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D084 - CHEMICAL, ENVIRONMENTAL, BIOMEDICAL, HYDRAULIC AND MATERIALS ENGINEERING

Materiali

Questa pagina presenta una breve descrizione delle principali linee di ricerca sviluppate nell’ambito del dottorato di ricerca.

 

Relazioni proprietà-struttura-lavorazione in materiali polimerici

Le attività di ricerca si sviluppano su tematiche inerenti le relazioni proprietà-struttura-lavorazione in materiali polimerici. In particolare, sono studiati sistemi polimerici mono- e multifasici e loro relativi sistemi compositi contenenti micro e nanoparticelle. Si studia la preparazione e la caratterizzazione di questi materiali, l’ottimizzazione delle condizioni di processo e le potenziali funzioni e applicazioni in settori come: biomedicale, imballaggi, agricoltura, sensori, ambiente, biotecnologie. Le attività di ricerca hanno forte carattere interdisciplinare e si avvalgono di numerose collaborazioni con altri gruppi di ricerca e del supporto di svariati progetti di ricerca finanziati.

 

Sviluppo di moduli innovativi di celle a combustibile con elettrolita polimerico

Lo scopo di questo progetto è lo sviluppo di moduli innovativi di celle a combustibile con elettrolita polimerico attraverso l’implementazione di strumenti computazionali per la modellazione multiscala dei dispositivi. Questa attività sarà accompagnata da campagne sperimentali per la validazione dei modelli computazionali.

 

Sviluppo di rivestimenti funzionali

Lo scopo di questo progetto è di mettere a punto processi per la fabbricazione tramite anodizzazione, hard anodizing, plasma electrolyticoxidation, elettrodeposizione, elettro-polimerizzazione di nuovi rivestimenti su metalli e leghe metalliche per la protezione dalla corrosione e per impartire particolari funzionalità ai materiali per applicazioni nell’industria aerospaziale e delle automobili, nonché nel settore biomedicale.

 

Fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi elettrochimici

L’attività di ricerca riguarda la sintesi di differenti nanomateriali per la fabbricazione di dispositivi elettrochimici per applicazioni tecnologiche in settori quali l’energetica, la sensoristica, il recupero di materiali a fine vita, la salute dell’uomo, la catalisi e l’elettrocatalisi. Più nel dettaglio, si possono identificare cinque aree tematiche principali:

-          Deposizione e caratterizzazionedi nanostrutture per via elettrochimica (electroless e/o elettrodeposizione) utilizzando membrane nanoporose come stampo.;

-          Sensori e biosensori per applicazioni in campo ambientale e biomedicale;

-          Deposizione di biocoatings e studio della resistenza alla corrosione di questi materiali all’interno del fluido corporeo e studio della loro eventuale citotossicità.;

-          Materialinanostrutturati per l’energetica per celle solari, per le batterie piombo acido e per elettrolizzatori alcalini;

-          Recupero dei materiali afine vita attraverso tecniche elettrochimiche. L’attenzione ad oggi è in particolare focalizzata sul recupero dell’oro e del rame dalle schede elettroniche.

 

Compositi verdi

Al giorno d'oggi, la crescente consapevolezza delle problematiche ambientali ha comportato la necessità di utilizzare materiali sostenibili e rispettosi dell'ambiente, ottenuti da risorse rinnovabili, riciclabili, biodegradabili e ampiamente disponibili. I biocompositi sono materiali compositi costituiti da matrici polimeriche o cementizie a basso impatto ambientale, rinforzate da fibre naturali e rappresentano un emergente tema nella ricerca dei materiali per la loro possibile applicazione in una varietà di campi come biomedico, imballaggio, trasporto, energia, edilizia e sport e il tempo libero. D'altro canto, esistono alcuni problemi, come le difficoltà relative alle tecniche di produzione, le inferiori e non ripetibili proprietà meccaniche rispetto ai compositi tradizionali e la limitata durabilità in ambienti aggressivi. In questo contesto, tale attività di ricerca mira a studiare nuove formulazioni che possono considerare l'uso di promotori di adesione e additivi, l’effettuazione di modifiche chimico/fisiche dei costituenti, l’ottimizzazione dei processi produttivi al fine di superare tali limitazioni e ampliare l’utilizzo di tale classe di compositi.

 

Giunzioni ibride

Le giunzioni rivestono ormai un ruolo fondamentale in diversi settori industriali in quanto è praticamente impossibile realizzare strutture monolitiche. Fra l’altro, la crescente domanda di strutture leggere e al contempo resistenti sta portando all'utilizzo di materiali diversi aventi tali caratteristiche. In particolare, leghe metalliche vengono spesso giuntate con compositi a matrice polimerica rinforzata con fibre (FRP) al fine di ottenere strutture ibride adatte per applicazioni di ingegneria strutturale, sebbene l'unione di materiali diversi rappresenti ancora un punto critico.

In tale ambito, la presente attività di ricerca mira dunque all'ottimizzazione di giunti adesivi, meccanici o misti (adesivo-meccanici) attraverso approcci sia sperimentali che numerici. Verranno in particolare valutati diverse tecnologie produttive, nonché trattamenti superficiali dei metalli e trattamenti chimici o fisici del rinforzo del substrato composito.

Un ulteriore aspetto della presente ricerca sarà focalizzato sulla valutazione del comportamento all'invecchiamento delle giunzioni esposte ad ambienti aggressivi mediante la valutazione delle loro proprietà quasi statiche, termomeccaniche e di impatto in funzione del tempo di invecchiamento.

 

Biomateriali e bionanomateriali

Progettazione, sintesi o modificazione, e caratterizzazione di macromolecole per applicazioni in ambito biomedico come nanodispositiviper il rilascio di molecole biologicamente attive ed agenti di contrasto; nella medicina rigenerativa come scaffolds bioattivi per sostenere la differenziazione e crescita di cellule staminali; in formulazioni cosmetiche per l’incorporazione, stabilizzazione e rilascio di principi attivi; e per lo sviluppo di film e rivestimenti funzionali. In ciascuno di questi ambiti vengono approfondite le relazioni tra la struttura chimica dei materiali, il processo produttivo, le proprietà dei materiali e la funzione per la quale i materiali sono stati progettati e sviluppati. Si pone particolare attenzione a metodologie di sintesi verde, tra cui i processi che fanno ricorso alle radiazioni ionizzanti, e allo sfruttamento di materie prime da fonti rinnovabili. Questi temi di ricerca sono sviluppati nell’abito di collaborazioni internazionali con Università, Aziende Farmaceutiche e di prodotti di largo consumo, e in collaborazione con l’Agenzia Internazionale dell’Energia Atomica (IAEA).

 

Catalisi, fotocatalisi, fotoelettrocatalisi

Preparazione e caratterizzazione di nuovi materiali catalitici fotocatalitici e fotoanodi per reazioni di ossidazione e/o riduzione in mezzo acquoso o aeriforme.

Sintesi di prodotti ad alto valore aggiunto mediante reazioni parziali di ossidazione e/o riduzione catalitica fotocatalitica e fotoelettrocatalitica.

Modellazioni cinetiche di reazioni eterogenee catalitiche, fotocatalitiche e fotoelettrocatalitiche.

Modellazione di reattori e microreattori catalitici, fotocatalitici e fotoelettrocatalitici.

 

Processi avanzati di trattamento e riciclo di rifiuti elettronici

Lo scopo di questo progetto è di inquadrare i rifiuti elettronici nell’ambito di una economia circolare, mettendo a punto trattamenti per il recupero e riciclo di metalli in essi contenuti, quali metalli preziosi, metalli del gruppo del platino, tantalio, niobio, litio, etc.

 

Progettazione e sviluppo di fotobioreattori innovativi per la produzione di biomassa microalgale

Le microalghe sono organismi unicellulari (eucarioti o procarioti) di elevata biodiversità, interessanti non solo dal punto di vista ecologico ed ambientale, in quanto capaci di catturare e trasformare grosse quantità di CO2, ma anche per le loro molteplici applicazioni biotecnologiche. Producono infatti numerose molecole come proteine, acidi grassi polinsaturi, pigmenti, carboidrati e carotenoidi che trovano applicazioni in diversi settori. La coltivazione delle microalghe non ha ancora raggiunto un livello industriale a causa della poca efficienza dei sistemi di coltivazione ad oggi disponibili. Obiettivo del progetto di dottorato è quindi quello di disegnare e sviluppare nuovi fotobioreattori innovativi, in grado di massimizzare la produttività di biomassa algale. Verrà in particolare proposto un tipo di fotobioreattore di tipo thin-cascade, che prevede l’utilizzo di spessori molto sottili di sospensione cellulare, in grado di massimizzarne la captazione della luce, che risulta il fattore maggiormente limitante per la crescita microalgale.

 

Valorizzazione di salamoie esauste attraverso il recupero di Critical RawMaterials

La valorizzazione di acque di scarto industriali è uno dei cardini del concetto di sviluppo sostenibile ed economia circolare nell’Europa del terzo millennio. Guardando nello specifico alla ricchezza in elementi preziosi delle salamoie di scarto provenienti da saline, risulta evidente l’enorme potenziale di utilizzo che interessa l’intero bacino del Mediterraneo che diventerebbe la più importante “miniera” d’Europa. La ricerca proposta mira alla messa a punto di tecnologie di cristallizzazione reattiva e separazione selettiva di elementi quali il magnesio da salamoie di scarto. L’obiettivo principale sarà l’analisi dei complessi fenomeni di cristallizzazione reattiva e delle sue cinetiche di nucleazione, accrescimento ed agglomerazione dei cristalli. Tale indagine verrà condotta attraverso originali tecniche di indagine sperimentale accoppiate a strumenti di modellazione matematica avanzata in grado di accoppiare la descrizione dei fenomeni di miscelazione e quelli di cristallizzazione all’interno reattori a scala di laboratorio e poi a quella pilota.

 

Processi sostenibili per la produzione di biocombustibili di nuova generazione

La ricerca è basata sullo studio di processi di conversione di biomasse residuali in combustibili di nuova generazione. Lo scopo è definire nuove strategie per la conversione della biomassa in combustibile di buona qualità e con alti rendimenti di conversione. Lo studio sarà organizzato per cercare di raggiungere una utilizzazione integrale della biomassa di partenza studiando anche la valorizzazione delle frazioni non trasformate in biocombustibili.

 

Metodologie elettrochimiche per lo sviluppo di processi per la tutela dell’ambiente

L’attività di ricerca riguarda l’utilizzazione di approcci elettrochimici per lo sviluppo di processi per la tutela dell’ambiente, come la purificazione di suoli o acque contaminati o la conversione di biossido di carbonio in prodotti a maggior valore aggiunto.

 

Trattamenti biologici delle acque reflue finalizzato alla produzione di polidrossialcanoati

L’attività di ricerca ha come tema il trattamento biologico di acque reflue, di origine sia civile che industriali del settore agroalimentare, finalizzato, alla produzione di polidrossialcanoati (PHA). L’attività da sviluppare nel corso del dottorato verterà sull’analisi del processo di depurazione unitamente a quello di selezione dei ceppi batterici specializzati nella produzione dei PHA. Nello specifico, l’attività prevedrà l’implementazione e la messa in esercizio di impianti biologici a scala di laboratorio, sui quali saranno effettuati specifici test con l'obiettivo di individuare le migliori condizioni operative che consentono di ottenere elevate rese di depurazione delle matrici liquide trattate e, al contempo, il massimo tasso di conversione della sostanza organica in PHA. Verranno valutate differenti soluzioni impiantistiche e schemi di processo al fine di individuare la configurazione che meglio si presta al raggiungimento degli obiettivi del progetto di ricerca.

 

Il recupero di poliidrossialcanoati dalle acque reflue

I poliidrossialcanoati (PHA) sono biopolimeri accumulati come carbonio e materiali di accumulo di energia in condizioni di crescita sbilanciata da vari microrganismi. Sono uno dei potenziali sostituti più promettenti per le plastiche convenzionali non biodegradabili a causa delle loro proprietà fisico-chimiche simili, ma soprattutto della loro biodegradabilità. Il costo di produzione dei PHA è ancora un grande ostacolo per estenderne l'applicazione su scala industriale. Al fine di ridurre tale costo, è ancora necessaria una ricerca incentrata sull'uso di numerosi rifiuti come materia prima (come i rifiuti organici agroindustriali e municipali e le acque reflue) in una piattaforma basata su colture miste microbiche. Le relazioni tra caratteristiche influenti e condizioni operative dell'impianto devono ancora essere studiate al fine di massimizzare la produzione di biopolimeri.

 

Trattamenti biologici delle acque di strato

Le acque di strato derivano dalle attività di estrazione di gas naturale e dell’industria petrolifera e sono oggetto di particolare attenzione perché ricche di idrocarburi e, inoltre, perché fortemente saline.

Depurare tali acque ai fini del loro smaltimento in corpi idrici ricettori, ovvero per destinarle a successivo riuso, comporta consistenti difficoltà nell’applicazione di processi depurativi tecnicamente ed economicamente sostenibili, in quanto si è costretti a fare ricorso a tecnologie avanzate assai onerose sia per l’investimento che per i costi operativi.

La linea di ricerca proposta è quella relativa allo sviluppo di sistemi di depurazione biologici in grado di biodegradare idrocarburi in soluzione salina e provvedere anche a possibili recuperi di materia ed energia.

Mediante impianti pilota si utilizzeranno, a tal fine, biomasse alofile e alotolleranti, sia in forma sospesa che adesa, con sistema di separazione solido liquido mediante sedimentazione convenzionale o filtrazione su membrana.

 

Riduzione della produzione di fanghi di depurazione dagli impianti di trattamento delle acque reflue e loro recupero

I fanghi provengono dal processo di trattamento delle acque reflue. A causa dei processi fisico-chimici coinvolti nel trattamento, i fanghi tendono a concentrare metalli pesanti e composti organici in tracce scarsamente biodegradabili nonché organismi potenzialmente patogeni (virus, batteri ecc.). Presenti nelle acque reflue. I fanghi sono, tuttavia, ricchi di sostanze nutritive come azoto e fosforo e contengono preziose sostanze organiche che sono utili quando i terreni sono impoveriti o soggetti a erosione. La materia organica e i nutrienti sono i due elementi principali che rendono adatta la diffusione di questo tipo di rifiuti sul suolo come fertilizzante o miglioratore del suolo organico. D'altra parte, lo smaltimento dei fanghi è conveniente e l'accumulo in discarica di rifiuti solidi non è un'opzione sostenibile. In un’ottica di sostenibilità ambientale e quindi di prospettiva di economia circolare, la minimizzazione e il recupero dei fanghi stanno attirando soluzioni. È possibile applicare più opzioni ed è necessario un compromesso tra efficacia e costi.

 

Predizione di processi eco-idrodinamici e morfo-dinamici nei corsi d’acqua naturali

Le attività di ricerca riguardano da un lato l'analisi e la previsione delle dinamiche fluviali e della portata, anche durante eventi di piena, e, dall'altro, l'identificazione dell'impatto dei processi idrodinamici e di trasporto sulle comunità biotiche fluviali. Questo perché le interazioni reciproche che si verificano nella triade acqua-biota-sedimento innescano fenomeni complessi, come i processi di erosione e deposizione, lo sradicamento della vegetazione, la colonizzazione, ecc., che influenzano sostanzialmente l'equilibrio ecologico dell'ambiente fluviale. Un ruolo importante sull'idrodinamica e sui relativi processi di trasporto è esercitato dalla vegetazione presente nel corso d’acqua, la cui influenza deve essere adeguatamente presa in considerazione. Questi aspetti vengono studiati, sia nei tratti fluviali naturali che nei canali di laboratorio, mediante l'uso integrato di tecnologie di misurazione avanzate e di raffinati codici numerici eco-idraulici.

 

Emissioni di gas serra da impianti di trattamento delle acque reflue e modellistica matematica

Gli impianti di trattamento delle acque reflue sono fonti significative di gas serra (GHG): anidride carbonica, CO2, metano, CH4, protossido di azoto, N2O. Pertanto, gli impianti di depurazione contribuiscono al cambiamento climatico. E’ stato riconosciuto che l'N2O svolge un ruolo importante grazie al suo elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP), quasi 298 volte superiore a quello della CO2 per una scala temporale di 100 anni. Il protossido di azoto viene prodotto principalmente durante i processi biologici per la rimozione dell'azoto (nitrificazione e denitrificazione). Nonostante finora siano stati condotti studi sulla produzione di N2O, rimangono ancora alcune lacune di conoscenza. La modellistica matematica può supportare la comprensione e la mitigazione dei GHG dagli impianti di depurazione. Tuttavia, sono ancora necessari studi sperimentali e di modellizzazione per stabilire un buon compromesso tra le emissioni dirette e indirette (ovvero il consumo di elettricità).

 

Modellistica numerica euleriana ai volumi finiti-RT0 per simulazione di fenomeni fisici

Sviluppo di una modellistica numerica euleriana ai volumi finiti-RT0 per simulazione di fenomeni fisici, quali a) processi fisici 1D e 2D delle acque basse in forma completa e diffusiva, con applicazioni anche a casi reali caratterizzati da orografia fortemente irregolare ai fini della previsione in tempo reale di inondazioni, b) trasporto solido fluviale, c) processi di trasporto 1D, 2D e 3D di inquinanti e calore in falda satura, con densità del fluido variabile, d) moto di filtrazione 1D, 2D e 3D in mezzi porosi variamente saturi, omogenei ed eterogenei a forte contrasto di permeabilità, e) applicazioni 3D in campo biomedico con geometrie fortemente irregolari.