A.A. 2021-22
L’attività di ricerca svolta nell’anno si è articolata come di seguito brevemente illustrato.
Per quanto riguarda le tesi al primo anno:
- Nell’ambito della tesi “Produzione di Idrogeno Turchese mediante Cracking Termico del Metano con Stagno Fuso”, l’attività di ricerca sviluppata nel primo anno di dottorato ha previsto diverse fasi. La prima fase ha riguardato una dettagliata ricerca bibliografica relativa allo Stato dell’arte della produzione di idrogeno mediante Cracking termico del metano utilizzando metalli fusi. Nella seconda fase è stato assemblato un piccolo impianto di laboratorio con cui sono stati eseguiti diversi test utilizzando stagno fuso al fine di stabilire la fattibilità del processo e determinare le condizioni operative ottimali per il processo. Viste le elevate temperature richieste dalla reazione e dal processo è stato utilizzato un reattore in quarzo riscaldato mediante un piccolo forno elettrico e riempito di stagno fuso. Sono stati eseguiti anche test in assenza di riempimento del reattore per poter fare un confronto con quelli effettuati con stagno fuso. I test sono stati eseguiti variando i principali parametri operativi (Temperatura, Portata di metano in ingresso). Ulteriori test sono stati effettuati sia variando la durata della prova (6h, 24h) sia utilizzando alcuni riempimenti inerti al fine di valutare eventuali modifiche in termini di volume di idrogeno prodotto. La terza fase ha previsto un confronto dei diversi test effettuati e la caratterizzazione del carbonio solido prodotto durante le diverse prove.
- Nell’ambito della tesi “Caratterizzazione di diversi surfattanti sintetici e naturali per applicazioni nel risanamento di acquiferi contaminati mediante la tecnologia SEAR (Surfactant Enhanced Aquifer Remediation)” l’attività ha inizialmente riguardato una ricerca bibliografica per studiare il comportamento dei tensioattivi in soluzione e la loro interazione con fasi organiche apolari, specialmente nel campo delle bonifiche. L’attività sperimentale è stata focalizzata sullo studio di un processo di bonifica mediante soluzioni acquose di diversi tensioattivi sugar-based, sia sintetici che naturali, appartenenti alle famiglie degli alchilpoliglicosidi (APGs), soforlipidi (SLs) e ramnolipidi (RLs), per la mobilizzazione di contaminanti organici fortemente adsorbiti. Lo studio è iniziato con una caratterizzazione chimico-fisica dei tensioattivi attraverso misure di tensione superficiale liquido-aria, al fine di calcolare le concentrazioni critiche micellari (CMCs). Successivamente, lo studio ha previsto una sperimentazione in configurazione batch in cui è stato valutato l’adsorbimento dei contaminanti su un materiale adsorbente di riferimento in assenza ed in presenza dei tensioattivi a diversa concentrazione, come valutazione indiretta della capacità di mobilizzazione dei tensioattivi. Infine, è stata condotta una sperimentazione in configurazione continua su colonna per la simulazione in scala da banco di un processo di soil flushing, in cui è stata valutata in maniera diretta l’abilità dei tensioattivi di mobilizzare i contaminanti, precedentemente adsorbiti sul letto fisso.
- Nell’ambito della tesi su “Sistemi biolettrochimici”, lo scopo dell’attività del primo anno è stato di sviluppare un processo bioelettrochimico per abbattere la CO2 convertendola in acetato. Questo è possibile mediante l’utilizzo di microrganismi anaerobici in grado di usare H2 come donatore di elettroni, il quale viene prodotto elettrochimicamente direttamente nel comparto biologico. Lo step iniziale è stato quello di selezionare un inoculo acetogeno mediante delle procedure di trattamenti di una miscela di fanghi, al fine di eliminare le reazioni biologiche competitive, come la metanogenesi, evitando così l’utilizzo di inibitori chimici. Dopo aver monitorato le cinetiche di crescita e di produzione in batch, sono stati allestiti dei reattori in continuo testando differenti parametri di processo. In fine, gli inoculi sono stati testati in reattori bioelettrochimici in continuo a due diversi potenziali.
- Nell’ambito della tesi “Sintesi di nanomateriali per applicazioni ambientali e biomediche”, durante questo primo anno sono stati raccolti I dati disponibili relativi alla fabbricazione di nanomateriali e nanofibre utilizzando diverse tecniche, inclusa l'elettrofilatura. Con la tecnica dell'elettrofilatura, sono state prodotte le prime nanofibre di pullulano. Il pullulano è stato utilizzato come polimero di caso di studio per iniziare a ottimizzare diversi parametri del processo di elettrofilatura come la concentrazione del polimero, il rapporto tra nanomateriali e polimero, la tensione applicata, la portata del fluido, il rapporto polimero-solvente, la distanza della punta dell'ago da il bersaglio e il diametro dell'ago. Parallelamente, alcuni nanomateriali tra cui NiAl2O4 e CoFe2O4 sono stati sintetizzati utilizzando il metodo di coprecipitazione su un reattore a disco rotante per ottimizzare le dimensioni delle nanoparticelle.
- Nell’ambito della ricerca “Produzione di idrogeno "green" mediante elettrolisi in carbonati fusi”, da un’approfondita analisi dello stato dell’arte sulla modellizzazione di celle elettrolitiche, è emerso che la maggior parte dei lavori presenti in letteratura analizza il funzionamento delle MCEC solo mediante modelli cosiddetti 0D, o al massimo 1D, che non possono essere estesi a condizioni operative o geometriche diverse da quelle per i quali sono stati sviluppati. Avendo riscontrato una sostanziale assenza di modelli 2D, l’attività si è, quindi, incentrata sullo sviluppo di un modello 2D, implementato agli elementi finiti in ambiente COMSOL Multiphysics. Il modello ha permesso di ottenere informazioni sulla distribuzione delle principali grandezze all’interno della cella (composizione dei gas e temperatura) in diverse condizioni operative.
- L'attività di ricerca sviluppata in questo primo anno di dottorato nell’ambito della tesi “Production of hydrogen peroxide by electrochemical using Boron Doped Diamond as electrode”, ha compreso una prima fase di ricerca bibliografica riguardante lo studio della Produzione di perossido di idrogeno per via elettrochimica utilizzando come elettrodo il Boro Dopato Diamante. Lo scopo del lavoro è produrre il perossido di idrogeno mediante metodo elettrochimico. Il lavoro sperimentale è stato condotto in due celle divise, una cella rappresenta il catodo e un'altra l'anodo. La cella catodica è stata riempita con la quantità richiesta di 100 ml di soluzione di solfato di sodio (Na2SO4) che può essere regolata in condizioni acide come (pH = 3) con BDD che ha conducibilità termica e cella anodica con disco di platino, riempita con 100 ml di soluzione di perclorato di sodio (NaClO4) per aiutare per la condizione elettrolitica. E queste due cellule divise sono separate da una membrana cationica Nafion. Le due celle sono state fatte funzionare sotto costante agitazione mediante barra magnetica con velocità rpm preferita. L'ossigeno è stato fornito continuamente alla cella cationica che consiste nella soluzione tampone (Na2SO4). Prima dell'inizio del test, l'esperimento è stato eseguito con fornitura di ossigeno e un altro test è stato con aria nella cella divisa per una migliore dissoluzione. La corrente(i) è stata fornita al sistema a 5mA, 10mA, 25mA, 50mA, 25mAaged (BDD) per ogni diverso test. L'effetto di parametri come pH, temperatura, corrente e ossigeno è stato studiato conducendo elettrolisi galvanostatiche in due celle divise. La configurazione sperimentale è stata eseguita fino a 3 ore per ogni test. Per un intervallo di 30 minuti è stata esaminata la percentuale di perossido di idrogeno insieme al potenziale. Con l'aumento del tempo di prova il potenziale è stato gradualmente ridotto. Purtroppo mostra prestazioni elevate nella fornitura di ossigeno e la possibilità di avere una corrente maggiore. Tuttavia, è stato osservato che le prestazioni della cella catodica mostrano buoni risultati per la produzione di perossido di idrogeno H2O2 con diminuzione del potenziale.
- Nell’ambito della tesi, inerente lo sviluppo di sistemi bioelettrochimici per la rimozione di contaminanti da matrici ambientali, nel corso del primo anno, l’attività di ricerca ha riguardato lo studio della prestazione di un reattore bioelettrochimico in scala di laboratorio finalizzato al trattamento di un acqua di falda contaminata da una miscela di toluene e cloroformio (CF), due frequenti e pericolosi inquinanti ambientali. Il reattore impiegato nello studio era costituito da un cilindro in vetro all’interno del quale erano collocati in modo concentrico un anodo tubolare di grafite e un catodo in acciaio inossidabile. Il reattore è stato operato in regime di flusso continuo per un periodo di circa 200 giorni. durante il quale è stata valutata la sua capacità di degradare simultaneamente toluene e CF. All'inizio dello studio, il reattore è stato inoculato con acqua di falda proveniente da un sito contaminato contenente batteri elettroattivi in grado di degradare il toluene e con una coltura declorante arricchita in Dehalobacter spp. (in grado di convertire in CF in diclorometano, DCM) e Dehalobacterium spp. (in grado di fermentare il DCM ad acetato ed idrogeno). Nel corso della sperimentazione è stato anche investigato l’effetto legato alla co-presenza di acetato (i.e., substrato prontamente biodegradabile) e l’effetto della polarizzazione anodica (0.4 V vs. SHE rispetto a potenziale a circuito aperto) sulla prestazione del processo. Quest’ultima era valutata attraverso la misura della concentrazione in ingresso ed in uscita dal reattore dei contaminanti e dei vari sottoprodotti delle reazioni anodiche e catodiche (e/o intermedi metabolici), nonché attraverso la misura della corrente elettrica generata dall’ossidazione dei substrati.
- L’attività di ricerca sviluppata in questo primo anno di dottorato nell’ambito della tesi: “Decarbonizzazione dei settori hard-to-abate: sperimentazione, simulazione e analisi CFD dei metodi di riduzione e sequestro della CO2 pre e post-combustione”, si è incentrata nello studio di soluzioni per decarbonizzare i settori “hard to abate”. Sono stati analizzati processi schemi di processo innovativi dal punto di vista energetico, economico ed ambientale che hanno come obiettivo il riutilizzo e la valorizzazione di correnti di scarto, come il Plasmix, e le biomasse. Sono stati avviati studi modellistici per lo sviluppo di nuove geometrie di bruciatori adatti a combustili alternativi in fase gassosa (ammoniaca, syngas) e solida (Plasmix e biomasse), con l’ottica di ridurre l’emissione di gas serra e di altri inquinanti come NOx e SOx. Inoltre, l’attività di ricerca si è concentrata sui possibili trattamenti post-combustione per la cattura della CO2. È stato svolto uno studio bibliografico sui nanofluidi da utilizzare come solventi nell’assorbimento della CO2. Per facilitare la futura sintesi di nanoparticelle su Spinning Disc Reactor, è stato sviluppato un modello CFD del film che si genera sulla superficie del disco rotante per valutare come la velocità di rotazione, il punto di inlet e la portata hanno influenza sul prodotto desiderato.
Per quanto riguarda le tesi al secondo anno:
- Durante il secondo anno della tesi di dottorato “Sviluppo di strategie per il controllo della contaminazione in colture microalgali eterotrofe” è stato pensato un nuovo schema di processo per favorire la crescita microalgale, mitigando la contaminazione batterica, quando la coltivazione microalgale è integrata con il trattamento di acque reflue. È prevista una prima fase di crescita esponenziale di una coltura microalgale non axenica. Successivamente vi è una fase in assenza di azoto, in cui le microalghe accumulano il carbonio, acquisendo così un vantaggio rispetto ai batteri, nell’ultima fase in assenza di azoto e carbonio. Il principale obiettivo è stato quello di ottimizzare diversi parametri, sia per massimizzare la produttività, che per limitare la contaminazione durante l’intero processo. Alcuni dei parametri studiati sono: il rapporto C/N e la percentuale di batteri iniziali ed il fattening factor. Per simulare il processo, sono stati precedentemente determinati i tempi di duplicazione e le μmax di due ceppi microalgali in presenza di diverse fonti di carbonio e dei batteri in presenza di glucosio. Una volta ottimizzati i parametri, è stata condotta una prova sperimentale.
- L’attività di ricerca su “Sviluppo di processi di produzione di nanomateriali con impiego in situazioni di emergenza” sviluppata in questo anno di dottorato ha previsto una prima fase di produzione di nanoparticelle d’argento mediante l’utilizzo dello Spinning Disc Reactor (SDR). Piu nel dettaglio sono stati studiati i parametri operativi che influenzano la grandezza e la distribuzione dimensionale delle particelle. L’attività fotocatalitica delle particelle prodotte è stata testata nei confronti di una soluzione di blu di metilene in diverse condizioni di illuminazione, a simulare la rimozione di un contaminante modello. Lo stesso reattore è stato utilizzato per la produzione di nanoparticelle composite core/shell/shell, costituite da un core magnetico di Fe3O4 rivestite da uno strato inerte di silice. Infine, un rivestimento esterno di Titania TiO2 è stato applicato per rendere tali strutture utilizzabili nella rimozione fotocatalitica di contaminanti nelle acque. La elevate condizione di mixing (micromixing) raggiunte utilizzando lo SDR hanno inoltre permesso la produzione di liposomi nanometrici unilamellari (SUV) caratterizzati da una distribuzione dimensionale ristretta. Anche in questo caso la dipendenza della dimensione delle strutture vescicolari dai parametri operativi è stata investigata.
- Nel secondo anno di dottorato della Tesi “Valutazione e ottimizzazione di tecnologie di trattamento di siti contaminati di interesse nazionale (SIN) mediante tecniche analitiche avanzate (target e non-target)” dopo aver acquisito le adeguate competenze per l’analisi tramite GC-MS degli Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) ho svolto in collaborazione con il laboratorio del Prof. Petrangeli Papini uno studio sulla mobilizzazione degli IPA in sedimenti marini provenienti da Bagnoli (NA) per lo studio di una possibile bonifica. Sono state effettuate prove in Batch per capire l’effettiva capacità di 8 differenti surfattanti (sintetici o naturali e tutti biodegradabili) attraverso differenti tipi di test (cinetico, con più lavaggi e a differenti concentrazioni di surfattanti). Il test cinetico ci ha permesso di capire il tempo necessario per arrivare alla massimo trasferimento dei contaminanti dal sedimento in soluzione. Il test dei lavaggi ci ha permesso di capire come il numero dei lavaggi ci permette di incrementare il quantitativo di contaminanti mobilizzato. Infine, con il test di concentrazione, abbiamo constatato quanto è importante aumentare il valore di concentrazione di contaminante in soluzione per ottenere dei risultati importanti e avere prestazioni ottime sia per i surfattanti sintetici che naturali.
- Le attività di ricerca del secondo anno della ricerca sulla depolimerizzazione del polistirene hanno riguardato l'effetto del processo termochimico (HTL e pirolisi) sui prodotti di decomposizione di PS. È stato inoltre studiato l'effetto della temperatura e del tempo sulla distribuzione dei prodotti. L'ultima parte dello studio ha riguardato l'HTL dei rifiuti plastici misti per rimuovere le impurità, principalmente cellulosa e PET, e ottenere un residuo solido costituito da poliolefine pure, non degradabili da HTL, che può essere poi trattato in pirolisi per ottenere un combustibile . Sono state ottimizzate le condizioni operative per ridurre al minimo la quantità di impurità ed è stato studiato anche l'uso di catalizzatori.La fase acquosa ricca di composti organici solubili prodotta nel processo HTL è stata raccolta per valutare la possibilità di utilizzare questo flusso di rifiuti per alimentare i batteri per la produzione di PHA.
- Durante il secondo anno dell’attività di ricerca riguardante le nuove tecnologie waste to power, waste to chemicals e waste to energy si sono apporofonditi un processo waste to pyridine/biodiesel, dal quale partendo dai rifiuti (RSU + umido) si possono produrre due co-product quali biodiesel e piridina, oltre che idrogeno e bioetanolo come by-product; un processo di recupero di composti bioattivi e contemporanea produzione di idrogeno verde partendo da biomassa di scarto; un processo di produzione sostenibile di idrogeno per cui è stata condotta un'analisi tecnico-economica e una modellazione di 3 tecnologie: steam reforming, elettrolizzatore PEM ed elettrolizzatore alcalino.
- Nell’ambito della tesi “Sintesi, caratterizzazione e test di nanomateriali fotocatalitici per la rimozione di tracce di inquinanti da acque e acque reflue”, l’attività sperimentale del secondo anno di dottorato ha avuto l’obiettivo di assistere la fotocatalisi (realizzato con catalizzatore a base di titania dopata con ossido di ferro) per il trattamento di acque contaminate mediante ultrasuoni e aggiunta di perossido di idrogeno al fine di potenziare il processo di mineralizzazione dei contaminanti organici. Sono stati condotti test al variare del dosaggio di perossido di idrogeno e potenza degli ultrasuoni al fine di trovare le condizioni ottimali di processo. È stato condotto anche uno studio sugli effetti sinergici che si sono verificati solo nel caso dell’aggiunta di perossido di idrogeno (è stata dimostra l’assenza di sinergismo tra ultrasuoni e fotocatalisi). La seconda parte del lavoro ha riguardato il potenziamento dell’attività fotocatalitica del catalizzatore a base di titania dopata con ferro mediante la sintesi di un materiale composito con biochar derivante da scarti agroalimentari quali caffè, mate, dattero e liquirizia. È stato dimostrato come il composito a base di biochar proveniente da liquirizia ha potenziato notevolmente le capacità di trattamento del materiale. Una fase successiva del lavoro sta riguardando il supporto della titania su pellet di polistirene al fine di agevolare la separazione del catalizzatore dal mezzo acquoso.
- Durante il secondo anno della tesi “Impiego di sistemi bioelettrochimici nel processo multistadio di produzione di Poliidrossialcanoati con colture microbiche miste”, l'attività di ricerca ha riguardato la possibilità di controllare la produzione di PHA (in termini di quantità e composizione) mediante l’utilizzo di un elettrodo polarizzato, con colture microbiche miste (MMC) selezionate in condizioni completamente aerobiche di feast and famine (FF).
Gli esperimenti per l'accumulo di PHA sono stati eseguiti in celle bioelettrochimiche a due campartimenti (reattori ad H), in cui sono stati testati sei differenti valori di potenziale dell'elettrodo di lavoro, compresi tra +0.60 V e -0.80 V rispetto all’elettrodo standard ad idrogeno (SHE). L’elettrodo polarizzato ha influenzato l'accumulo di PHA con un aumento significativo del contenuto di polimero intracellulare (50% maggiore rispetto al controllo OCP) quando il potenziale dell'elettrodo di lavoro era controllato a +0.20 V. Contemporaneamente, è stato gestito un reattore discontinuo sequenziale (SBR) in scala di laboratorio, funzionante in condizioni FF e alimentato con un fermentato reale proveniente da un digestore operante in scala pilota e situato a Verona (Nord Italia) utilizzato per trattare il residuo della produzione della pasta (di seguito riportato come semola). All'SBR è stato applicato un carico organico giornaliero di 4,25 gCOD /Ld e il ciclo di lavoro era complessivamente di 6 ore. Sono stati testati tre differenti fermentati provenienti dell’impianto pilota alimentato con la semola, e si è stabilita una efficiente pressione selettiva per tutte le condizioni testate.
- Nel corso del secondo anno di dottorato su “Nuovi materiali elettrodici positivi per batterie a ioni litio di nuova generazione” è stato approfondito l’analisi dei cicli di formazione elettrochimici dei materiali Li-rich layered oxides Co-free. A seguito dell’ottenimento di una borsa per la mobilità all’estero di studenti di dottorato, presso l’Institute of Science and Technology-Austria (ISTA), nel gruppo del prof. Stefan Freunberger, sono state condotte analisi volte a caratterizzare la reattività multifase di questi materiali tramite ICP-OES, misure di dilatometria elettrochimica in-situ, spettrometria di massa on-line, diffusione dei raggi X a basso angolo. È stato poi effettuata l’analisi dell’effetto di doping con Fe dei materiali LRLO. Questi sono stati sintetizzati e caratterizzati tramite tecniche chimico fisiche e testate in batteria.
- Per studiare il comportamento delle Batterie agli Ioni di Litio (LIBs) quando sottoposte ad abuso termico è stato messo a punto un reattore di prova in modo da poter applicare tale abuso in diverse condizioni operative su una o più celle agli ioni di litio. Le condizioni operative del reattore sono state variate in modo da individuare le condizioni più consone per lo studio del thermal runaway (TR). È stato infatti necessario condurre delle prove preliminari per valutare l’effetto delle portate di ingresso e di flussaggio, dell’atmosfera (aria o azoto), della rampa di riscaldamento e le condizioni di acquisizione dei gas. Una volta identificate le condizioni operative migliori per la valutazione del thermal runaway le prove sono state condotte su celle a diverso stato di carica (SoC, %) per valutarne il contributo di tale parametro sulla sicurezza e le emissioni. Ad ora sono stati identificati e quantificati, previe rette di taratura con miscela di gas standard (quali CO, CO2, CH4 e HF), i soli gas emessi ma successive analisi verranno condotte per la caratterizzazione e l’identificazione anche dei residui solidi.
Per quanto riguarda le tesi al terzo anno:
- Nell’ambito della tesi “Utilizzo di materiali di scarto per la rimozione di inquinanti da acque industriali”, Nel terzo anno di dottorato è stato caratterizzato lo scarto dalle radici di felce (Pteris vittata) e ne sono state definite le proprietà adsorbenti. La felce Pteris vittata è una pianta iper-accumulatrice di arsenico (As) in grado di crescere in colture idroponiche. Grazie a questa caratteristica è spesso impiegata per il risanamento di acque contaminate. Con l’intento di abbattere i costi relativi allo smaltimento della biomassa ricca di As promuovendo lo sviluppo della fitorimediazione, le radici della felce Pteris vittata sono state testate come solidi adsorbenti per la rimozione del colorante “Blu di Metilene” (MB) dall’acqua. Un tipico andamento alla “Langmuir” è stato osservato per le isoterme a 20 °C e 40 °C con una capacità di adsorbimento massima rispettivamente di 112 mg/g e 154 mg/g. Sono stati inoltre effettuati test cinetici per diversi rapporti solido-liquido analizzati opportunamente mediante un modello matematico. La diffusività effettiva di MB nel solido è stata stimata utilizzando il metodo della massima verosimiglianza e i valori di 5.99·10−8 ± 9 .6·10−9 cm2 /s e 9.56·10−8 ± 4.5·10−9 cm2 sono stati ottenuti rispettivamente a 20°C e 40°C. Tramite il calcolo del numero adimensionale di Biot, si è riscontrato che sia la resistenza intra-particellare che la resistenza al trasferimento di massa esterna contribuiscono in maniera significativa per la descrizione della velocità di assorbimento del colorante. Sono stati condotti anche test su colonna a letto fisso per la rimozione del blu di metilene dall'acqua. Le caratteristiche curve di rottura sono state ottenute sperimentalmente a 20°C e un modello cinetico che assume il flusso di materia lineare rispetto al salto motore di concentrazione (Linear Driving Force o modello LDF) è stato utilizzato per prevederne il comportamento. Un'espressione empirica per la valutazione del coefficiente di trasferimento di materia è stata quindi derivata e convalidata per un numero di Reynolds inferiore a 0.025.
- L’attività di ricerca del terzo anno della tesi “Produzione di idrogeno puro tramite un processo Chemical Looping: utilizzo del ferro come elemento redox e del bioetanolo come riducente rinnovabile” si è concentrata sull’effetto dell’aggiunta di promotori strutturali (Al2O3 e MgO) sulla termodinamica e sulla cinetica delle reazioni redox del ferro. È stato inoltre studiato l’effetto dell’aggiunta di 1 wt% Mn2O3 al materiale redox per evitare la deposizione di carbonio in fase di riduzione e per massimizzare la resa in H2 puro, sfruttando l’elevata mobilità degli atomi di ossigeno nel suo reticolo. Le proprietà redox dei materiali sono state valutate mediante analisi TPR a diverse temperature (650°C-850°C) e concentrazioni di riducente (5-10-15 %vol H2 in Ar). I campioni sono stati successivamente testati in un reattore a letto fisso utilizzando bioetanolo come fonte di agenti riducenti (H2, CO, C) al fine di produrre H2 puro per via rinnovabile. Gli esperimenti sono stati condotti a diverse temperature di reazione (675°C-750°C) e portate di etanolo alimentato (4mL/h e 8 mL/h) per individuare le condizioni operative ottimali. In vista di un eventuale scale-up del sistema proposto, è stata studiata l’attività di una spugna con composizione 98 wt% Fe2O3- 2wt% Al2O3, come soluzione a basse perdite di carico e ad elevata attività.
- Durante il terzo anno di dottorato su “Sviluppo di un processo continuo per la produzione dei poliidrossialcanoati (PHA) da risorse rinnovabili e valutazione della salute e della sicurezza sul lavoro”, sono state eseguito due principali attività: la prima attività ha riguardato il monitoraggio e lo svolgimento su scala di laboratorio di un esperimento sul processo innovativo di selezione sviluppato durante gli anni precedenti, con lo scopo di valutare l’effetto di un alto carico organico (4.25 e 8.5 gCOD/Ld) a diversi fattori di ricircolo (RC1 e RC4 rispettivamente) sulla produzione di PHA. Poi, è stato esperimentato l’inserimento di due altri reattori tubulari o di un reattore continuo perfettamente mescolato (CSTR) per l’accumulo di PHA in continuo accoppiato al processo di selezione. La seconda attività si è svolta durante i sei mesi presso l’università tecnologica di Delft (TU Delft) dove è stato effettuato il monitoraggio, il campionamento e l’analisi dei dati del primo impianto dimostrativo al mondo di produzione di PHA mediante utilizzo di colture microbiche miste.
- Nell'ambito della tesi su “Inertial/transient effects and solute dispersion in microfluidic systems involving simple and complex fluids“ l’attività di ricerca del terzo anno si è focalizzata sull'analisi della dispersione nella Open Tubular Liquid Chromatography, un tipo di cromatografia liquida in cui le pareti del capillare sono rivestite con una sottile fase stazionaria. A tale scopo si è sviluppato un framework teorico fondato sui momenti locali e integrali esatti in grado di investigare l'evoluzione temporale delle proprietà di dispersione in strutture periodiche tenendo conto della cinetica di adsorbimento e di desorbimento. L'analisi del comportamento transiente rivela importanti caratteristiche del processo di dispersione che non potrebbero essere analizzate tramite approcci asintotici volti a determinare esclusivamente le proprietà effettive per lunghi tempi.
- L'attività di ricerca del terzo anno di dottorato della tesi "On the effective transport approach at the microfluidic scale and its applications for size-based separations of nanometric particles" e stata focalizzata sulla possibilità di contenere la dispersione assiale di traccianti (effetto “Taylor-Aris”) introducendo campi di velocità trasversali alla direzione del moto di tipo elicoidale e caotico. Inoltre, è stata analizzata la possibilità di migliorare l’efficienza di separazione della Cromatografia Idrodinamica, tecnica di separazione microfluidica di sospensioni diluite, analizzando diverse geometrie di micro-canali. In aggiunta, sono stati condotti esperimenti in fluorescenza per misurare la dispersione assiale di specie adsorbenti e non adsorbenti in sistemi microfluidici presso il laboratorio di microfluidica dipartimento di ingegneria Chimica della “Vrije Universiteit Brussel”.
- Nell’ambito della tesi “Sintesi tramite elettrodeposizione di elettrodi a base di rame e zinco per l'elettroriduzione catalitica dell'anidride carbonica”, nel terzo anno sono stati sintetizzati elettrodi catalitici a base di rame e zinco tramite tecniche di co-elettrodeposizione da bagni di deposizione alcalini. Gli elettrodi bimetallici così ottenuti sono stati caratterizzati morfologicamente, tramite imaging SEM, e ne è stata determinata la composizione tramite mappature EDX e leaching acidi. Sono state valutate correlazioni tra la composizione dei bagni di deposizione sulla quantità di metalli depositati. Sono stati svolti test delle loro proprietà catalitiche, espresse come rese faradiche verso la produzione di monossido di carbonio e metano. Sono stati svolti test catalitici supplementari sugli elettrodi di zinco precedentemente depositati. Sono state discusse correlazioni tra struttura e selettività dei catalizzatori. Le proprietà catalitiche di tutti gli elettrodi ottenuti sono state discusse in relazione ai più recenti risultati di letteratura in merito ai catalizzatori a base di zinco e rame per il processo di elettroriduzione dell’anidride carbonica.
- Durante il terzo anno di attività della tesi sul “Biorisanamento di siti contaminati da solventi clorurati mediante l’utilizzo di un processo bio-elettrochimico”, lo studio del processo bioelettrochimico sequenziale riduttivo-ossidativo è stato testato in ambiente pilota presso un sito contaminato situato nel comune di Rho (Mi). Il test di campo, condotto mediante un impianto pilota del volume di 420 L, è stato sviluppato e caratterizzato assieme all’accoppiamento di un pozzo a ricircolazione progettati e realizzato dall’azienda IEG Technologies gmbh. Lo scale-up del processo, condotto mediante il principio della similarità geometrica dei sistemi, ha previsto la realizzazione di un reattore pilota composto da 4 reattori bioelettrochimici del volume di circa 105 L. I singoli reattori bioelettrochimici sono stati caratterizzati da un punto di vista fluidodinamico ed elettrochimico mediante test con tracciante e curve di polarizzazione. L’impianto pilota è stato testato per un periodo complessivo di nove mesi presso il sito contaminato variando le condizioni operative per determinarne le capacità di rimozione dei contaminanti target. Oltre ad un periodo di start up dell’impianto, tre differenti tempi di residenza idraulici sono stati esploranti mentre paralleli studi in microcosmo hanno permesso la valutazione degli effetti legati alla matrice reale.
- Nel terzo anno della tesi “Study of safety issues of Lithium-ion batteries for their application in the automotive sector”, sono state effettuate prove calorimetriche utilizzando un DSC su celle LTO ed LFP. I test sono stati effettuati su celle a diverso stato di carica iniziale ( 0% 30% 50% 100%) variando la velocità di riscaldamento durante la prova. Prima di essere sottoposte ai test le celle hanno subito un trattamento preventivo detto di formazione, per consentire la corretta formazione del SEI. I dati ottenuti sono serviti per identificare e caratterizzare da un punto di vista cinetico le reazioni che avvengono durante la fuga termica.
I parametri ottenuti insieme ai fenomeni che coinvolgono l'elettrolita (ovvero il venting) sono stati inclusi nel “Battery and Fuel Cell Module” del simulatore COMSOL Multiphysics, consentendo lo sviluppo di un modello predittivo. I risultati ottenuti sono stati validati confrontandoli con i dati sperimentali ottenuti dai test sulle celle NCR 18650 della Panasonic effettuati utilizzando il calorimetro a cono. La simulazione è stata effettuata anche per celle LTO.
Tutti i dottorandi in corso hanno inoltre partecipato alle attività formative proposte dal dottorato nell’A.A. 2021-22: il primo modulo (TOPICS IN CHEMICAL ENGINEERING - 4 CFU) è stato erogato dal 27 giugno al 1 luglio 2022; il secondo modulo (TOPICS IN CHEMICAL, BIOCHEMICAL and ENVIRONMENTAL PROCESSES - 4 CFU) è stato erogato dall’11 al 19 luglio 2022; il terzo modulo (Methods for Research and Technology Transfer - 3 CFU) è stato erogato dal 19 al 21 settembre 2022.
I dottorandi hanno inoltre partecipato a seminari, convegni e workshop su argomenti inerenti alla loro attività di ricerca, conseguendo i crediti formativi previsti dal piano formativo.