Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente - Tesi di Dottorato

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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.

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    Risks and impacts of mercury use in gold mining in Ecuador
    (Università della Calabria, 2024-04-30) Mestanza Ramón, Carlos; Critelli, Salvatore; Straface, Salvatore; D'orio, Giovanni; Montoya, Alex V. Gavilanes
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    Definition and application of methodological protocols for the conservation and protection of cultural heritage: case studies
    (Università della Calabria, 2024-04-15) Donato, Antonio; La Russa, Mauro; Costanzo, Antonio; Buongiorno, Maria F.; Critelli, Salvatore
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    Versatility of Deep Eutectic Solvents (DESs): Green Restoration and Eco-sustainable Organic Synthesis
    (Università della Calabria, 2024-08-06) Strangis, Romina; Mancuso, Raffaella; La Russa Mauro Francesco; Beneduci, Roberto; Figoli, Alberto; Critelli, Salvatore
    Deep Eutectic Solvents (DESs) represent a class of unconventional solvents obtained from the mixture of two or more pure compounds, resulting in a liquid form at room temperature due to their lower melting point than those predicted for an ideal liquid mixture. They stand out from conventional solvents due to their environmental sustainability, biodegradability, and versatility, attracting attention in various fields. However, their potential application in cultural heritage restoration remains largely unexplored, given the limited number of scientific papers addressing the use of DESs in this field. This research project aims to prepare DESs and evaluate their efficacy as eco-friendly strategies for restoration practices. A first case study demonstrates the promising utility of DESs as green biocidal solvents for use in the removal of biofilms from artworks in the cultural heritage sector. A second case study highlights the ability of hydrophobic DESs, as cleaning agents, to remove aged non-polar coatings, addressing degradation products commonly encountered in restoration work on metal and stone assets. The search for new solvents, such as DESs, to replace harmful and unsafe conventional solvents used in the cultural heritage sector has shown promising results. Furthermore, due to their unique characteristics, DESs can be used as unconventional solvents in organic synthesis representing excellent substitutes for volatile organic solvents. The main advantages of their use as reaction solvents are increased reaction speed, increased reaction yield and selectivity, and the possibility of recycling the solvent/catalyst system. DESs prove to be efficient solvents in the synthesis of high-value-added organic compounds, facilitating processes such as the iodocyclization reaction and the Sonogashira and Suzuki coupling reactions. This approach underscores the versatility and potential of DESs in cultural heritage conservation and cleaning, and in synthetic chemistry, offering a viable alternative with wide applicability.
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    Advanced membrane-based operations for recovery of minerals from desalination brines and exhaust batteries leachate
    (Università della Calabria, 2024-09-02) D'Andrea, Giuseppe; Critelli, Salavatore; Curcio, Efrem; Santoro, Sergio
    The need to implement innovative technological approaches to secure undistorted access to raw materials and minerals is due to EU high dependance on import of several metal ores from international market and to problematic politic relationship with governance of countries where minerals extraction takes place, in conjunction with excessively high import reliance. In this scenario, the recovery of valuable metals and minerals (M&M) for commercial purposes from seawater desalination brines represents a promising potential path which has been raising interest over the past few years, considering that seawater is composed by 3.3% of dissolved salts and it is considered an invaluable source of minerals. In addition, this strategy represents an innovative approach from an environmental point of view, promoting the valorization of brines, that today are considered wastes and are rejected back to seas and oceans with an enormous impact on flora and fauna. In this thesis work, Membrane Distillation technology has been employed in combination to carbonbased photothermal nanomaterials as performance enhancers for minerals recovery from seawater brines and, moreover, in Air-gap configuration for the treatment of real groundwaters collected from former iron mines near Stockholm. On the other hand, this work is also aimed to point a steering direction for further developments in Donnan Dialysis process for the selective extraction of Magnesium from concentrated brine with the employment of commercial Cation Exchange Membranes. Moreover, a systematic investigation of ion exchange membrane selectivity towards different competing ions in brine treatment has been performed in combination to a Matlab process simulation, highlighting a thrilling match between simulation and real Dialysis process. In addition, Membrane Distillation technology has been included in an integrated system consisting in precipitation and distillation steps, aimed to solve complex separation problems connected to battery recycling and recovery of strategically important elements from battery leachate. During this last task, Lithium was successfully extracted from acid leachate with remarkable recovery percentages combined to a water recovery above 65%, obtained thanks to the concentration stage performed through Air-gap Membrane Distillation.
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    Analisi, previsione e metodologia innovativa per la gestione del rischio costiero da mare – Il caso studio di Belvedere Marittimo (CS)
    (Università della Calabria, 2023-05-23) Sinopoli, Salvatore; Maiolo, Mario; Alvise Mel, Riccardo
    I numerosi episodi di allagamenti ed i continui fenomeni di arretramento delle spiagge espongono ad elevato rischio abitanti e beni presenti sulle coste. Le mareggiate influenzano l'evoluzione e la vita delle comunità costiere, e in aggiunta i cambiamenti climatici introducono elementi di aggravio, evidenziando una sfida amministrativa per la protezione e la gestione di questi territori. L’esempio fornito da opere di difesa costiera già presenti sul territorio calabrese e l’analisi dell’efficacia e degli effetti da esse prodotti ha permesso di individuare nel ripascimento protetto di Calabaia a Belvedere Marittmo (CS) un caso studio significativo, che da venti anni protegge la spiaggia e il vicino centro abitato. Per comprendere meglio le caratteristiche dell’opera e la sua applicabilità sono state quindi condotte delle campagne di indagine ed acquisizione dati, che hanno permesso di ricostruire digitalmente l’opera e di analizzarla attraverso il modello numerico MIKE-21FM. Le analisi hanno permesso di evidenziare i limiti ed i pregi di questa tipologia di opera, quantificandone il campo di applicabilità. Inoltre i dati acquisiti durante le campagne di indagine hanno permesso di estendere l’analisi a tutto il paraggio dell’area Diamante-Bonifati sotto l’aspetto sia morfologico che climatico, ricostruendo eventi estremi che nel tempo si sono abbattuti sulla costa, modellandone di futuri in relazione ai possibili cambiamenti climatici, e fornendo quindi una metodologia di simulazione e di analisi per le strategie di mitigazione dei rischi costieri.
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    Criteri e metodi er la predisposizione di studi di pericolosità da alluvione a scala di bacino mediante l'uso di modelli numerici bidimensionali di tipo "RAIN ON GRID"
    (Università della Calabria, 2023-05-23) Lombardo, Margherita; Critelli, Salvatore; Macchione, Francesco; Fiorentino, Mauro; Russo, Beniamino
    In contesti come quello Calabrese, l’attuazione della Direttiva Europea sulle Alluvioni (Flood Directive, 2007/60/CE) ha subito ritardi, principalmente legati alla mancanza di cooperazione tra gli enti preposti e alla disuniformità delle informazioni territoriali. Questo ha fatto sì che le mappe della pericolosità e del rischio da alluvione, strumenti ai quali la Direttiva riconosce un ruolo fondamentale per la pianificazione della gestione del rischio, si presentino come poligoni frammentati e mosaici di studi ottenuti mediante modelli a diversa complessità. La ricerca in questo settore sta spingendo verso l’introduzione e l’impiego di criteri più rigorosi e metodi fisicamente basati per la valutazione della pericolosità idraulica finalizzata alla pianificazione e alla gestione del rischio. Le considerazioni sulle potenzialità e i vantaggi legati all’applicazione dei modelli 2D fisicamente basati a supporto delle analisi di pericolosità e di rischio da alluvione a scala di bacino idrografico sono suffragate da numerosi studi disponibili in letteratura. A queste considerazioni sono legate le motivazioni del presente lavoro di tesi, che, partendo da una overview sui recenti avanzamenti e sulle problematiche ancora aperte nel campo degli studi sulle inondazioni, ha inteso approfondire alcuni degli aspetti di maggiore interesse scientifico al fine di suggerire dei criteri e dei metodi innovativi e di facile implementazione in modelli bidimensionali a supporto degli studi di pericolosità a scala di bacino. L’attenzione è stata rivolta, più nello specifico, verso gli items elencati di seguito: - Metodi innovativi per una preliminare individuazione delle aree potenzialmente inondabili; - Criteri per la definizione degli scenari pluviometrici di progetto; - Inclusione nella modellazione degli effetti idraulici indotti dall’interazione della piena con opere di attraversamento; - Criteri idrodinamici per la valutazione della vulnerabilità dei beni esposti.Riguardo gli aspetti connessi ad una preliminare individuazione delle aree potenzialmente inondabili è stato messo a punto un framework metodologico basato sull’uso di un modello idrodinamico bidimensionale a partire da un input di pioggia distribuito congiuntamente all’impiego dell’informazione topografica di tipo LiDAR (Ligth Detection And Ranging). Attenzione particolare è riservata al set-up del dominio di calcolo, il quale prevede l’elaborazione di una griglia computazionale localmente rifinita, che consente di ridurre gli oneri computazionali. Ciò si rivela utile in particolare ove sia prevista l’esecuzione di simulazioni multi-scenario per uno stesso caso studio. Il framework metodologico è stato applicato all’intera fascia costiera comprendente i bacini del torrente Soverato e del fiume Ancinale. La validazione dei risultati è stata eseguita sulla base delle informazioni storiche reperibili da archivi regionali e rilievi post-evento. La delimitazione delle aree inondabili, ottenuta per via idrodinamica, è stata inoltre messa a paragone con quella ricavata mediante un metodo morfologico-idraulico su cui attualmente sono basate le misure di salvaguardia regionali. Riguardo la componente idrologica, si propone, sulla base dei principali studi regionali disponibili, un criterio per la definizione di un input idrologico distribuito nello spazio e nel tempo, adatto alle peculiarità climatiche e si analizzano le implicazioni di tale scelta progettuale sull’estensione delle aree inondabili riconducibili agli scenari associati a probabilità di accadimento bassa, media ed elevata, come suggerito dalla Direttiva Alluvioni. Lo stesso caso studio è poi stato oggetto di un’analisi finalizzata alla ricostruzione numerica dell’evento di Soverato del 2000. E’ stato inoltre messo a punto un flow-chart a supporto della modellazione a scopo ricostruttivo di eventi alluvionali passati e di analisi di tipo what if per valutare la possibilità di includere nel modello i fenomeni di ostruzione di ponti e attraversamenti. Il flow-chart è basato sulla valutazione di fattori predisponenti diretti o indiretti. Per la trattazione equivalente degli effetti idraulici indotti a scala territoriale da fenomeni di occlusione e repentina disostruzione di ponti è stato implementato un metodo basato sull’uso dinamico di una scabrezza equivalente, che consente di riprodurre sia l’effetto di rigurgito imputabile alla presenza dell’ostruzione, sia l’onda conseguente alla rapida disostruzione. Il metodo è stato validato, ammettendo l’analogia con il caso di dam-break con deflusso di base. L’applicazione del metodo ha consentito di ottenere una affidabile ricostruzione delle dinamiche di un evento anche in termini di evoluzione della piena. L’applicazione del metodo messo a punto ha anche permesso di evidenziare come l’inclusione di “eventi associati” nella modellazione possa permettere di apprezzare l’effetto di aggravio in termini di vulnerabilità degli elementi esposti. Considerazioni di questo tipo sono, in prospettiva di una stima dei tempi di intervento, più interessanti rispetto alle valutazioni inerenti i valori massimi registrati durante tutto l’evento stesso. Infine, proprio con riferimento ai criteri di vulnerabilità, nell’ultima parte della tesi si è voluto dare spazio ad alcune valutazioni inerenti i criteri con cui eseguire le analisi di rischio in presenza di beni culturali esposti, spesso trascurati dalla letteratura scientifica, che si concentra sulla vulnerabilità delle persone. Per questo tipo di beni la modellistica idrodinamica basata sulle equazioni complete del moto vario è capace di supportare analisi per la definizione delle migliori strategie per la conservazione dei beni esposti a rischio. In presenza di beni esposti all’azione diretta delle precipitazioni, i criteri di vulnerabilità dovrebbero essere basati sulla valutazione di grandezze derivate come gli sforzi tangenziali. L’applicazione al caso della Villa Romana di Els Munts ha messo in evidenza come per questo tipo di beni, gli scenari di progetto dovrebbero includere anche scenari di pioggia frequente in quanto capaci anch’essi di provocare gravi perdite al bene esposto.
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    Approccio integrato alla gestione strategica delle reti idriche per l’ottimizzazione delle performance di sistema
    (Università della Calabria, 2023-05-23) Femiano, Rossella; Critelli, Salvatore; Belgiorno, Vincenzo
    Strategic integrated approach for hydraulic network management and optimization of performance system Water plays a significant role in the twin transition towards a greener and digital European society. Water scarcity is an increasingly frequent and worrying phenomenon that affects at least 11% of the European population and 17% of EU territory. It is estimated that some 20-40% of Europe’s available water is being wasted (leakages in the supply system, no water saving technologies installed, too much unnecessary irrigation, dripping taps etc.). The main goal of this PhD thesis is to develop an integrated methodology improving the efficiency of the drinking water service through the reduction of network losses and the decrease of maintenance interventions. The proposed model, with a strong application approach, considers specifically the infrastructural assets and the efficiency criteria indicated by ARERA (i.e. the Italian Organism of Regulation of the Water Supply), in coherence with the various hierarchical plans such as the “Management Plan of Water” introduced by the European Directive 2000/60/CE and allows a quick follow up of system to identify the best solution for maximizing performance indexes. The methodological path, structured in several distinct and consequential phases, foresees the actual investigation of the physical and operating conditions of the hydraulic assets: an in-depth knowledge of the system is essential to analyse the service and improve its quality, to make more informed decisions in real-time and to direct investments towards concrete and effective priorities. This approach, thanks to the use of decision-making process with predictive and prescriptive algorithms, is useful for accurately planning interventions even in the medium-term long term and to optimize the maintenance activity based on the reconnaissance analysis of the actual state of the networks rather than the theoretical useful life. The tool built in this research activity allows the achievement of the general objectives of the European legislation on water, of the national regulation of the sector and - indirectly - of adaptation to climate change: it is based on international asset management best practices so it helps to identify specific processes for effective management of water networks in terms of intervention planning, monitoring and system control. Below are summarized in simple "operative guidelines", the thesis outcomes useful for evaluating the water system and the possible choices to adopt to improve its management and operational performance1. Overview of the reference regulatory framework with the combined reading of various regulatory acts of both a sectoral (concerning water services) and general nature, with particular reference to the regulation on local public services, public procurement, corporate shareholdings of public administrations; 2. Investigation on the regulatory framework of the IWS that takes into account the stratification and complexity of multilevel governance; 3. Insights on the construction, technological and maintenance aspects of the main assets of an aqueduct system;: 4. Adequate monitoring of functional parameters and careful analysis of network behaviour through: 4.1 Construction of multi-parametric indices starting from the aggregation of simple data processed in statistically significant period and compared to a homogeneous reference area (Macro - ARERA indicators (M1 and M2) - KPIs (Key Performance Indicators)); .2 Hydraulic modelling and definition of significant parameters for the implementation of technical and management choices to optimize the service: Districtualisation; Positioning of pressure reducing valves; Planning of reduction activities and active control of losses; Identification of network sections to be rehabilitated or replaced ollowing these four steps, immediately applicable, it is possible to increase the performances, in terms of efficiency and economy, of water service both in the "ordinary management" and in more wide-ranging strategic projects. The research activity carried out allowed to build a simple, flexible but at the same time objective and scalable tool for the evaluation and control of network anomalies as well as having identified the significant parameters that affect the main issues of the service (network losses and interruptions in supply water).
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    Gas permeation through zeolite membranes: modelling and experimental analysis
    (Università della Calabria, 2020-03-27) Zito, Pasquale Francesco; Critelli, Salvatore; Barbieri, Giuseppe; Brunetti, Adele
    La separazione gassosa è uno stadio fondamentale in numerosi processi industriali, in quanto consente la purificazione e il recupero di componenti ad alto valore (come H2) e, allo stesso tempo, la riduzione delle emissioni di vari inquinanti atmosferici, quali, ad esempio, la CO2. Tradizionalmente, essa viene condotta tramite assorbimento e distillazione criogenica, tecniche ben note e consolidate. Tuttavia, entrambe risultano ad alto impatto ambientale, in quanto necessitano dell’impiego di un solvente (assorbimento) o di condizioni operative drastiche (distillazione criogenica). Pertanto, nell’ottica di uno sviluppo più sostenibile, che vada nella direzione della green chemistry (ovvero progettare prodotti e processi che evitino o riducano l’utilizzo e la produzione di sostanze dannose per l’ambiente) e segua i principi della Process Intensification in termini di minori consumi energetici e volumi di impianto, le membrane rappresentano una valida alternativa ai processi tradizionali. In questo lavoro di dottorato, sono state studiate le potenzialità delle membrane zeolitiche nel separare correnti gassose contenenti CO2, gas permanenti (N2, H2, CH4) e vapore, mediante un’indagine modellistica e sperimentale. Il trasporto di materia attraverso i pori zeolitici è stato descritto sviluppando un modello ad-hoc che considerasse la competizione tra surface diffusion e gas translation diffusion. Tale modello, validato per miscele secche ed umide su membrane di vario tipo (SAPO-34, DDR, NaY, 4A), è stato utilizzato per prevedere la separazione multicomponente al variare delle condizioni operative. La permeazione in miscela è risultata molto diversa rispetto quella in gas singolo. In particolare, la CO2 ha mostrato un incremento di permeanza in presenza di alcune specie, come l’idrogeno. In questo caso, infatti, essa usufruisce dell’effetto positivo esercitato dall’idrogeno sulla diffusività binaria, che regola la surface diffusion in miscela. Al contrario, le specie più debolmente adsorbite (H2, N2, CH4) hanno subìto una netta riduzione di flussi e permeanze in miscela, a causa dell’effetto di hindering che la CO2 adsorbita esercita sulla loro diffusione. Ciò si è tradotto in selettività di miscela (per esempio, 22 nel caso di CO2/N2 in SAPO-34) significativamente migliori rispetto a quelle valutate con i gas singoli. Si è dimostrato, quindi, come sia importante avere un’analisi del trasporto in miscela, nell’ottica di una valutazione realistica delle proprietà separative delle membrane, fondamentale in fase di progettazione di unità di separazione. Le previsioni modellistiche sono state confermate e corroborate da prove sperimentali per correnti a diversa composizione, effettuate su una membrana DDR fornita dal Professore Xuehong Gu, della Nanjing Tech University. Le misure sperimentali hanno confermato elevate selettività in miscela (per esempio, 106 e 17 nel caso di CO2/CH4 e CO2/H2), diverse da quelle calcolate sulla base di misure a gas singolo. Questi valori di selettività rendono le zeoliti particolarmente adatte per recuperare la CO2 da correnti di miscele multicomponente. Per quanto riguarda le miscele umide, si è dimostrato come l’acqua in fase vapore blocchi completamente la diffusione superficiale dei gas permanenti (H2, CO e CH4), i quali permeano solo per gas translation diffusion. Pertanto, la competizione tra surface diffusion e gas translation diffusion, espressa nel modello proposto, ha consentito di descrivere accuratamente la permeazione in membrane zeolitiche e di prevedere così il comportamento in ampi intervalli di condizioni operative. L’analisi modellistica ha confermato come l’alta affinità di queste membrane verso CO2 e H2O le renda particolarmente selettive e, dunque, indicate per ottenere correnti concentrate di permeato e retentato da poter riutilizzare e valorizzare.
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    Povertà energetica e sviluppo economico nell'Afroica Subsahariana: l'opportunità delle microgrids per l'elettrificazione dei villaggi rurali
    (Università della Calabria, 2020-05-05) Mercuri, Michele; Menniti, Daniele; Sorrentino, Nicola; Pinnarelli, Anna; Critelli, Salvatore
    L’attività di ricerca svolta in questa tesi si è focalizzata sull’analisi delle specifiche problematiche dei settori energetici di paesi in via di sviluppo (PVS), in particolare l’accesso all’energia elettrica nell’area dell’Africa sub-sahariana, e alle conseguenze che le difficoltà di approvvigionamento dell’energia causa nel percorso di sviluppo dei predetti Paesi. L'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) stima che attualmente 1,18 miliardi di persone vivono senza aver accesso all'energia elettrica (il 16% della popolazione mondiale), di questi circa il 53% vive nel continente africano. Nonostante l’Africa subsahariana sia ricca di risorse energetiche primarie ha una produzione di energia elettrica molto limitata. Per lo sviluppo di questa regione, che concentra il 13% della popolazione mondiale ma che conta solo per il 4% della domanda globale di energia, poter contare su un ampio accesso a fonti energetiche affidabili ed economicamente accessibili risulta essere un fattore di cruciale importanza per lo sviluppo futuro del continente. L’impossibilità per le aree rurali di accedere in maniera sicura e costante all’energia elettrica porta ad una forte dipendenza energetica dalla biomassa tradizionale e conseguentemente frena la domanda stessa di energia nonché spesso la soluzione più comune in questi contesti consiste nell’utilizzare generatori diesel, che hanno un costo di investimento basso, ma che presentano una serie di svantaggi, tra cui elevati costi operativi, emissioni dannose per l’ambiente e per la salute ed elevata manutenzione. Da questi due aspetti derivano una serie di conseguenze negative che frenano il processo di sviluppo sia a livello locale che nazionale. In particolare, la popolazione delle zone rurali dei PVS è quella che soffre maggiormente le conseguenze del problema dell’accesso all’energia elettrica la manca di energia ostacola lo svilupppo economico e crea come principale conseguenza un costante flusso migratorio di popolazioni che si spostano dalle aree in esame verso aree più sviluppate (tipicamente l’area del continente europeo). L’obiettivo principale per ridurre sia i flussi migratori che portare sviluppo nelle zone dell’africa interessate dal fenomeno nonché creare opportunità di business per i paesi investitori sarebbe, pertanto, aumentare l‘accesso all’energia elettrica, è noto infatti che la grave carenza di infrastrutture elettriche di base mette a rischio gli sforzi profusi per raggiungere un più rapido sviluppo economico e sociale. Nel continente africano per quella minoranza di persone che ad oggi può usufruire di una connessione alla rete elettrica, la fornitura è spesso inaffidabile, il che rende necessario l’uso diffuso di privati e costosi generatori di riserva alimentati a diesel o a benzina. In molte aree, le tariffe elettriche sono tra le più alte al mondo e, fatta eccezione per il Sud Africa, le perdite riportate a causa della scarsa manutenzione delle reti di trasmissione e distribuzione sono doppie rispetto alla media mondiale. Per contrastare l’emigrazione pertanto si dovrebbero meglio utilizzare le risorse finanziarie destinate agli aiuti e favorire l’accesso a forme economiche di energia pulita. L’elettrificazione delle zone senza accesso all’energia può avvenire attraverso due modalità: l’ampliamento della rete di trasmissione nazionale o la generazione distribuita in isola, per quanto riguarda la prima modalità in molte aree rurali si manifestano forti vincoli di fattibilità tecnica ed economica della fornitura elettrica se promossa tramite il tradizionale sistema centralizzato. In questi casi, i sistemi in isola basati su fonti rinnovabili di energia sono l’unica soluzione percorribile. In questo contesto, questa tesi di dottorato si concentra principalmente sul problema dell’accesso all’energia elettrica nelle aree rurali dell’Africa subsahariana e sull’analisi di sistemi in isola. La tesi è suddivisa in tre parti principali: la prima parte propone un’approfondita analisi del contesto politico, economico e di sviluppo della rete elettrica in Africa ed in particolare nelle aree rurali subsahariane. Nella seconda parte si propone una descrizione delle caratteristiche principali e un’analisi, alla luce delle dimensioni della sostenibilità, del problema dell’accesso all’energia e si dettaglia un’analisi della situazione energetica dell’Africa del bilancio energetico e del costo dell’energia in alcune aree dell’Africa. La terza parte introduce i modelli che sono stati sviluppati per rispondere in maniera specifica alla mancanza di accesso all’energia elettrica e propone un modello di elettrificazione in isola sostenibile.