Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente - Tesi di Dottorato
Permanent URI for this collectionhttps://lisa.unical.it/handle/10955/101
Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio e Ingegneria Chimica dell'Università della Calabria.
Browse
98 results
Search Results
Item <> costruzione di possibili profili di sostenibilità applicati a scala di quartiere.(2013-11-29) Manfredi, Emilia; Pantano, Pietro; Rossi, FrancescoItem Valutazione della scuscettibilità e degli scenari di pericolosità e di rischio da frana in aree di interesse socio-economico (Calabria Settentrionale)(2016-02-02) Rago, Valeria; Pantano, Pietro; Gagliardo, Pietro; Muto, FrancescoLandslides are natural geologic processes that play a key role in landscape evolution, but represent also one of the most widespread natural hazard in Italian territory. In particular, many areas of the Calabria region (southern Italy) have been affected historically by mass movements, due to the combination of its peculiar geological, morphological, seismic and climatic features and frequently to regionally unsustainable land management. Landslides are responsible for direct and indirect damages, may cause loss of life and property, damages to natural resources and hamper infrastructure projects, by generating strong social and economic impacts. This resulting in millions of Euro per year in damages and restoration as well. Therefore, spatial identification of potentially unstable slopes and landslide risk evaluation are very important in order to get mitigation measures and for land planning. The aim of this study is landslide susceptibility and risk assessment in areas of socio-economic interest in Northern Calabria. Study areas were a section of the A3 highway and a part of Amendolara town. The identification and selection of study areas took into account topography, geology and urban development conditions for which the landsliding is potentially a problem. Landslide risk assessment in the section of A3 highway was performed in a qualitative way by overlapping the highway on the landslide susceptibility map; this had lead to the zonation of spatial risk which allowed an evaluation of the involvement of the highway in the different susceptibility areas. In the Amendolara territory risk assessment was carried out in a quantitative way according to the formula: Risk = Hazard × Vulnerability × Economic value of elements at risk (buildings and roads). Hazard was computed in a probabilistic way by means the product between spatial probability (probability that any given region will be affected by landslides), temporal probability (probability of occurrence of landslide events during time t) and probability of landslide size (probability that a landslide will have a certain size). Physical vulnerability was evaluated considering elements at risk features and landslide size. Finally, landslide risk was computed on the basis of economic value of elements at risk, pointing to the probability of money that can be lost at the occurrence of a landslide in a given area, in a certain interval of time and with a certain area. This study provides two case example for the qualitative and quantitative risk assessment which can be useful to planners and decision makers to identify areas where more damages are expected and that should receive priority in the use of limited resources directed to preventive plans to reduce the impact of the landslides.Item Model-based optimization of radial flow packed-bed bioreactors for tissue engineering(2016-01-13) Donato, Danilo; Canonaco, Canonaco; Catapano, Gerardo; Segers, PatrickTissue loss or organ failure represents one of the major problems in human health care, and is responsible of impressive social and economic costs worldwide. Current approaches to restore tissues or organs functions consist in tissue replacement with allogeneic or xenogeneic grafts, taken from donors or animals, respectively, or autologous grafts, taken from the patient himself. The use of allogenic and xenogenic grafts is severely limited by the donor shortage and by the difficult integration of the donor tissue within the patient body. Tissue replacement with autografts, although avoiding the risk of immune rejection by the patient, is limited by donor-site morbidity, so that it may be adopted only for small-scale tissue losses. In recent years, tissue engineering has been proposed as a promising alternative to tissue replacement with artificial grafts. According to this approach, biological engineered substitutes for tissue replacement are realized by seeding isolated autologous cells onto three-dimensional (3D) porous supports, termed scaffolds, and by guiding cell proliferation and differentiation in bioreactors, that provide the physiological pericellular environment for tissue development. The major issue for the realization of clinical-scale bioengineered substitutes for tissue replacement is the difficult supply of physiological amounts of dissolved oxygen and nutrients to, as well as metabolic wastes removal from, the cells located in the innermost regions of the 3D constructs (i.e. cell-seeded scaffolds). In particular, it is generally acknowledged that the severe consumption of dissolved oxygen by the cells represents the major limitation for cell survival in the development of bioengineered tissues. Static cultures in which dissolved oxygen and nutrients are supplied to the cells by pure diffusive transport have been shown to enable cell survival only to small-scale constructs. In order to overcome transport limitations of static cultures, dynamic bioreactors have been proposed in which a certain degree of convection is superimposed to pure diffusion to enable solutes transport towards, or away from, the innermost region of large-scale constructs. However, although some improvements over static cultures have been evidenced, dynamic bioreactors proposed so far, such as spinner flasks, rotating wall vessels and direct axial perfusion bioreactors, are still sub-optimal for the realization of clinical-scale bioengineered tissues. Recently, radial perfusion of hollow cylindrical 3D constructs in radial flow packed-bed bioreactors (rPBBs) has been proposed to overcome the limitations of both static and direct axial perfusion bioreactors, in particular for the development of bioengineered liver and bone tissues. In fact, since culture medium is perfused radially to the cells, shorter path lengths and larger cross-sectional areas for solutes transport are featured than those in axial flow bioreactors, that enable cell culture at small pressure drops and superficial velocities, and smoother solutes concentration gradients in the direction of the medium perfusion. Despite these promising features, design of rPBBs is more difficult than that of axial flow packed bed bioreactors. In fact, rPBBs require two void chambers (i.e. the inner hollow cavity and the peripheral annular space) to distribute and collect culture medium flowing across the construct thickness, the fluid dynamics of which may significantly influence radial flux distribution of culture medium along the construct length. Furthermore, the annular construct geometry and the direction of medium perfusion may strongly affect the transport of solutes towards, or from, the cells. The extent of the perfusion flow rates have also to be chosen in order to ensure adequate mass delivery to cells while preventing cell damage and washout. Mathematical models of transport in rPBBs may help optimize bioreactor design for a given application to enable dissolved oxygen and nutrients delivery towards, and metabolic wastes removal from, 3D clinical-scale constructs. However, a systematic analysis of the influence of all the geometrical, transport and operational dimensionless groups on bioreactor behavior aimed to design rPBBs so that solutes transport towards, or from, the cells is maximized and controlled has not been reported yet. This limits the exploitation of the peculiar features of the rPBBs in the development of bioengineered substitutes for tissue replacement. In this thesis, a model-based reference framework is proposed to optimize rPBB design to ensure adequate environmental conditions to cells for the realization of clinical-scale 3D bioengineered substitutes for tissue replacement. In particular, the attention is paid on transport of dissolved oxygen, since its limiting role for the realization of large-scale 3D biological constructs is generally acknowledged. In order to reach the proposed objective, the workflow was divided in three different steps, as follows: 1. A reference framework was first developed based on a one-dimensional stationary transport model, combining convective and dispersive transport of dissolved oxygen with Michaelis-Menten cellular consumption kinetics, to optimize annular construct geometry and direction and extent of the radial superficial velocity of the culture medium across the cell mass for the culture of largescale 3D porous constructs, assuming that radial flux distribution of the culture medium was uniform along the construct length. Dimensional analysis was used to find the dimensionless groups determining bioreactor behavior, under typical conditions for tissue engineering. In particular, according to this model, bioreactor behavior was shown to depend on the perfusion flow direction parameter, g; the dimensionless construct Darcy permeability, kL/R3; the inner hollow cavity radius-to-construct thickness ratio, R/dC; the maximal radial Peclet number, Perad,max; the Thiele modulus, fC; the saturation parameter, b. The effectiveness of oxygen supply to the cells was expressed in terms of the non-hypoxic fractional construct volume. Model predictions suggest that outward perfusion (i.e. form the construct inner surface towards the outer peripheral surface) of 3D annular porous constructs having small curvature (i.e., high inner hollow cavity radius-to-annular thickness ratio) at high perfusion flow rates, (i.e high maximal radial Peclet numbers) may enhance dissolved oxygen supply to the cells as compared to cell culture in static and axial flow bioreactors. 2. A design criterion to optimize rPBB design in order to achieve uniform radial flux distribution of the culture medium along the construct length was obtained, based on a two-dimensional stationary transport model of momentum in all the rPBB compartments (i.e. inner hollow cavity, porous construct, peripheral annulus), assuming that medium is perfused outwards according to the results obtained with the 1D model. In particular, momentum transport in the void spaces of the rPBB was described according to the Navier-Stokes equation, whereas Darcy-Brinkman equation was used to describe momentum transport in the porous construct. Dimensional analysis showed that the uniformity of radial flux distribution of the culture medium along the construct length depends on: a reduced Reynolds number, Rein; the construct aspect ratio, L/R; the inner hollow cavity radius-toconstruct thickness ratio, R/dC; the inner hollow cavity radius-to-peripheral annulus thickness ratio, R/dE; the construct-to-hollow cavity permeability ratio, k/R2. The influence of R/dC and R/dE was lumped in one dimensionless group (i.e. the hollow cavity-to-peripheral annulus cross-sectional area ratio, x), as suggested by literature results. The design criterion, termed CORFU (Criterion Of Radial Flux Uniformity), was shown to depend on all the dimensionless groups found by dimensional analysis. In particular, according to the CORFU criterion, uniform radial flux distribution of the culture medium along the construct length may be achieved by adjusting the values of the dimensionless groups determining rPBB behavior in order to ensure that the ratio between the total axial pressure drop in the void spaces is maintained within ±10% of the radial pressure drop across the construct. 3. The momentum transport model was integrated with a mass transport model to assess the actual effect of the radial flux distribution of the culture medium along the construct length on dissolved oxygen transport and to design rPBBs for a given therapeutic objective. Transport of dissolved oxygen in the construct was described in terms of the convection-diffusion-reaction equation, and dissolved oxygen consumption was described according to the Michaelis-Menten kinetics. Oxygen mass transfer coefficients accounting for the external mass transport at cell/medium interface were estimated for a bed of Raschig rings transport-equivalent to porous scaffolds adopted for tissue engineering. Dimensional analysis showed that, in addition to the dimensionless groups obtained for the momentum transport model previously listed, bioreactor behavior, which was expressed in terms of the Non-Hypoxic Fractional Construct Volume, depends on the following dimensionless groups: the maximal radial Peclet number, Perad,max; the construct-to-hollow cavity diffusivity ratio, DC/DH (and, analogously, the construct-to-peripheral annulus diffusivity ratio, DC/DE); the Sherwood number, Sh; the saturation parameter, b; the Thiele modulus, fC; the squared surface Thiele modulus-to-Sherwood number ratio, fs 2/Shp. The effect of the dimensionless number on bioreactor behavior was investigated under working conditions typical of tissue engineering. Model predictions suggested how to optimize bioreactor design in order to ensure controlled oxygen supply to cells for different tissue engineering applications. Medium radial flux distribution was shown to significantly influence oxygen spatial distribution inside the construct under conditions in which oxygen depletion is not properly compensated by oxygen supply to cells. The effect of medium radial flux distribution on oxygen supply becomes less important if oxygen consumption is compensated by oxygen supply. Model predictions also suggest that higher Rein influences oxygen spatial distribution from the top towards the bottom of the bioreactor for non-uniform medium radial flux distribution, giving higher uniformity of oxygen distribution along bioreactor length. The radial perfusion rates have to be optimized not only to control radial flux distribution, but also to enable adequate supply of dissolved oxygen to the cells while preventing cell wash out, at any given stage of tissue development. In particular, model predictions suggest that at the beginning of the culture medium flow rates may be kept low to avoid cell damage or wash out, whereas, as cells proliferate and differentiate, the medium flow rates should be gradually increased to balance out the increasing metabolic requirements of cells. In particular, higher perfusion flow rates enable more adequate oxygen supply to cells for a given value of fC. Finally, choosing perfusion rates that cause minimal Damköhler number, Darad,min = fC 2/Perad,max, to be small were shown to ensure adequate pericellular oxygenation (i.e. NHy-FCV around 1) for tissue developmentItem Model-based optimization of radial flow packed-bed bioreactors for tissue engineering(2015) Donato, Danilo; Canonaco, Marcello; Catapano, Gerardo; Segers, PatrickTissue loss or organ failure represents one of the major problems in human health care, and is responsible of impressive social and economic costs worldwide. Current approaches to restore tissues or organs functions consist in tissue replacement with allogeneic or xenogeneic grafts, taken from donors or animals, respectively, or autologous grafts, taken from the patient himself. The use of allogenic and xenogenic grafts is severely limited by the donor shortage and by the difficult integration of the donor tissue within the patient body. Tissue replacement with autografts, although avoiding the risk of immune rejection by the patient, is limited by donor-site morbidity, so that it may be adopted only for small-scale tissue losses. In recent years, tissue engineering has been proposed as a promising alternative to tissue replacement with artificial grafts. According to this approach, biological engineered substitutes for tissue replacement are realized by seeding isolated autologous cells onto three-dimensional (3D) porous supports, termed scaffolds, and by guiding cell proliferation and differentiation in bioreactors, that provide the physiological pericellular environment for tissue development. The major issue for the realization of clinical-scale bioengineered substitutes for tissue replacement is the difficult supply of physiological amounts of dissolved oxygen and nutrients to, as well as metabolic wastes removal from, the cells located in the innermost regions of the 3D constructs (i.e. cell-seeded scaffolds). In particular, it is generally acknowledged that the severe consumption of dissolved oxygen by the cells represents the major limitation for cell survival in the development of bioengineered tissues. Static cultures in which dissolved oxygen and nutrients are supplied to the cells by pure diffusive transport have been shown to enable cell survival only to small-scale constructs. In order to overcome transport limitations of static cultures, dynamic bioreactors have been proposed in which a certain degree of convection is superimposed to pure diffusion to enable solutes transport towards, or away from, the innermost region of large-scale constructs. However, although some improvements over static cultures have been evidenced, dynamic bioreactors proposed so far, such as spinner flasks, rotating wall vessels and direct axial perfusion bioreactors, are still sub-optimal for the realization of clinical-scale bioengineered tissues. Recently, radial perfusion of hollow cylindrical 3D constructs in radial flow packed-bed bioreactors (rPBBs) has been proposed to overcome the limitations of both static and direct axial perfusion bioreactors, in particular for the development of bioengineered liver and bone tissues. In fact, since culture medium is perfused radially to the cells, shorter path lengths and larger cross-sectional areas for solutes transport are featured than those in axial flow bioreactors, that enable cell culture at small pressure drops and superficial velocities, and smoother solutes concentration gradients in the direction of the medium perfusion. Despite these promising features, design of rPBBs is more difficult than that of axial flow packed bed bioreactors. In fact, rPBBs require two void chambers (i.e. the inner hollow cavity and the peripheral annular space) to distribute and collect culture medium flowing across the construct thickness, the fluid dynamics of which may significantly influence radial flux distribution of culture medium along the construct length. Furthermore, the annular construct geometry and the direction of medium perfusion may strongly affect the transport of solutes towards, or from, the cells. The extent of the perfusion flow rates have also to be chosen in order to ensure adequate mass delivery to cells while preventing cell damage and washout. Mathematical models of transport in rPBBs may help optimize bioreactor design for a given application to enable dissolved oxygen and nutrients delivery towards, and metabolic wastes removal from, 3D clinical-scale constructs. However, a systematic analysis of the influence of all the geometrical, transport and operational dimensionless groups on bioreactor behavior aimed to design rPBBs so that solutes transport towards, or from, the cells is maximized and controlled has not been reported yet. This limits the exploitation of the peculiar features of the rPBBs in the development of bioengineered substitutes for tissue replacement. In this thesis, a model-based reference framework is proposed to optimize rPBB design to ensure adequate environmental conditions to cells for the realization of clinical-scale 3D bioengineered substitutes for tissue replacement. In particular, the attention is paid on transport of dissolved oxygen, since its limiting role for the realization of large-scale 3D biological constructs is generally acknowledged. In order to reach the proposed objective, the workflow was divided in three different steps, as follows: 1. A reference framework was first developed based on a one-dimensional stationary transport model, combining convective and dispersive transport of dissolved oxygen with Michaelis-Menten cellular consumption kinetics, to optimize annular construct geometry and direction and extent of the radial superficial velocity of the culture medium across the cell mass for the culture of largescale 3D porous constructs, assuming that radial flux distribution of the culture medium was uniform along the construct length. Dimensional analysis was used to find the dimensionless groups determining bioreactor behavior, under typical conditions for tissue engineering. In particular, according to this model, bioreactor behavior was shown to depend on the perfusion flow direction parameter, g; the dimensionless construct Darcy permeability, kL/R3; the inner hollow cavity radius-to-construct thickness ratio, R/dC; the maximal radial Peclet number, Perad,max; the Thiele modulus, fC; the saturation parameter, b. The effectiveness of oxygen supply to the cells was expressed in terms of the non-hypoxic fractional construct volume. Model predictions suggest that outward perfusion (i.e. form the construct inner surface towards the outer peripheral surface) of 3D annular porous constructs having small curvature (i.e., high inner hollow cavity radius-to-annular thickness ratio) at high perfusion flow rates, (i.e high maximal radial Peclet numbers) may enhance dissolved oxygen supply to the cells as compared to cell culture in static and axial flow bioreactors. 2. A design criterion to optimize rPBB design in order to achieve uniform radial flux distribution of the culture medium along the construct length was obtained, based on a two-dimensional stationary transport model of momentum in all the rPBB compartments (i.e. inner hollow cavity, porous construct, peripheral annulus), assuming that medium is perfused outwards according to the results obtained with the 1D model. In particular, momentum transport in the void spaces of the rPBB was described according to the Navier-Stokes equation, whereas Darcy-Brinkman equation was used to describe momentum transport in the porous construct. Dimensional analysis showed that the uniformity of radial flux distribution of the culture medium along the construct length depends on: a reduced Reynolds number, Rein; the construct aspect ratio, L/R; the inner hollow cavity radius-toconstruct thickness ratio, R/dC; the inner hollow cavity radius-to-peripheral annulus thickness ratio, R/dE; the construct-to-hollow cavity permeability ratio, k/R2. The influence of R/dC and R/dE was lumped in one dimensionless group (i.e. the hollow cavity-to-peripheral annulus cross-sectional area ratio, x), as suggested by literature results. The design criterion, termed CORFU (Criterion Of Radial Flux Uniformity), was shown to depend on all the dimensionless groups found by dimensional analysis. In particular, according to the CORFU criterion, uniform radial flux distribution of the culture medium along the construct length may be achieved by adjusting the values of the dimensionless groups determining rPBB behavior in order to ensure that the ratio between the total axial pressure drop in the void spaces is maintained within ±10% of the radial pressure drop across the construct. 3. The momentum transport model was integrated with a mass transport model to assess the actual effect of the radial flux distribution of the culture medium along the construct length on dissolved oxygen transport and to design rPBBs for a given therapeutic objective. Transport of dissolved oxygen in the construct was described in terms of the convection-diffusion-reaction equation, and dissolved oxygen consumption was described according to the Michaelis-Menten kinetics. Oxygen mass transfer coefficients accounting for the external mass transport at cell/medium interface were estimated for a bed of Raschig rings transport-equivalent to porous scaffolds adopted for tissue engineering. Dimensional analysis showed that, in addition to the dimensionless groups obtained for the momentum transport model previously listed, bioreactor behavior, which was expressed in terms of the Non-Hypoxic Fractional Construct Volume, depends on the following dimensionless groups: the maximal radial Peclet number, Perad,max; the construct-to-hollow cavity diffusivity ratio, DC/DH (and, analogously, the construct-to-peripheral annulus diffusivity ratio, DC/DE); the Sherwood number, Sh; the saturation parameter, b; the Thiele modulus, fC; the squared surface Thiele modulus-to-Sherwood number ratio, fs 2/Shp. The effect of the dimensionless number on bioreactor behavior was investigated under working conditions typical of tissue engineering. Model predictions suggested how to optimize bioreactor design in order to ensure controlled oxygen supply to cells for different tissue engineering applications. Medium radial flux distribution was shown to significantly influence oxygen spatial distribution inside the construct under conditions in which oxygen depletion is not properly compensated by oxygen supply to cells. The effect of medium radial flux distribution on oxygen supply becomes less important if oxygen consumption is compensated by oxygen supply. Model predictions also suggest that higher Rein influences oxygen spatial distribution from the top towards the bottom of the bioreactor for non-uniform medium radial flux distribution, giving higher uniformity of oxygen distribution along bioreactor length. The radial perfusion rates have to be optimized not only to control radial flux distribution, but also to enable adequate supply of dissolved oxygen to the cells while preventing cell wash out, at any given stage of tissue development. In particular, model predictions suggest that at the beginning of the culture medium flow rates may be kept low to avoid cell damage or wash out, whereas, as cells proliferate and differentiate, the medium flow rates should be gradually increased to balance out the increasing metabolic requirements of cells. In particular, higher perfusion flow rates enable more adequate oxygen supply to cells for a given value of fC. Finally, choosing perfusion rates that cause minimal Damköhler number, Darad,min = fC 2/Perad,max, to be small were shown to ensure adequate pericellular oxygenation (i.e. NHy-FCV around 1) for tissue developmentItem Accuracy aspects in flood propagation studies due to earthfill dam failures(2015-10-30) Razdar, Babak; Costabile, Pierfranco; Costanzo, Carmelina; Macchione, FrancescoFlooding due to dam failing is one of the catastrophic disasters which might cause significant damages in the inundated area downstream of the dam. In particular, there is a need of trustworthy numerical techniques for achieving accurate computations, extended to wide areas, obtained flood mapping and, consequently, at the implementation of defensive measures. In general several key aspects are required for accurate simulations of flood phenomena which are ranging from the choice of the mathematical model and numerical schemes to be used in the flow propagation to the characterization of the topography, the roughness and all the structures which might interact with the flow patterns Regarding general framework discussed before this thesis is devoted to discuss two aspects related to accuracy issues in dam breach studies. In the first part a suitable analytical relation for the description of reservoir have been discussed and the second part the influence exerted by the methods used for computing the dam breach hydrograph on the simulated maximum water levels throughout the valley downstream of a dam, has been investigated. As regards the first aspect, the influence of reservoir morphology on the peak discharge and on the shape of outflow hydrograph have been investigated in the literature. The calculation of the discharge released through the breach requires the knowledge of the water level in the reservoir. It is considerable that the reservoir morphology in computational analyses cannot be expressed exactly by an analytical formula because of natural topography of the reservoir. For this reason, the information about reservoir morphology is usually published as a detail tables or plots which each value of elevation from bottom to top has a corresponding value for lake surface and reservoir volume. However, in the cases for which there is a scarcity of data, analytical expression can be obtained by interpolation of the values of the table. Usually one of the most suitable technique for interpolation data is using polynomial function but unfortunately utilizing this function for solving the problem demand several parameters. Using power function in numerical computations of breach phenomena would be advantageous, because this function is monomial type and only one parameter needs to be estimated. In this thesis, we want to present that this approach is very accurate and suitable to represent the morphology of the reservoirs, at least for dam breach studies. To reach this aim, 97 case studies have been selected from three different geographical regions in the world. The results of this research have been shown that the power function is suitable to obtain an accurate fitting of the reservoir rating curve using a very limited number of surveyed elevations and volumes or areas. Furthermore in this part of the research it has been shown that two points are enough for a good fitting of the curve, or even only one if volume and surface are both available for an elevation close to normal or maximum pool. Results obtained for dam breach calculations using this equation, have the same quality of those achieved using the elevation-volume table. Moreover, this research have been shown that the exponent of power equation can be expressed by a formula which has a precise morphological meaning, as it represents the ratio between the volume which the reservoir would have if it were a cylinder with its base area and height equal to the respective maximum values of the actual reservoir, and the real volume of the reservoir. Regarding the second aspect, over the complexity of the mathematical models which have been used to predict the generation of dam breach hydrograph, it is considerable that the historical observed data of discharge peak values and typical breach features (top width, side slope and so on) have been usually utilize for model validation. Actually, the important problem which should be considered here is traditionally focused on what has been observed in the dam body, because the effects of the flood wave realized in the downstream water levels usually have been neglected. This issue seems considerable because required information for the civil protection and flood risk activities are represented by the consequences induced by the flood propagation on the areas downstream such as maximum water levels and maximum extent of flood-prone areas, flow velocity, front arrival times etc. The water surface data is almost never linked to the reservoir filling/emptying process which can be important information for the estimation of discharge coming from the breach, are available. Moreover, it is quite unusual to have records on the flood marks signs or other effects induced on the river bed, or on the man-made structures, downstream. For this reason finding well documented case study is one of the important part of any simulation study, especially for model validation. One of the few cases in this context is represented by the Big Bay dam, located in Lamar County, Mississippi (USA), which experienced a failure on 12 March 2004. In general analyzing the simplified models for dam breach simulation is the main purpose of this second important activity of the thesis. The simplified model have been utilized in this study, in order to identify a method that, on the basis of the results obtained in terms of simulated maximum water levels downstream, might effectively represent a preferential approach for its implementation not only in the most common propagation software but also for its integration in flood information systems and decision support systems. For the reasons explained above, attention here focuses on the parametric models, widely used for technical studies, and on the Macchione (2008) model, whose predictive ability and ease of use have been already mentioned. To reach this purpose both a 1-D and 2-D flood propagation modelling have been utilizing in this study. The results show that the Macchione (2008) model, without any operations of ad hoc calibration, has provided the best results in predicting computation of that event. Therefore it may be proposed as a valid alternative for parametric models, which need the estimation of some parameters that can add further uncertainties in studies like these.Item Vegetated roofs as a low impact development (LID) approach: hydrologic and hydraulic modeling for stormwater runodd mitifation in urban environment(2016-02-19) Principato, Francesca; Berardi, Luigi; Bertrand-Krajewski, Jean-Luc; Carbone, Marco; Piro, Patrizia; Macchione, FrancescoNei paesi sviluppati, il livello di urbanizzazione è in continuo aumento e dovrebbe raggiungere l’83% nel 2030 (United Nations, 2002; Antrop, 2004). Il notevole incremento della popolazione comporta una continua espansione areale delle città che si traduce nella progressiva cementificazione di aree vegetate sempre più grandi. L’effetto combinato di urbanizzazione (che riduce la disponibilità di spazi naturali e allo stesso tempo modifica la rete di scorrimento superficiale) e cambiamenti climatici (che incrementano la frequenza e l’intensità delle precipitazioni) (Piro et al., 2012) ha comportato una maggiore vulnerabilità delle aree urbane ed uno sconvolgimento del ciclo idrologico naturale. Durante gli eventi di pioggia intensi, i tassi di infiltrazione ed evapotraspirazione si sono notevolmente ridotti, e di conseguenza si è verificato un incremento del volume di deflusso delle acque meteoriche che sovraccarica il sistema di drenaggio urbano (Piro et al., 2012). In un’ottica di sviluppo ambientale sostenibile, nasce quindi l’esigenza di potenziare la rete di deflusso superficiale mediante l’introduzione di soluzioni sostenibili che consentano di rispristinare, per quanto possibile, le condizioni idrologiche che caratterizzavano il bacino prima dello sviluppo urbano (Cannata, 1994). L’insieme di queste tipologie di interventi a basso impatto che, seguendo un approccio ecologicamente basato, consente una gestione delle acque piovane direttamente alla fonte così da prevenire molti problemi che possono accorrere lungo il percorso di trasporto, viene identificato in letteratura con l’acronimo LID (Low Impact Development). Tra queste, la tecnica del verde pensile che protegge, ripristina o imita il ciclo idrologico di pre-sviluppo e, sfruttando gli spazi disponibili sulle coperture a tetto (altrimenti inutilizzate), può essere applicata anche in ambienti urbani densamente edificati, è di particolare interesse ambientale per l’insieme dei benefici che comporta su scala del singolo edificio e del comprensorio urbano circostante (Tillinger, et al., 2006). Diversi studi hanno evidenziato come le coperture vegetate possano avere effetti sulla ritenzione degli eventi di pioggia (DeNardo et al., 2005; VanWoert et al., 2005; Getter et al., 2007; Gregoire and Clausen, 2011), riducendo il volume di deflusso e la portata al colmo (Berntsson, 2010; Palla et al., 2010; Voyde et al., 2010; Stovin et al., 2012) e ritardando il picco di piena (Carter e Rasmussen, 2006; Spolek, 2008). Da queste premesse nasce il seguente lavoro di tesi, che ha riguardato lo studio del Verde pensile come sistema a basso impatto ambientale, per la mitigazione dei deflussi nell’idraulica urbana, focalizzando l’attenzione sulla Modellazione Idrologico-Idraulica: “Vegetated roofs as a Low Impact Development (LID) approach: hydrologic and hydraulic modeling for stormwater runoff mitigation in urban environment”. Il principale obiettivo della ricerca è stato quello di definire, migliorare ed implementare una metodologia per la progettazione dei tetti verdi utilizzando i dati provenienti da diverse aree geografiche (nel caso specifico sono stati analizzati i dati provenienti da due diverse realtà geografiche: Cosenza in Italia e Lione in Francia), al fine di individuare alcuni fattori chiave per la caratterizzazione della risposta di un sistema a verde pensile. Più nello specifico, dopo un’introduzione generale ed una panoramica sui benefici che l’adozione delle LID offre alla gestione delle acque meteoriche in ambiente urbano rispetto ai sistemi convenzionali, nel Capitolo 1 sono stati definiti i principali obiettivi del progetto di ricerca. Tra le soluzioni naturalistiche che operano il controllo della formazione dei deflussi superficiali mediante i processi di ritenzione e detenzione, quella del Verde Pensile viene particolarmente trattata nel Capitolo 2; vengono descritte le componenti stratigrafiche ed illustrati i più importanti effetti benefici conseguibili dall’installazione di coperture vegetate, con particolare attenzione al contributo nella regimazione delle acque meteoriche.Dal momento che la risposta idrologico-idraulica di una copertura vegetata è influenzata da diversi fattori quali le condizioni meteo-climatiche e le caratteristiche costruttive della copertura vegetata, la revisione della letteratura (Capitolo 3) è organizzata in relazione agli obiettivi della ricerca: (1) la prima parte fornisce una panoramica dei modelli per l’analisi del comportamento idraulico dei tetti verdi, visti come strumento di supporto alla gestione quantitativa delle acque di pioggia; (2) nella seconda parte è stata eseguita una ricognizione degli studi scientifici effettuati per analizzare l’influenza dei suddetti parametri sulle prestazioni idrologiche ed idrauliche di una copertura vegetata di tipo estensivo. Tali considerazioni suggeriscono che se il verde pensile deve essere parte delle strategie di gestione delle acque piovane, è fondamentale capire come specifici sistemi di copertura rispondano ad eventi pluviometrici specifici; questo richiede strumenti di modellazione affidabili che consentano di ottimizzare le prestazioni dei sistemi a verde pensile su una vasta gamma di tipi di costruzione e in diverse condizione operative. Come risultato di tali considerazioni, i capitoli 4 e 5 riguardano le sperimentazioni condotte utilizzando due diversi modelli. In particolare il Capitolo 4 indaga l’affidabilità di un modello concettuale di tetto verde, sviluppato congiuntamente dalla Le Prieuré e l’INSA di Lione, per simulare il comportamento di una specifica tecnologia di tetto verde pre-fabbricato (Hydropack® & Stock&Flow®). Il modello si basa sul percorso dell’acqua attraverso quattro serbatoi disposti in serie, ciascuno caratterizzato da uno specifico processo idrologico e/o idraulico rappresentato da equazioni concettuali o semi-dettagliate: Serbatoio di Intercettazione, Substrato, Serbatoio Alveolare ed un Serbatoio di Raccolta. Il modello, adattabile a qualsiasi tipo di copertura attraverso l’attivazione/disattivazione di serbatoi e funzioni opzionali, intende simulare il comportamento dinamico del tetto verde a diversi intervalli di tempo, indagarne l'affidabilità ed ottimizzarne le prestazioni. Il modello è stato testato e calibrato utilizzando un database raccolto su due siti sperimentali, rispettivamente per un anno e nove mesi, misurati al passo temporale di 1 minuto: 1) per l’unità prefabbricata di 1 m2 (Hydropack®) prodotta ed installato a Moisy (Francia) da Le Prieuré, la calibrazione è stata condotta a scala d’evento per valutare il contenuto idrico nel substrato; 2) per il tetto verde a grandezza naturale di 282 m2 presso il Centro Congressi di Lione (Francia),la calibrazione è stata condotta a scala mensile per valutare il deflusso totale in uscita dal tetto verde. Tutte le simulazioni del modello sono state effettuate utilizzando il linguaggio ddi programmazione MatLab. Come indicatori delle performance del modello sono stati utilizzati il criterio di Nash-Sutcliffe (NS) e il Root Mean Squared Error (RMSE). I risultati delle simulazioni effettuate sull’unità Hydropack hanno mostrano che il modello ha una elevata capacità di replicare il comportamento osservato per il contenuto idrico nel substrato durante eventi piovosi, come confermato dagli alti valori di NS (sopra 0,6 per il 78% dei casi, e sopra 0,97 per il 46%) e valori RMSE bassi. I primi risultati hanno inoltre indicato che la risposta del modello è fortemente determinata dal contenuto iniziale di acqua nel substrato (Hs0) che andrà considerato come uno dei parametri chiave del modello quando è usato a scala di evento. Per quanto riguarda le simulazioni mensile effettuate sul tetto verde a scala reale, i primi risultati hanno mostrato una buona capacità del modello di replicare il comportamento osservato per la portata in uscita dal tetto, solo per alcuni eventi; prestazioni inferiori si osservano per alcuni eventi a causa di dubbia affidabilità dei dati o nel caso di eventi con precipitazioni molto piccole. Nel Capitolo 5 viene proposto un modello concettuale (SIGMA DRAIN), sviluppato nel corso del progetto PON01_02543 per simulare il comportamento idraulico della copertura vegetata di tipo estensivo installata nel sito sperimentale dell’Unical. SIGMA DRAIN utilizza, per la simulazione dei fenomeni idrologici e idraulici, il motore di calcolo del software EPA SWMM (Storm Water Management Model), pur essendo completamente svincolato dall’interfaccia utente del software. Il nuovo modello idealizza il tetto verde come un sistema costituito da tre componenti disposte in serie, ognuna caratterizzata da uno specifico processo idrologico-idraulico, corrispondenti ai tre moduli tecnologici principali della copertura: lo strato superficiale è concettualizzato come un sottobacino mentre i successivi strati di terreno e di accumulo sono schematizzati attraverso due serbatoi lineari che descrivono rispettivamente la percolazione attraverso il substrato colturale e il trasporto attraverso lo strato drenante. Un’equazione di bilancio di massa viene applicata a ciascun blocco, tenendo conto dei fenomeni fisici specifici che si verificano in ciascun modulo; il flusso è invece regolato dall’equazione di Richards. Al fine di stimarne l’affidabilità, il modello è stato prima calibrato e poi validato con il software HYDRUS-1D, che modella l’infiltrazione dell’acqua nel sottosuolo; visti i parametri idraulici richiesti dal software, tale operazione ha riguardato essenzialmente lo strato di terreno piuttosto che quello di vegetazione ed accumulo. Osservando i risultati in termini di deflusso dei singoli eventi di pioggia, è possibile constatare che il modello Sigma Drain approssima bene il modello HYDRUS-1D per precipitazioni al di sopra dei 20 mm, mentre per eventi con altezza di pioggia inferiore le performance del modello non risultano soddisfacenti; tale comportamento è attribuibile al fatto che nel modello Sigma Drain, differentemente da HYDRUS-1D, non si tiene conto del contenuto idrico iniziale del substrato. A conferma di ciò, le simulazioni effettuate in continuo, hanno mostrato in media un valore dell’indice di NS pari a 0.8, a dimostrazione che le condizioni idrologicoidrauliche antecedenti l’evento considerato sono rilevanti nella valutazione della risposta del modello. Particolare attenzione è stata riposta all’analisi del coefficiente di deflusso e ai fattori idrologici che sono determinanti nelle performances del tetto quali: la precipitazione, l’intensità e la durata di pioggia, nonché il periodo intra-evento che intercorre tra due eventi indipendenti. A seguito delle simulazioni effettuate con SIGMA DRAIN, dal confronto dei risultati ottenuti in termini di deflusso tra gli eventi di pioggia registrati con passo temporale di 1 minuto sul sito sperimentale dell’Unical e presso Lione, si è evidenziato per entrambi gli scenari un comportamento analogo, stimando un valore soglia delle precipitazioni di 13mm, al di sotto del quale il tetto verde trattiene la quasi totalità dell’evento. Per eventi con altezza di pioggia superiore a 13 mm, è stata rilevata, invece, un coefficiente di deflusso che si attesta in media attorno al 46% e 38% rispettivamente per il set di dati regisrati all’Unical e a Lione; è possibile osservare, inoltre, l’esistenza di una proporzionalità diretta tra precipitazione e deflusso. Per analizzare al meglio l’influenza dei singoli parametri idrologici sull’efficienza idraulica del tetto verde, è stata poi ricavata, con i dati di pioggia dell’Unical, un’equazione statistica sulla base di analisi di regressione lineare multipla, successivamente validata con i dati di Lione, che consenta di avere una prima stima della capacità di ritenzione del tetto verde in funzione della durata dell’evento e dell’altezza di pioggia. In definitiva è possibile osservare che ogni singolo parametro, sia esso idrologico o fisico, apporta un’influenza significativa sulle prestazioni idrauliche di una copertura vegetata. Risulta, dunque, approssimativo valutare l’efficienza di una copertura vegetata mediamente su scala annuale o stagionale, in quanto ogni singolo evento di pioggia, in funzione delle proprie caratteristiche e di quelle della copertura stessa, sarà trattenuto in maniera differente. I risultati ottenuti dalle sperimentazioni hanno evidenziato come la copertura vegetata di tipo estensivo, progettata e realizzata all’Unical, in clima Mediterraneo, presenti un ottima efficienza idraulica anche considerando i dati di pioggia di un’altra realtà come Lione, caratterizzata da un clima Temperato. Infine, nel Capitolo 6 vengono esposte le conclusioni generali sul progetto di ricerca e i possibili sviluppi futuri. Con questo lavoro di tesi, che fornisce indicazioni utili alla realizzazione di una pianificazione urbanistica sostenibile che consenta di attuare una gestione integrata della risorsa idrica, si intende promuovere il verde pensile non solo quale strumento di mitigazione e compensazione ambientale in generale, ma nello specifico quale soluzione di drenaggio urbano sostenibile per il ripristino dei processi fondamentali del ciclo idrologico naturale nell’ambiente urbano.Item Weakly-compressible SPH modeling of fluid-structure interaction problems(2016-02-19) Meringolo, Domenico Davide; Veltri, Paolo; Tomasicchio, Roberto G.; Aristodemo, Francesco; Marrone, Salvatore; Macchione, FrancescoIRISULTATI scientifici presentati nella tesi di dottorato riguardano la modellazione numerica, attraverso la tecnica lagrangiana SPH debolmente compressibile, di problemi di interazione fluido-struttura. Diversi aspetti, sia di natura puramente modellistico fisica che di natura ingegneristica ed applicativa, vengono investigati nella tesi. Nello specifico, parte dei risultati presentati ha come primo obiettivo la validazione del modello numerico, ottenuta attraverso diversi test preliminari: in primis la conservazione della soluzione idrostatica in un serbatoio d’acqua, dopodiché diversi test dinamici in cui viene presentata la conservazione dell’energia, dimostrando come l’energia meccanica dissipata dal sistema venga esattamente trasformata in energia termica. Alcuni aspetti legati all’ipotesi di debole compressibilità adottata alla base del modello SPH considerato, riguardanti l’istantaneo accumulo di energia elastica durante impatti, vengono già messi in luce in questa parte della tesi. I test dinamici svolti riguardano dunque l’evoluzione nel tempo di una massa d’acqua di forma circolare sottoposta ad un campo di forze centrale che periodicamente evolve in forme ellittiche, l’analisi dell’evoluzione di diversi casi di dam-break e l’evoluzione nel tempo di un fenomeno di tracimazione di un ostacolo orizzontale investito dal moto ondoso. Uno degli argomenti centrali della tesi di dottorato riguarda l’analisi dell’interazione di onde con strutture costiere come cassoni forati. I cassoni forati sono strutture marittime ampiamente utilizzate nelle zone portuali con l’obiettivo di minimizzare dell’energia riflessa del moto ondoso al fine di limitare oscillazioni di grande ampiezza dovute alla sovrapposizione di onde incidenti e riflesse, garantendo quindi, durante le mareggiate, condizioni di sicurezza per la navigazione. Suddette strutture sono state studiate, fino ad ora, essenzialmente attraverso modelli approssimati ed analisi sperimentali, mentre l’utilizzo di un modello numerico di dettaglio è stato raramente impiegato per il loro dimensionamento. In questo contesto, il modello SPH è stato implementato per studiarne nel dettaglio il comportamento idraulico e di stabilità strutturale. In particolare, durante le analisi numeriche si è andati incontro a difficoltà sia di natura computazionale che di natura modellistica nella loro simulazione. Una prima difficoltà è consistita nella riproduzione numerica dei muri verticali forati che costituiscono la parete frontale di queste strutture in quanto, essendo spesso caratterizzati da spessori sottili, rendono la simulazione computazionalmente onerosa nel contesto numerico SPH. In questo contesto vengono introdotte le multi-node fixed ghost particles, che consentono di poter utilizzare un numero totale di particelle pari ad (1=2)D, in cui D è il numero di dimensioni spaziali del problema, il numero totale di particelle altrimenti necessario. Nelle analisi effettuate relative a cassoni pienamente e parzialmente forati, in cui D = 2, il risparmio in termini di tempo di calcolo è stato rispettivamente del 79,5% e del 77.7 %. Un altro aspetto modellistico cui si è andati incontro nella simulazione dei problemi considerati è legato alla presenza di rumore nel campo di pressione ottenuto dalla soluzione SPH, che porta in molti casi a risultati difficilmente utilizzabili ai fini ingegneristici. Questo aspetto, che viene investigato in dettaglio nell’ultima parte del lavoro di tesi, è legato alla componente acustica della soluzione fornita dai modelli in cui il fluido è supposto essere debolmente compressibile. Nel tentativo di limitare tali oscillazioni in alta frequenza del campo di pressione, negli ultimi anni diversi autori hanno introdotto diversi termini diffusivi che agiscono all’interno dell’equazione di continuità. In generale questi modelli possono essere raggruppati in due formulazioni: la prima è costituita da termini che fanno riferimento alla formula di Morris; la seconda, nota come -SPH differisce dalla prima essenzialmente per l’aggiunta di gradienti renormalizzati del campo di densità. La prima famiglia di modelli è caratterizzata dall’introduzione di errori numerici in prossimità della superficie libera ed, inoltre, l’azione di “smoothing” deteriora la soluzione idrostatica nel tempo. In presenza invece di impatti l’azione diffusiva svolta da questi modelli risulta essere efficace nell’attenuazione di onde di shock non fisiche successive all’impatto. Il modello - SPH, essendo invece un operatore più accurato, non introduce alcun errore vicino alla superficie libera e conserva la soluzione idrostatica nel tempo. Nel caso invece di impatti, questo modello risulta essere meno efficace nell’azione di attenuazione delle onde di shock. Al fine di avere un modello che conservi le proprietà del fluido quando questo è caratterizzato da fenomeni di dinamica lenta e che agisca al meglio nel processo di attenuazione delle onde di shock conseguenti a dinamiche di impatto, o veloci, viene introdotto un modello diffusivo ibrido che permette di passare da una formulazione all’altra, a seconda delle condizioni presenti nella massa fluida, grazie all’introduzione di un parametro, , che attiva o disattiva i gradienti renormalizzati di densità. La modellazione dei contorni solidi sottili ed i termini diffusivi ibridi presentati vengono implementati per la simulazione numerica SPH dell’interazione onda-cassone forato. I risultati analizzati riguardano sia l’aspetto di stabilità dell’opera, riguardante in questo caso la valutazione delle pressioni dinamiche agenti sulle pareti della struttura, sia l’aspetto idraulico, riguardante la valutazione dei coefficienti di riflessione. Per quanto concerne le distribuzioni di pressione, i risultati numerici ottenuti dimostrano la presenza di cadute di pressione in prossimità dei fori della struttura legati all’effetto Bernoulli. Questo risultato numerico richiede, ad ogni modo, una più profonda investigazione dal punto di vista sperimentale, attraverso l’osservazione del comportamento del campo di moto in prossimità dei fori della parete. Per quanto concerne invece le analisi idrauliche, i coefficienti di riflessione sono stati valutati attraverso un metodo classico, considerando diversi valori del rapporto tra la larghezza della camera di assorbimento e la lunghezza d’onda.Nell’ultima parte del lavoro di tesi viene investigato il problema del rumore acustico nelle soluzioni ottenute dal presente modello SPH (e che riguarda, in generale, tutti i modelli debolmente compressibili) e viene presentata una procedura per il filtraggio corretto di tale componente basata sulla trasformata wavelet. L’idea che sta alla base della procedura di filtraggio presentata si basa sul fatto che la soluzione debolmente compressibile può essere scritta, per piccoli valori del numero di Mach, come la sovrapposizione di una soluzione incompressibile più una perturbazione acustica. Le equazioni di Navier-Stokes debolmente compressibili vengono dunque analizzate mettendo in evidenza la presenza di perturbazioni acustiche. Tale componente acustica è risolta analiticamente per un caso circolare, per cui viene dimostrato come i modi di vibrare ottenuti analiticamente corrispondano esattamente alle frequenze di vibrazione ottenute dal segnale di pressione simulando lo stesso problema con SPH. L’analisi successiva è effettuata considerando il problema della massa d’acqua sottoposta ad un campo di forze centrale. In questo caso, si osserva come la procedura presentata attraverso le wavelet consenta di filtrare correttamente la componente acustica, ottenendo esattamente la soluzione analitica. Questo risultato, essendo infatti caratterizzato da dinamiche non di impatto, è caratterizzato da un definito disaccoppiamento delle componenti acustica ed incompressibile, facendo si che il processo di filtraggio consenta di eliminare esattamente la componente acustica. I casi analizzati successivamente riguardano invece dinamiche più complesse, in cui avvengono impatti fluidi, caratterizzati quindi da singolarità nel campo di pressione. In questi casi si osserva come, al crescere dell’impulsività del fenomeno, la componente acustica ed incompressibile risultino sempre più accoppiate tra loro, per cui la procedura di filtraggio inevitabilmente elimina insieme alla componente acustica anche parte della soluzione incompressibile del problema, ovvero quella fisicamente basata. Tali risultati vengono analizzati considerando un cuneo d’acqua che impatta su una parete verticale e prendendo in esame un caso di sloshing in cui si osservano fenomeni di frangimento delle onde.Item Modelling study of vanadium based alloys and crystalline porous materials for gas separation membranes(2016-02-26) Borisova Evtimova, Jenny; De Luca, Giorgio; Curcio, Efrem; Molinari, RaffaeleGas! membrane! separation! is! an! attractive! technology! that! is! often! superior! to! other! more! conventional! procedures! for! separation! of! gaseous! species! in! terms! of! energy! consumption! and! environmental! impact.! A! key! factor! for! membrane! separations! is! the! membrane! itself! with! its! properties,! which! determine! the! overall! performance! of! the! process.! One! essential! membrane! characteristic!is!the!transport!selectivity.!High!separation!factors!are!especially!difficult!to!achieve! for! mixtures! of! light! gases! having! comparable! kinetic! diameters.! Moreover,! high! permeability,! correspondingly! high! solubility! and! diffusivity! in! dense!membranes,! are! crucial! aspects! for! the! performance! and! further! practical! application! of!membrane! devices.! In! this! frame,! the!material! used!as!a!selective!layer!is!determinant.!Therefore,!scientists!devote!immense!efforts!to!the!search! of! optimal! gasBsorbent! combinations,! including! thorough! study! of! existing! structures! and! elaboration!of!new!ones!with!sieving!properties.!The!large!effort!and!time!required!for!preparation! and!experimental!testing!of!materials!impede!the!advancement!of!new!membranes.! In!this!study,!we!propose!procedures!based!on!computational!calculations!and!theoretical!models! that! can!be!used! to!predict! the!behaviour!of! some!of! the!membrane!materials!of! interest! for! gas! separation! applications.! In! particular,! we! focus! on:! i)! bodyBcentred! cubic! VNiTi! alloys! as! novel! materials!for!H2Bselective!dense!membranes!and!ii)!crystalline!porous!materials!that!are!attractive! media!for!separation!of!light!gases!such!as!H2,!O2,!CO,!CO2,!CH4!and!N2.!These!two!types!of!materials! are! treated! using! different! methodologies,! adapted! to! the! needs! of! our! research! objectives! associated!to!each!material.! In!the!case!of!dense!metal!membranes,!the!long!standingBcontroversy!over!occupancy!of!interstitial! hydrogen! in! VBbased! alloys! is! addressed.! The! VBNiBTi! system! is! of! particular! interest! here,! exhibiting!high!H2!permeability!and!improved!mechanical!properties!relative!to!pure!V.!This!work! intends!to!gain!understanding!of!hydrogenBmetal!interactions!as!function!of!alloy!composition!and! thereby!to!optimize!these!new!materials!and!advance!their!development!as!novel!membranes!for! H2! separation.!We! use! a! firstBprinciples! approach! that! gives! insights! into! the! sites! preference! of! hydrogen! and! assesses! the! role! of! Ti! and! Ni! substitutional! solutes! for! the! hydrogen! absorption! affinity.! The!method! based! on!Density! Functional! Theory! requires! no! experimental! input! except! crystal!structure!information.!Furthermore,!it!uses!no!empirical!or!fitting!parameters!in!contrast!to! other!computational!techniques.!Hence!this!approach!provides!an!alternative!way!to!explore!new! metal!alloys!for!H2!separation!membranes.!The!applied!methodology!can!be!used!further!in!highB throughput!calculations!to!screen!various! alloy!compositions.!The!heretoBreported!results!will!be! used!as!guidance!for!tailoring!the!formulation!of!VNiTi!solid!solutions!and!preparation!of!low!cost†! dense!alloy!membranes!in!the!frame!of!other!projects!(e.g.!European!DEMCAMER!project).! Further,! we! explore! how! singleBcomponent! inputs! can! be! used! to! forecast! the! ideal! selectivity! towards! light! gases! of! crystalline! porous!materials,! used! for!membrane! preparation.! Theoretical! models! for! describing! gas! separation! properties! of! zeotype! materials! as! function! of! structural! characteristics!and!operation!conditions!are!proposed.!The!model!parameters!can!be!obtained!as! experimentally!as!well!as!computationally.!To!analyse!the!extent!of!validity!and!limitations!of!the! models,!ideal!selectivities!of!few!crystalline!porous!materials!are!evaluated,!including!widely!used! zeolites!(NaA,!CaA)!and!a!metal!organic!framework!structure!(ZIFB8).!The!results!verified!that!the! theoretical!expressions!could!be!used!for!screening!series!of!zeotype!materials!when!reliable!single! gas!adsorption!data!are!available.!However,!since!the!models!don’t!take!into!account!all!parameters! (namely! related! to! the! membrane! design)! and! mechanisms! involved! in! gas! transport! through! porous!membranes,!their!predictions!should!be!considered!as!values!referring!to!an!ideal!case.!Item Renewable energy generation and hydrogen production from concentrated brine by reverse eectrodialysis(2016-02-26) Tufa, Ramato Ashu; Drioli, Enrico; Curcio, Efrem; Molinari, RaffaeleSalinity Gradient Power-Reverse Electrodialysis (SGP-RE) is among the emerging membrane-based technologies for renewable energy generation. In RE, cation exchange membranes (CEM) and anion exchange membranes (AEMs) are alternatively aligned to create a high concentration compartment (HCC) and low concentration compartment (LCC). When the compartments are feed by a low concentration and high concentration solution, salinity gradient is created which initiates the diffusive flux of ions towards electrodes. Electricity is generated by the redox process occurring at the electrodes. The total voltage generated (open circuit voltage, OCV) is proportional to the number of membrane pairs (cells). One of the challenges pertaining to the Ohmic losses when using very low concentration salt solutions like river water can be reduced by working with highly concentrated brines (Chapter 1). Investigation of the performance of RE under realistic high-salinity conditions is crucial for implementation of RE under natural condition. The most abundant ions in natural waters involve sodium, magnesium, calcium, chloride, sulfate, and bicarbonate. Under this condition, the presence of multivalent ions, in particular Mg2+, have a lowering effect on OCV and hence a reduction of power density. This could be attributed to the enhancement of cell resistance in the presence Mg2+ ion resulting in an increase of membrane resistance. The SGP potential and comparable decrease in power density of RE operated with solutions mimicking real brackish water and exhaust brine from a solar pond depicts the pretreatment requirement in RE for better performance (Chapter 2). Seawater reverse osmosis (SWRO) is the most widespread technology for fresh water production in many parts of the world. Extensive research have been carried out to tackle the technological challenges coming along with the expansion of SWRO practice with time, specifically the reduction of energy consumption. The integrated application RE in desalination technologies in the logic of process intensification is an interesting approach towards low energy desalination. Simultaneous production of energy and desalted water is possible by hybrid application of Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) and RE units operated on the retentate stream from a SWRO desalination plant. The use of concentrated brine for energy recovery also leads to Near-Zero Liquid Discharge from desalination systems. This avoids the adverse ecological effect of discharging hypersaline solution into natural water bodies. Thus, integrated application of RE with RO and DCMD for simultaneous water and energy production represent an innovative approach towards low energy desalination and Near-Zero Liquid Discharge paradigm (Chapter 3). The possibilitity to exploit the chemical potential of sulfate wastes by SGP-RE can be a promising alternative renewable energy source. The key challenge remains the property of membrane in sulphate solution. Although the trends in the variation of desirable membrane properties (high permselectivity and low resistance) in Na2SO4 test solutions with varying operating conditions remain similar with that of NaCl test solution, their performance is comparatively low. This has a negative impact on the performance of the RE mainly on the obtained OCV and power density. Hence, design of well optimized and high performance membranes is required for practical applicability of SGP-RE for renewable energy generation from sulfate bearing waste resources (Chapter 4). Ion exchanging membranes (IEMs) are key components in RE. Low resistance and highly permeable ion exchange membranes are required for optimal performance of RE system. For practical applications of RE under real condition, IEMs which are less susceptible to fouling are required. There is a potential risk of fouling (for example, scaling of sparingly soluble salts) of IEM operated in concentrated brine. Operations under real conditions also require feed quality control, as the presence of multivalent ions negatively impact RE performance. The variation in Total Organic Carbon (TOC) and Total Hardness (TH) of feed samples may alter the membranes physico-chemical and electrochemical properties. In addition, long term stability of IEMs in concentrated brine govern their life time. Investigation on fouling and stability of IEMS, specifically in concentrated brines, would be essential to set a clear pretreatment requirement for the performance of RE under natural conditions (Chapter 5). For techno-economic optimization and feasibility study of RE, performance of large scale (industrial scale) systems need to be investigated under varying experimental conditions. Comparative assessment of operating conditions like feed concentration, flow velocity and temperature in a small scale RE and large scale RE systems is essential. In general, the trends in OCV and power density for industrial scale operations remain more or less similar to that of membrane based water and energy technologies (based on the difficulties to meet sustainability criteria) helps in identification of technological gaps and strategic solution (Chapter 9). Future research on RE will be focusing on optimal design and development of high performance membrane in hyper-saline solution. This will extend from design of highly permeable and low resistance ion exchange membranes to the development of fouling resistant and stable membrane, particularly in concentrated brine. The relationship between physicochemical membrane properties and fouling tendency under hyper-saline environment need to be assessed. The effect of other multivalent ions in seawater like SO4 2- and Ca2+ on the performance of RE under extreme operating conditions should be clearly outlined. For integrated applications in desalination technologies, for example with DCMD, the risk of scaling and fouling for practical applications should be investigated deeply. Better membranes and module designs are required for membrane desalination systems in general. For efficient application of RE in hydrogen technologies, specifically with APE water electrolysis, development of highly conductive and durable anion selective membranes as well as highly active and stable catalysts in corrosive alkaline environment is of future research interest. Above all, well established technoeconomic evaluations of a standalone and integrated applications of RE is essential in order to evaluate the feasibility of scale-up and commercialization of the technology as a renewable energy source (Chapter 10).Item Functionalized polymeric membranes for development of biohybrid systems(2016-02-26) Vitola, Giuseppe; Giorno, Lidietta; Drioli, Enrico; Molinari, RaffaeleLe proprietà di superficie di una membrana sono di grande importanza per la sua funzione. Mediante tecniche di funzionalizzazione chimica è possibile ottenere membrane con gruppi funzionali in grado di adempiere nuove e diverse funzioni che rendono la membrana funzionalizzata un dispositivo in grado di svolgere funzioni multiple trovando applicazione in vari impieghi. Le membrane funzionalizzate, infatti, trovano impiego nei processi di separazione, nei settori che richiedono l’uso di membrane biocompatibili, e nell’immobilizzazione di biomolecole che a sua volta trova applicazione nella preparazione di biosensori e bioreattori a membrana. Questi ultimi sono particolarmente interessanti poiché sfruttano l’alta superficie specifica della membrana e permettono di integrare il processo di separazione con quello catalitico. Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di membrane polimeriche biofunzionalizzate per la decontaminazione di acque da sostanze tossiche quali i pesticidi organofosfati. Il lavoro è stato focalizzato sullo studio di diverse tecniche per l’ingegnerizzazione di membrane polimeriche aventi differenti caratteristiche chimico-fisiche. L’impatto dei diversi tipi di funzionalizzazione è stato valutato considerando il grado di legame e le proprietà catalitiche di biomolecole immobilizzate sulle membrane funzionalizzate. I polimeri utilizzati per l’immobilizzazione delle biomolecole sono stati il fluoruro di polivinilidene (PVDF) e il polietersulfone (PES), materiali ampiamente usati in sistemi di filtrazione. La proteina sieroalbumina bovina (BSA) e l’enzima lipasi da candida rugosa (LCR) sono state selezionate quali biomolecole modello per lo studio della capacità di legame e le proprietà catalitiche delle membrane ingegnerizzate. Le condizioni ottimali di funzionalizzazione e immobilizzazione sono state poi impiegate per lo sviluppo di sistemi bioibridi contenenti l’enzima fosfotriesterasi (PTE), un enzima in grado di operare la detossificazione di organofosfati. Al fine di migliorare le performance degli enzimi immobilizzati sul PVDF è stato sviluppato un nuovo approccio di ingegnerizzazione. Esso ha riguardato la sintesi di nanoparticelle colloidali a base di poliacrilammide e il loro utilizzo, dopo opportuna funzionalizzazione, come vettori per l’immobilizzazione covalente di enzimi sul PVDF. La nuova strategia di immobilizzazione ha permesso di mantenere il microambiente idrofilo a livello dell’enzima immobilizzato migliorandone di conseguenza le proprietà catalitiche. La strategia allo stesso tempo ha consentito di preservare l’idrofobicità della membrana. Tale proprietà è necessaria per lo sviluppo di sistemi operanti nella decontaminazione di aria. I risultati hanno mostrato che l’enzima fosfotriesterasi immobilizzato sul PES mantiene un’attività residua maggiore rispetto a quella dell’enzima immobilizzato sul PVDF. La membrana biocatalitica in PES è risultata idonea per la decontaminazione di organofosfati in fare acquosa.