Progetto e calibrazione di un dispositivo portatile per il monitoraggio della qualita dell'aria

Sviluppo di un prodotto per la misurazione di parametri ambientali legati alla qualità dell’ambiente in cui viviamo. Il dispositivo si struttura in moduli: una base comune comprendente tutti i componenti di elaborazione, visualizzazione, trasmissione e memorizzazione, unito a vari moduli sensore da collegare in base ai parametri che si vogliono monitorare.

Implementazione di una rete di sensori per il controllo di gas inquinanti nell'ambiente

Negli ultimi anni i progressi tecnologici in termini di miniaturizzazione elettronica, hanno permesso la realizzazione di componenti hardware ed in particolare di microprocessori e sensori dalle dimensioni ridottissime. Questo ha favorito la recente diffusione di reti di sensori wireless (Wireless Sensor Network) basate su sistemi embedded più o meno complessi ed applicate a settori di mercato che vanno dalla domotica alle applicazioni industriali, fino al monitoraggio dei pazienti. Lo scopo di questa tesi, svolta in collaborazione con la società Rinnova di Forlì, consiste nell’implementazione di un dimostratore che mostri la reale capacità di realizzare una rete WS che si appoggia su di un sistema embedded commerciale ed ampiamente diffuso come la piattaforma Arduino ed in grado di rilevare il livello di ammoniaca presente negli allevamenti di pollame. Tale gas infatti, se presente in quantità notevole, provoca una dannosa alterazione comportamentale dei polli e risulta quindi un parametro molto importante da monitorare. Oltre al sensore di ammoniaca, misurazione principale richiesta dal progetto, ne sono stati aggiunti uno per la temperatura ed uno per l’umidità. L’architettura finale implementata è quella tipica di una rete a stella, in cui il master centrale colleziona a polling i dati provenienti dai sensori collegati agli slave e li invia ad un server web, rendendoli accessibili mediante la rete Internet. L’utente finale può così accedere alla pagina web da un qualunque PC dotato di connessione Internet, monitorare i dati dei sensori e soprattutto verificare quando il livello di ammoniaca supera la soglia di attenzione, potendo così intervenire immediatamente nell’allevamento per effettuare le dovute operazioni di pulizia.

Sviluppo e sperimentazione di sensori per il monitoraggio della qualità dell'aria

Individuare e conoscere la natura degli inquinanti atmosferici e disporre dei dati delle emissioni sono azioni fondamentali per formulare politiche ambientali incentrate sul miglioramento della qualità dell'aria e monitorarne l'efficacia. Sorge l'esigenza di un controllo costante della qualità dell'aria, processo che avviene utilizzando delle centraline di monitoraggio fisse sparse nelle vie delle maggiori città o nei pressi dei principali insediamenti industriali. Lo scopo di questo progetto è quello di realizzare una stazione di monitoraggio mobile al fine di aumentare la superficie di controllo, realizzando un oggetto dinamico capace di acquisire dati sull'inquinamento. Questo è stato fatto applicando ad un drone un sistema di sensori capaci di rilevare le variazioni dei livelli di concentrazione degli agenti inquinanti. Ciò permette di eliminare le stazioni di monitoraggio fisse, le quali rappresentano una spesa ingente. Inoltre, attraverso l'utilizzo di un drone, è possibile monitorare siti più vasti, permettendo un monitoraggio costante e ripetuto nel tempo. La prima parte dell'elaborato analizza il sistema Embedded utilizzato per l'acquisizione dei dati, concentrando l'attenzione prevalentemente sui moduli utilizzati. La seconda descrive quali sono i primi passi per cominciare ad utilizzare i sensori posti sulla Gases Board 2.0 e risponde ai dubbi più comuni su quali parametri di configurazione adottare per un avere una risposta adeguata, quale processo di calibrazione seguire o come trasformare i dati acquisiti, espressi in tensioni, in valori di concentrazione di gas. La terza parte illustra i test effettuati per verificare il corretto funzionamento del sistema completo, con l’esposizione delle problematiche individuate, e una presentazione delle alternative più valide per superarle.

Sensori chimici basati su molecole e nanoparticelle

Con questo lavoro di tesi si è cercato da un lato di dare un contributo al settore dei sensori chimici, caratterizzando e sviluppando diversi sistemi che presentano promettenti proprietà per l’utilizzo nella realizzazione di sensori luminescenti, e dall’altro di studiare sistemi di nanoparticelle di oro per identificarne e caratterizzarne i processi che portano all’interazione con un’unità fluorescente di riferimento, il pirene. Quest’ultima parte della tesi, sviluppata nel capitolo 4, sebbene possa apparire “slegata” dall’ambito della sensoristica, in realtà non lo è in quanto il lavoro di ricerca svolto rappresenta una buona base di partenza per lo sviluppo di sistemi di nanoparticelle metalliche con un possibile impiego in campo biomedico e diagnostico. Tutte le specie studiate, seppur molto diverse tra loro, posseggono quindi buone caratteristiche di luminescenza ed interessanti capacità di riconoscimento, più o meno selettivo, di specie in soluzione o allo stato gassoso. L’approccio generale che è stato adottato comporta una iniziale caratterizzazione in soluzione ed una susseguente ottimizzazione del sistema mirata a passare al fissaggio su supporti solidi in vista di possibili applicazioni pratiche. A tal proposito, nel capitolo 3 è stato possibile ottenere un monostrato organico costituito da un recettore (un cavitando), dotato di una parte fluorescente le cui proprietà di luminescenza sono sensibili alla presenza di una funzione chimica che caratterizza una classe di analiti, gli alcoli. E’ interessante sottolineare come lo stesso sistema in soluzione si comporti in maniera sostanzialmente differente, mostrando una capacità di segnalare l’analita molto meno efficiente, anche in funzione di una diversa orientazione della parte fluorescente. All’interfaccia solido-gas invece, l’orientamento del fluoroforo gioca un ruolo chiave nel processo di riconoscimento, e ottimizzando ulteriormente il setup sperimentale e la composizione dello strato, sarà possibile arrivare a segnalare quantità di analita sempre più basse. Nel capitolo 5 invece, è stato preso in esame un sistema le cui potenzialità, per un utilizzo come sonda fluorescente nel campo delle superfici di silicio, sembra promettere molto bene. A tal proposito sono stati discussi anche i risultati del lavoro che ha fornito l’idea per la concezione di questo sistema che, a breve, verrà implementato a sua volta su superficie solida. In conclusione, le ricerche descritte in questa tesi hanno quindi contribuito allo sviluppo di nuovi chemosensori, cercando di migliorare sia le proprietà fotofisiche dell’unità attiva, sia quelle dell’unità recettrice, sia, infine, l’efficienza del processo di traduzione del segnale. I risultati ottenuti hanno inoltre permesso di realizzare alcuni prototipi di dispositivi sensoriali aventi caratteristiche molto promettenti e di ottenere informazioni utili per la progettazione di nuovi dispositivi (ora in fase di sviluppo nei laboratori di ricerca) sempre più efficienti, rispondendo in tal modo alle aspettative con cui questo lavoro di dottorato era stato intrapreso.

Analisi fluidodinamica di reattori gas-liquido operanti con giranti multiple

La miscelazione di sistemi gas-liquido all’interno di recipienti meccanicamente agitati ritrova molte applicazioni industriali. I recipienti meccanicamente agitati rappresentano la scelta più conveniente poiché consentono una dispersione ottimale della fase dispersa all’interno della fase continua ed uno scambio di materia e di calore efficiente. I parametri chiave sono il consumo di potenza, l’hold-up di gas ed il regime gas-impeller. La fase sperimentale è stata sviluppata mediante l’utilizzo di un reattore pilota operante con tre turbine Rushton. Il consumo di potenza è stato valutato ed i risultati ottenuti dalle analisi di laboratorio sono stati confrontati con la correlazione empirica di Warmoeskerken (1986). Le tecniche impiegate in passato per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido sono caratterizzate da diversi svantaggi quali la possibilità di essere utilizzate solo per lo studio di sistemi trasparenti, l’intrusività ed i costi alti. Attualmente, la tomografia a resistenza elettrica (ERT) è una delle tecniche di ispezione più utilizzate grazie alla sua potenzialità di fornire informazioni qualitative e quantitativi. Uno degli obiettivi di questo lavoro di tesi è quello di validare una metodologia da seguire per la caratterizzazione dei sistemi gas-liquido. L’ERT è stata utilizzata per la valutazione dell’hold-up di gas e per l’identificazione del regime instaurato all’interno dell’apparecchiatura. I risultati sono stati confrontati con le valutazioni visive e le correlazioni proposte dalla letteratura. La strumentazione dell’ERT comprende un sistema di sensori, un sistema di acquisizione dati (DAS) ed un computer sul quale è installato il software per la ricostruzione dell’immagine, il quale, generalmente, è basato sull’algoritmo linear back - projection. Ulteriore obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di investigare sulla convenienza di adoperare un software più sofisticato per la ricostruzione dell’immagine.

Ihwg-μnir: A Miniaturised Near-infrared Gas Sensor Based On Substrate-integrated Hollow Waveguides Coupled To A Micro-nir-spectrophotometer.

A miniaturised gas analyser is described and evaluated based on the use of a substrate-integrated hollow waveguide (iHWG) coupled to a microsized near-infrared spectrophotometer comprising a linear variable filter and an array of InGaAs detectors. This gas sensing system was applied to analyse surrogate samples of natural fuel gas containing methane, ethane, propane and butane, quantified by using multivariate regression models based on partial least square (PLS) algorithms and Savitzky-Golay 1(st) derivative data preprocessing. The external validation of the obtained models reveals root mean square errors of prediction of 0.37, 0.36, 0.67 and 0.37% (v/v), for methane, ethane, propane and butane, respectively. The developed sensing system provides particularly rapid response times upon composition changes of the gaseous sample (approximately 2 s) due the minute volume of the iHWG-based measurement cell. The sensing system developed in this study is fully portable with a hand-held sized analyser footprint, and thus ideally suited for field analysis. Last but not least, the obtained results corroborate the potential of NIR-iHWG analysers for monitoring the quality of natural gas and petrochemical gaseous products.

Assessment Of Robustness On Analysis Using Headspace Solid-phase Microextraction And Comprehensive Two-dimensional Gas Chromatography Through Experimental Designs.

Plackett-Burman experimental design was applied for the robustness assessment of GC×GC-qMS (Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography with Fast Quadrupolar Mass Spectrometric Detection) in quantitative and qualitative analysis of volatiles compounds from chocolate samples isolated by headspace solid-phase microextraction (HS-SPME). The influence of small changes around the nominal level of six factors deemed as important on peak areas (carrier gas flow rate, modulation period, temperature of ionic source, MS photomultiplier power, injector temperature and interface temperature) and of four factors considered as potentially influential on spectral quality (minimum and maximum limits of the scanned mass ranges, ions source temperature and photomultiplier power). The analytes selected for the study were 2,3,5-trimethylpyrazine, 2-octanone, octanal, 2-pentyl-furan, 2,3,5,6-tetramethylpyrazine, and 2-nonanone e nonanal. The factors pointed out as important on the robustness of the system were photomultiplier power for quantitative analysis and lower limit of mass scanning range for qualitative analysis.

Separation Of Glycosidic Catiomers By Twim-ms Using Co2 As A Drift Gas.

Traveling wave ion mobility mass spectrometry (TWIM-MS) is shown to be able to separate and characterize several isomeric forms of diterpene glycosides stevioside (Stv) and rebaudioside A (RebA) that are cationized by Na(+) and K(+) at different sites. Determination and characterization of these coexisting isomeric species, herein termed catiomers, arising from cationization at different and highly competitive coordinating sites, is particularly challenging for glycosides. To achieve this goal, the advantage of using CO2 as a more massive and polarizable drift gas, over N2 , was demonstrated. Post-TWIM-MS/MS experiments were used to confirm the separation. Optimization of the possible geometries and cross-sectional calculations for mobility peak assignments were also performed. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

In Vivo Determination Of The Volatile Metabolites Of Saprotroph Fungi By Comprehensive Two-dimensional Gas Chromatography.

In this work, we discuss the use of multi-way principal component analysis combined with comprehensive two-dimensional gas chromatography to study the volatile metabolites of the saprophytic fungus Memnoniella sp. isolated in vivo by headspace solid-phase microextraction. This fungus has been identified as having the ability to induce plant resistance against pathogens, possibly through its volatile metabolites. Adequate culture media was inoculated, and its headspace was then sampled with a solid-phase microextraction fiber and chromatographed every 24 h over seven days. The raw chromatogram processing using multi-way principal component analysis allowed the determination of the inoculation period, during which the concentration of volatile metabolites was maximized, as well as the discrimination of the appropriate peaks from the complex culture media background. Several volatile metabolites not previously described in the literature on biocontrol fungi were observed, as well as sesquiterpenes and aliphatic alcohols. These results stress that, due to the complexity of multidimensional chromatographic data, multivariate tools might be mandatory even for apparently trivial tasks, such as the determination of the temporal profile of metabolite production and extinction. However, when compared with conventional gas chromatography, the complex data processing yields a considerable improvement in the information obtained from the samples. This article is protected by copyright. All rights reserved.

Measuring air pressure with a polymeric gas sensor

In this communication we describe the application of a conductive polymer gas sensor as an air pressure sensor. The device consists of a thin doped poly(4'-hexyloxy-2,5-biphenylene ethylene) (PHBPE) film deposited on an interdigitated metallic electrode. The sensor is cheap, easy to fabricate, lasts for several months, and is suitable for measuring air pressures in the range between 100 and 700 mmHg.

Gas-phase solvolysis type reactions of SiCl3+ cations

Gas-phase SiCl3+ ions undergo sequential solvolysis type reactions with water, methanol, ammonia, methylamine and propylene. Studies carried out in a Fourier Transform mass spectrometer reveal that these reactions are facile at 10-8 Torr and give rise to substituted chlorosilyl cations. Ab initio and DFT calculations reveal that these reactions proceed by addition of the silyl cation to the oxygen or nitrogen lone pair followed by a 1,3-H migration in the transition state. These transition states are calculated to lie below the energy of the reactants. By comparison, hydrolysis of gaseous CCl3+ is calculated to involve a substantial positive energy barrier.

Dynamic transitions in a three dimensional associating lattice gas model

The aggregation of interacting Brownian particles in sheared concentrated suspensions is an important issue in colloid and soft matter science per se. Also, it serves as a model to understand biochemical reactions occurring in vivo where both crowding and shear play an important role. We present an effective medium approach within the Smoluchowski equation with shear which allows one to calculate the encounter kinetics through a potential barrier under shear at arbitrary colloid concentrations. Experiments on a model colloidal system in simple shear flow support the validity of the model in the concentration range considered. By generalizing Kramers' rate theory to the presence of shear and collective hydrodynamics, our model explains the significant increase in the shear-induced reaction-limited aggregation kinetics upon increasing the colloid concentration.

Dynamic transitions in a two dimensional associating lattice gas model

Using Monte Carlo simulations we investigate some new aspects of the phase diagram and the behavior of the diffusion coefficient in an associating lattice gas (ALG) model on different regions of the phase diagram. The ALG model combines a two dimensional lattice gas where particles interact through a soft core potential and orientational degrees of freedom. The competition between soft core potential and directional attractive forces results in a high density liquid phase, a low density liquid phase, and a gas phase. Besides anomalies in the behavior of the density with the temperature at constant pressure and of the diffusion coefficient with density at constant temperature are also found. The two liquid phases are separated by a coexistence line that ends in a bicritical point. The low density liquid phase is separated from the gas phase by a coexistence line that ends in tricritical point. The bicritical and tricritical points are linked by a critical lambda-line. The high density liquid phase and the fluid phases are separated by a second critical tau-line. We then investigate how the diffusion coefficient behaves on different regions of the chemical potential-temperature phase diagram. We find that diffusivity undergoes two types of dynamic transitions: a fragile-to-strong transition when the critical lambda-line is crossed by decreasing the temperature at a constant chemical potential; and a strong-to-strong transition when the critical tau-line is crossed by decreasing the temperature at a constant chemical potential.

High density flux of Co nanoparticles produced by a simple gas aggregation apparatus

Gas aggregation is a well known method used to produce clusters of different materials with good size control, reduced dispersion, and precise stoichiometry. The cost of these systems is relatively high and they are generally dedicated apparatuses. Furthermore, the usual sample production speed of these systems is not as fast as physical vapor deposition devices posing a problem when thick samples are needed. In this paper we describe the development of a multipurpose gas aggregation system constructed as an adaptation to a magnetron sputtering system. The cost of this adaptation is negligible and its installation and operation are both remarkably simple. The gas flow for flux in the range of 60-130 SCCM (SCCM denotes cubic centimeter per minute at STP) is able to completely collimate all the sputtered material, producing spherical nanoparticles. Co nanoparticles were produced and characterized using electron microscopy techniques and Rutherford back-scattering analysis. The size of the particles is around 10 nm with around 75 nm/min of deposition rate at the center of a Gaussian profile nanoparticle beam.

Polaron liquid-gas crossover at the orthorhombic-rhombohedral transition of manganites

High-resolution synchrotron x-ray powder diffraction in La(0.7)Ca(0.3)MnO(3) shows in detail a first-order structural phase transition from orthorhombic (space-group Pnma) to rhombohedral (space-group R (3) over barc) crystal structures near T(S)=710 K. Magnetic susceptibility measurements show that the rhombohedral phase strictly obeys the Curie-Weiss law as opposed to the orthorhombic phase. A concomitant change in the electrical resistivity behavior, consistent with an alteration from nonadiabatic to adiabatic small polaron hopping regimes, was also observed at T(S). The simultaneous change in transport and magnetic properties are identified as a transition from a correlated polaron liquid for Tgas for T>T(S), driven by the change in the crystal symmetry.