso continuo (predenitro/nitro) per verificare la possibilità di utilizzare questo tipo di sonde per lo sviluppo di sistemi per il controllo automatico e la gestione intelligente, eventualmente remota, degli impianti di depurazione. Il lavoro di sperimentazione è stato svolto su un impianto pilota a flusso continuo con schema predenitro – nitro, costruito ed installato presso i laboratori della sede Enea di Bologna (Sezione ACS PROT IDR - Gestione Risorse Idriche). L’obiettivo primario della sperimentazione è stato quello di portare il sistema in uno stato stazionario di equilibrio, così da poter stabilire delle condizioni di funzionamento note e costanti, riscontrabili anche nei segnali di riferimento. Tali condizioni sono state definite prendendo come riferimento un impianto reale noto, funzionante in condizioni di processo costanti e medie, definendo contestualmente test sperimentali che riproducessero condizioni riscontrabili sullo stesso impianto reale. Le condizioni del sistema sono state monitorate costantemente, attraverso il monitoraggio giornaliero dei processi, effettuato con attività di campionamento e di analisi, osservando costantemente i segnali indiretti.

Potenzialità di utilizzo di strutture urbane marine per la conservazione di specie minacciate: uno studio sperimentale sulle strutture di difesa costiera lungo le coste del Nord Adriatico

La proliferazione di strutture di difesa costiere ha determinato un interesse crescente circa l’ecologia di questi ambienti artificiali. Ricerche precedenti svolte lungo le coste del Nord Adriatico avevano evidenziato che mentre i substrati naturali in questa regione sono abbondantemente colonizzati da specie algali, i substrati artificiali tendono ad essere quantitativamente poveri di specie algali e dominati da specie di invertebrati. La seguente tesi ha analizzato l’ipotesi che tali differenze nella crescita di alghe tra habitat naturali ed artificiali potessero essere legate ad una iversa pressione da parte di organismi erbivori. Il lavoro si è focalizzato sulla specie Cystoseira barbata che è naturalmente presente nella regione di studio, ma che negli ultimi 70 anni ha subito una significativa regressione. Si volevano pertanto analizzare i fattori che possono favorire o inibire la crescita di Cystoseira su strutture artificiali di difesa costiera, al fine di poter valutare la possibilità di utilizzare questi substrati artificiali come mezzo per la conservazione di questa specie. I principali obiettivi del lavoro erano: 1. individuare e caratterizzare le potenziali specie erbivore presenti nei siti di studio che potessero limitare la crescita di C. barbata 2. analizzare se ci sono differenze nell’abbondanza di erbivori tra i siti artificiali e quelli naturali. 3. testare se il diverso stadio di sviluppo dell’alga o le modalità di trapianto potessero influenzarne la suscettibilità alla predazione. Mediante esperimenti in campo ho testato gli effetti dell’esclusione di erbivori sulla sopravvivenza e la crescita di Cystoseira barbata. Ho inoltre effettuato test in laboratorio determinare per individuare il potenziale ruolo come erbivori di varie tipologie di organismi, quali anfipodi, paguri e pesci. I risultati confermano l’importanza dell’erbivoria nel determinare il successo dei trapianti e ci dicono che gli erbivori da ricercare superano 1 cm di grandezza. In più, si è osservato che modalità di trapianto che distanzino i talli dal fondo aumentano la sopravvivenza dei talli, mentre non sono state osservate differenze in funzione della taglia dell’alga. Attraverso i test di laboratorio è stato possibile escludere gli Anfipodi come potenziali erbivori mentre Pagurus bernardus ha dimostrato un’effettiva azione di consumo dell’alga. Al contrario, i tests effettuati per approfondire la dieta di alcune specie di blennidi, composta almeno in parte da alghe, non hanno fornito conferme, almeno per il momento. Mediante visual census, si è inoltre escluso il ruolo di grandi erbivori quali ricci e salpe, scarsi nei siti di studio. Il lavoro fino a qui svolto indica, tuttavia, chiaramente che gli ambienti artificiali possono essere influenzati dall’azione di organismi predatori in maniera maggiore rispetto agli ambienti rocciosi circostanti. Questa ipotesi è particolarmente interessante in quanto rappresenterebbe una differenza fondamentale nel funzionamento delle strutture artificiali rispetto agli ambienti rocciosi naturali.