XXXIX Ciclo - Dottorato in Processi chimici per l' Industria e per l' Ambiente: "Tecnologie innovative per la produzione di H2 clean". in corso
Referente: Prof.ssa Paola Russo
Dottorando: Dott. Leonardo Suraniti
Ad oggi la nostra società si affida, da un punto di vista energetico, principalmente a fonti non rinnovabili quali i combustibili fossili. La combustione di questi genera da un lato calore sufficiente alla produzione di energia e dall’altro CO2. Quest’ultima, immessa nell’atmosfera, diventa una delle principali cause del cosiddetto cambiamento climatico, responsabile di eventi naturali fuori dalla norma che rendono la vita sul nostro pianeta più a rischio.
La necessità di un passaggio da fonti non rinnovabili a rinnovabili è quindi fondamentale, sistemi come l’eolico ed il solare possono generare energia pulita, ma a causa della loro natura intermittente richiedono sistemi di accumulo molto efficienti. L’idrogeno dall’altro canto emerge come un’alternativa ai combustibili fossili, la sua combustione genera calore ma non CO2 presentando un alto potere calorifero 142 MJ/kg, mentre la sua ossidazione può essere sfruttata, in sistemi come le fuel cell, per la produzione di energia elettrica.
L’idrogeno è l’elemento più abbondante sulla terra ma non si trova libero in natura, da questo risulta quindi necessaria la sua produzione. Industrialmente questo si ottiene da processi di reforming di idrocarburi o da processi di produzione del ferro.
Dal reforming di idrocarburi però si libera oltre che idrogeno anche CO2, rendendo di fatto il processo “non-carbon-neutral”.
Dalla crescente necessità di abbattere le emissioni di CO2, i recenti studi si sono concentrati su processi e tecnologie che portino ad ottenere idrogeno “carbon-neutral”. Per questo motivo l’utilizzo di biomasse o tecnologie che promuovono la scissione dell’acqua risultano ampiamente indagate. Alle tecniche precedentemente citate si può aggiungere la pirolisi di idrocarburi come il metano; ad alte temperature (1000 °C circa) ed in assenza di ossigeno è infatti possibile decomporre il metano in un processo endotermico, ottenendo alla fine idrogeno, idrocarburi più pesanti carbon black di alta qualità. Se da un lato il vantaggio principale è rappresentato dall’assenza di CO2 come prodotto collaterale della reazione, d’altro canto però, in assenza di catalizzatori adeguati, le temperature necessarie per la rottura dei legami C-H risultano essere molto elevate, con un dispendio di energia non indifferente. In presenza di catalizzatori, invece, le temperature operative sono minori (600-1000 °C), la velocità della reazione e la resa finale dei prodotti aumentano.
Il cracking del metano può essere ottenuto quindi per via termica, catalitica o dalla combinazione di queste. Un’alternativa al cracking termico è rappresentata dal cracking mediante plasma; in questa situazione l’energia fornita alle molecole di gas non proviene solamente dalle alte temperature, quanto dalle collisioni con gli elettroni generati nello stato di plasma.
Questa ricerca si pone l’obiettivo di sviluppare ed ottimizzare nuove tecnologie che sfruttino il plasma al fine di ottenere attraverso processi di cracking, la miglior rese in termini di prodotti di interesse quali idrogeno e carbone ad alto valore commerciale, ed in termini energetici. Allo sviluppo di queste tecnologie si affiancherà quello di nuovi catalizzatori a più basso impatto ambientale in grado di poter migliorare resa, selettività e morfologia dei prodotti di reazione.
XXXVII Ciclo - Dottorato in Ingegneria Chimica: “Sviluppo di metodologie per la bonifica dei siti contaminati a seguito di eventi incidentali, anche rilevanti, inerenti batterie al litio” in progress
Referente: Prof.ssa Paola Russo
Dottorando: Ing. Davide Palma
Le politiche di sviluppo del Smart, Green and Integrated transport coinvolgono l’impiego sempre più massivo di batterie e di accumulatori al litio, in quanto impiegati nei veicoli elettrici, nei sistemi di accumulo dell’energia – ESS, nella elettronica di consumo, con implicazioni sulla la gestione della catena di approvvigionamento delle batterie e dei veicoli ovvero della catena logistica e la gestione della raccolta dei rifiuti di batterie e di RAEE instabili o giunti a fine vita.
Tutto questo pone seri problemi di prevenzione e gestione del rischio di incendio ed esplosione connesso a queste batterie, a causa della loro chimica, come le operazioni di estinzione di incendi (scelta estinguenti e tecniche di estinzione) e del successivo ripristino delle aree in cui si sono verificati incidenti. La estrema variabilità della composizione chimica di queste batterie e le scarse informazioni sulla caratterizzazione dei prodotti chimici che si possono sviluppare in caso di incidenti, aggiunta alla gestione di residui di batterie instabili e con rischi anche di natura elettrica, comportano la necessità di studiare accuratamente l’argomento e di sviluppare metodologie di bonifica specifiche.
La bonifica delle aree interessate da eventi incidentali è prevista dalle norme internazionali in materia di tutela ambientale (in Italia: Parte IV, Titolo V del D. Lgs. 3 aprile 2006, n. 152 e s.m.i.). La caratterizzazione chimico-fisica dei reflui (liquidi e solidi, ma anche aereiformi) provenienti da batterie, dispositivi utilizzatori e da estinguenti (qualora impiegati) si pone alla base di qualunque intervento di bonifica. Alcuni studi consultati mettono in evidenza il rilascio di sostanze nocive per l’uomo e per l’ambiente, quali: nanomateriali; fibre respirabili di SiO2; composti organofluorofosfati quali il dimetilfluorofosfato (DMFO) e il dietilfluorofosfato (DEFP) che risultano avere proprietà di tossicità acuta confrontabili con il Sarin; metalli pesanti quali: nichel, cobalto, piombo, cromo e tallio.
Il dottorato di ricerca è finalizzato alla messa a punto di una o più metodologia di bonifica attraverso attività sperimentali svolte a partire dalla scala di laboratorio fino alla scala reale. Sulla base della caratterizzazione chimico fisica degli effluenti verranno sperimentati prodotti assorbenti per sostanze chimiche pericolose generalmente impiegati in questi contesti. Verrà affrontata la raccolta, il trasporto e il successivo conferimento in discarica come rifiuto pericoloso anche tenendo conto che l’attuale pratica di impiego di acqua come agente estinguente o liquido di lavaggio successivo alla bonifica con assorbenti, ne comporta la raccolta quantitativa e il conferimento in discarica come rifiuto ugualmente pericoloso.
XXXVI Ciclo- Dottorato in Ingegneria Chimica “Gestione del rischio di incendio negli impianti di gestione dei rifiuti solidi”
Referente: Prof.ssa Paola Russo
Dottoranda: Dott.ssa Sofia Ubaldi
L’incendio è una possibilità sempre presente nella maggior parte dei siti di gestione dei rifiuti, se non altro perché molti di essi sono materiali facilmente combustibili. Negli ultimi anni si sono verificati numerosi incendi negli impianti di trattamento e stoccaggio dei rifiuti, e le cause sono sia di origine involontaria, cortocircuito dei macchinari, reazioni chimiche incontrollate fra i rifiuti industriali, sia di origine dolosa, origine confermata dai filmati acquisiti dalle telecamere di sicurezza negli stabilimenti. Il rischio principale è quello di morte e/o lesioni gravi e danni alla salute dovuti all’elevata energia termica e all’inalazione di fumi. Inoltre, i prodotti di combustione, anche quelli di materiali non tossici, rilasciano inquinanti atmosferici che possono provocare effetti a breve e lungo termine sulla salute umana e sull’ambiente. Dal punto di vista ambientale, il deflusso dell’acqua di spegnimento degli incendi può trasportare inquinanti nei sistemi di drenaggio, fiumi, laghi, acque sotterranei e suoli adiacenti alla scena minacciando l’approvvigionamento idrico, la salute pubblica, la fauna selvatica e l’uso ricreativo. Infine, esplosioni, scintille e proiettili possono danneggiare le persone ed incrementare la portata dell’incendio per propagazione del calore e delle fiamme stesse. Di conseguenza, I danni alla proprietà possono essere significativamente alti in termini economici e di impatto ambientale. Gli operatori dovrebbero pertanto assicurarsi di disporre di sistemi di sicurezza e adeguati sistemi di monitoraggio e prevenzione incendi e che, in caso di incendio i rischi per la salute umana, i beni e l’ambiente siano ridotti al minimo. Questa ricerca mira a sviluppare, in collaborazione con il Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, linee guida per la gestione degli incendi e la redazione di regolamenti tecnici.
XXXIV Ciclo - Dottorato in Ingegneria Chimica "Studio dei problemi di sicurezza delle batterie agli ioni-litio per la loro applicazione nel settore automobilistico"
Referente: Prof. Paola Russo
Dottorando: Ing. Maria Luisa Mele
Le batterie agli ioni-litio sono caratterizzate da un'elevata energia e da un'alta densità di potenza, ciò rende questa tecnologia la scelta più adatta per l'alimentazione di elettronica portatile, di utensili elettrici e di veicoli ibridi o completamente elettrici. In condizioni d'uso normali, gli elettroni scorrono attraverso i terminali e gli ioni litio passano dall'anodo al catodo attraverso l'elettrolita in un processo quasi reversibile e non appaiono cambiamenti significativi nella struttura chimica dei componenti della cella. In caso di guasto, ad esempio un cortocircuito interno, l'energia generata supera rapidamente la capacità di dispersione di calore all’esterno della cella. Ciò può provocare l’innesco di un processo chiamato thermal runaway (fuga termica) che ha causato numerosi incendi. Il thermal runaway (fuga termica) implica un rapido aumento della temperatura delle celle della batteria accompagnato dal rilascio di gas infiammabili. Questi gas infiammabili potrebbero essere facilmente innescati dall'alta temperatura della batteria, causando un incendio. Inoltre, la combustione di questi gas quando si scaricano dalla batteria pone un altro problema di sicurezza: l'accumulo e la potenziale esplosione dei gas stessi. La fuga termica può anche essere responsabile di effetti meccanici come la proiezione di frammenti e il rilascio di gas e vapori tossici. Questo progetto vuole analizzare gli aspetti di sicurezza rilevanti per l'applicazione della batteria agli ioni-litio, specialmente nel settore automobilistico. Lo scopo principale è prevedere i possibili incidenti, valutarne gli effetti e mettere a punto le appropriate misure di prevenzione e protezione antincendio. Poiché le misure appropriate non sono ancora state messe a punto, i risultati della ricerca saranno utilizzati anche per sviluppare istruzioni e procedure di sicurezza per una squadra di soccorso chiamata a rispondere agli incidenti che coinvolgano veicoli ibridi o completamente elettrici. L'attività di ricerca sarà condotta in collaborazione con l’ENEA e il Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco.
XXXII Ciclo - Dottorato in Ingegneria Chimica "VALUTAZIONE DEI DANNI A PERSONE ED EDIFICI COME CONSEGUENZA DI INCIDENTI CHE COINVOLGONO TUBAZIONI DI IDROGENO"
Referente: Prof. Paola Russo
Dottorando: Ing. Alessandra De Marco
L'idrogeno è sempre più considerato una valida alternativa ai combustibili tradizionali, che stanno andando sempre più incontro ad un progressivo esaurimento. È definito "il vettore energetico del futuro" e quindi, in quanto tale, deve essere prodotto. Diverse tecnologie di produzione dell'idrogeno sono ampiamente diffuse e coinvolgono sia fonti tradizionali che innovative. Dopo la sua produzione, l'idrogeno deve essere reso disponibile per l'uso e, pertanto, deve essere trasportato dal punto di produzione al punto di utilizzo. Uno dei modi più comuni e convenienti per trasportare notevoli quantità di idrogeno gassoso è rappresentato dalle tubazioni. Poiché l'idrogeno è considerato un combustibile "non sicuro" a causa delle sue proprietà fisiche, è necessario indagare sulle conseguenze di un rilascio accidentale, al fine di preservare la sicurezza delle persone e delle strutture che si trovano in prossimità di un possibile evento accidentale che coinvolga le tubazioni. L'idrogeno si disperde nell'aria molto facilmente, essendo più leggero dell'aria, ma se viene rilasciato in ambiente chiuso può provocare un'esplosione. I pericoli della miscela idrogeno-aria sono correlati all'ampio intervallo di infiammabilità e al basso valore dell’energia minima di innesco. Inoltre, l'idrogeno brucia con una fiamma invisibile e quindi è molto difficile identificare tempestivamente la presenza di pericolo. Sulla base di queste considerazioni, risulta che un guasto alla tubazione che trasporta idrogeno gassoso può comportare gravi rischi. Lo scopo di questo studio è di valutare i danni a persone e edifici coinvolti in esplosioni e incendi (jet fires) di tubazioni di idrogeno ad alta pressione e, a tale scopo, viene proposta una procedura probabilistica di valutazione del rischio. La probabilità annua di danno alle persone e agli edifici esposti a un evento estremo è calcolata come il prodotto della probabilità condizionale di danno data da un incendio o un'esplosione e la probabilità che si verifichi l'incendio / l'esplosione a seguito di un guasto della conduttura. Le conseguenze degli incidenti alla tubazione di idrogeno sono stimate attraverso diversi strumenti: il modello integrale SLAB viene utilizzato per definire la dispersione del gas, il metodo multi-energy TNO per valutare la sovrapressione e l'impulso generato dalle esplosioni e i diagrammi pressione-impulso per valutare i danni agli edifici. La lunghezza della fiamma viene calcolata attraverso il modello SLAB considerando la lunghezza alla quale vengono raggiunte le concentrazioni di idrogeno del 4% (limite inferiore di infiammabilità). Il modello di sorgente puntiforme viene impiegato per stimare il flusso di calore irradiato generato dalla fiamma e la frazione radiante calcolata attraverso la correlazione empirica proposta da Molina et al. (2007). Infine, le equazioni di Probit vengono utilizzate per calcolare i danni alle persone, sia nel caso di un'esplosione che di un incendio. Le quantità caratteristiche dei due eventi accidentali studiati, la sovrapressione e l'impulso nel caso delle esplosioni e il flusso di calore radiativo nel caso di incendio, sono considerate come variabili causative. Per stimare l'effetto della sovrapressione e dell'impulso causati da un'esplosione sono stati considerati sia edifici in cemento armato che edifici in muratura di tufo. Il danno diretto e indiretto sulle persone viene studiato per definire gli effetti delle conseguenze di esplosioni e incendi. La procedura probabilistica proposta può rappresentare uno strumento utile nella progettazione di una nuova rete di distribuzione dell'idrogeno e nella valutazione dei rischi per quelli esistenti.
XXX Ciclo - Dottorato in Ingegneria Chimica " Produzione di alimenti essiccati di qualità: ottimizzazione del processo, recupero e valorizzazione degli scarti agroalimentari "
Referente: Prof. Paola Russo
Dottorando: Ing. Renato Buonocore
Uno degli obiettivi primari delle industrie alimentari di conservazione e trasformazione è quello di convertire gli alimenti deperibili come frutta e verdura in prodotti che abbiano una più lunga shelf-life e conseguentemente una perdita contenuta delle caratteristiche nutrizionali e sensoriali rispetto al prodotto fresco. Uno dei processi largamente utilizzato per prolungare la shelf-life degli alimenti è l’essiccazione. Essa ha lo scopo di ridurre la quantità di acqua presente nei vegetali a livelli tali da inibire lo sviluppo dei microrganismi e da impedire, o ridurre al minimo, le attività enzimatiche e le degradazioni chimiche. L’essiccazione comporta una sostanziale riduzione di peso e di volume, minimizzando, così i costi di imballaggio, stoccaggio e trasporto permettendo, altresì, la conservazione del prodotto a temperatura ambiente. Attualmente la richiesta del mercato è verso essiccati di qualità che abbiano caratteristiche di struttura, aroma e che contengano tutti i principi nutrizionali del prodotto fresco. Conoscere ed ottimizzare il processo di essiccazione è quindi molto importante per limitare i danni termici e perdite di qualità. L’attività di ricerca proposta prevede uno studio sperimentale e modellistico dell’essiccazione e della reidratazione di prodotti ortofrutticoli. Saranno valutate cinetiche di disidratazione, di reidratazione e le variazioni dei principali parametri chimico-fisici e sensoriali dei prodotti essiccati e reidratati. Saranno inoltre sviluppati modelli matematici in grado di stimare con sufficiente precisione i parametri di trasporto di massa nei processi di essiccamento e di reidratazione alle diverse temperature utilizzate. Per quanto riguarda inoltre gli scarti della produzione agroalimentare saranno studiate nuove tecnologie per l’estrazione di sostanze (ad esempio coloranti, pectine, lecitine) da riutilizzare in campo alimentare e cosmetico. L’attività di ricerca sarà condotta in collaborazione con il Laboratorio di Tecnologie Alimentari dell’Università di Salerno. In particolare, per lo studio dei fenomeni di diffusione dell’acqua durante l’essiccazione e dell’analisi dei metaboliti ci si avvarrà della collaborazione del Laboratorio di Risonanza Magnetica “Annalaura Segre” del CNR di Monterotondo.