DIAm https://hdl.handle.net/10955/101 2026-04-21T03:13:41Z 2026-04-21T03:13:41Z Zito, Pasquale Francesco Critelli, Salvatore Barbieri, Giuseppe Brunetti, Adele https://hdl.handle.net/10955/5565 2025-03-06T15:35:09Z 2020-03-27T00:00:00Z

Gas permeation through zeolite membranes: modelling and experimental analysis 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. UNIVERSITA’ DELLA CALABRIA Dipartimento di Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio e Ingegneria Chimica Dottorato di Ricerca in Scienze e Ingegneria dell’Ambiente, delle Costruzioni e dell’Energia (SIACE) CICLO XXXII

2020-03-27T00:00:00Z Mercuri, Michele Menniti, Daniele Sorrentino, Nicola Pinnarelli, Anna Critelli, Salvatore https://hdl.handle.net/10955/5547 2025-02-26T08:50:00Z 2020-05-05T00:00:00Z

Povertà energetica e sviluppo economico nell'Afroica Subsahariana: l'opportunità delle microgrids per l'elettrificazione dei villaggi rurali 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. Università della Calabria. Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente. Dottorato di Ricerca in Scienze e Ingegneria dell'Ambiente, delle Costruzioni e dell'Energia. Ciclo XXXII

2020-05-05T00:00:00Z Gukelberger, Ephraim Critelli, Salvatore Gabriele, Bartolo Figoli, Alberto Hoinkis, Jan https://hdl.handle.net/10955/5538 2025-02-12T10:04:32Z 2020-01-01T00:00:00Z

Innovative Low-fouling membranes- an Advanced coating approach using UV-LED polymerisation Gukelberger, Ephraim; Critelli, Salvatore; Gabriele, Bartolo; Figoli, Alberto; Hoinkis, Jan Overcoming hurdles connected with increasing water scarcity exacerbated by climate change is one of the major challenges of this century. Membrane bioreactors (MBR) have been applied for more than two decades improving the water recovery of industrial and domestic wastewater treatment processes and ease this situation. Occurring membrane fouling phenomena pose a massive drawback for achieving a highly efficient filtration in the long run. One fouling mitigation approach is the novel low-fouling membrane coating using a polymerisable bicontinuous microemulsion (PBM). In this thesis, the membrane coating process and the layer polymerisation mainly initiated by UV-LED light was systematically studied. A casting process was evaluated on small scale samples (0.0085 m2) and further developed. For the first time UV-LED light induced PBM coating has been applied on a pilot scale of 3.125 m2 membrane surface area. Studies included the validation of a modified, low cost surfactant to reduce overall synthesis costs. Membrane pore intrusion of the low viscous PBM during the casting coating presented an obstacle to meet competitive filtration capacities compared to commercial ultrafiltration (UF) polyethersulfone (PES) membranes. Viscosity modification towards higher values was studied based on controlled radical polymerisation inhibition. Additionally, a high discrepancy to the pristine PBM coating solution was determined. The development and construction of an automated coating machine enabled high production quantities. Ultimately, the novel coating was tested in a customised pilot MBR for the treatment of domestic wastewater. The pilot tests allowed the direct and simultaneous comparison between a PBM coated and commercial PES module. Short stress tests through a flux step profile and a long-term operation were carried out under constant flux conditions. The PBM coated membrane showed lower permeability with a higher increase in the specific transmembrane pressure (TMP) within a 137-day trial period. Subsequently, post studies validated the chemical stability of the coating material qualitatively. Various experiments revealed limitations for low-strength domestic wastewater application in terms of lower critical flux. Based on these findings, a feasibility study of spray coating technology using two different atomisation approaches on a lab scale was conducted. Spray coating prevents shearing between the casting knife, the liquid PBM and the membrane surface which reduces the pore intrusion effect potentially. Various preliminary spray tests were examined to study the surface coverage along the membrane width in correlation with the given spray parameters. It was shown that there were structural differences of the polymerised coating layers compared to the casting coating techniques. In conclusion, spray coating using duel-fuel nozzles improved the membrane performance. Furthermore, high operation flexibility helped to produce defined spray coverages and layer thickness for any type of coating material as well as membrane substrate. However, some effects remain unclear. This requires a more fundamental study of material properties and atomisation technologies related to polymerisable bicontinuous microemulsions due to complex interactions. Università della Calabria. Dipartimento di Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio e Ingegneria Chimica. Dottorato di ricerca in Scienze e Ingegneria dell'Ambiente, delle Costruzioni e dell'Energia. Ciclo XXXII

2020-01-01T00:00:00Z Gangi, Fabiola Critelli, Salvatore Macchione, Francesco Costanzo, Carmelina https://hdl.handle.net/10955/5532 2025-02-05T09:23:30Z 2020-04-16T00:00:00Z

Applicazione della shallow water equations per la simulazione numerica a scala di bacino degli eventi alluvionali Gangi, Fabiola; Critelli, Salvatore; Macchione, Francesco; Costanzo, Carmelina La valutazione del rischio idraulico connesso alle piene dei corsi d’acqua è particolarmente delicata quando gli eventi alluvionali hanno carattere impulsivo, come accade nei bacini di modeste dimensioni. L’approccio correntemente utilizzato per l’analisi idraulica è quello di individuare dei singoli tratti di interesse dei corsi d’acqua. L’analisi è condotta sulla base di idrogrammi di progetto ricavati mediante modelli idrologici del tipo afflussi-deflussi. In questa memoria sarà invece applicato un approccio basato sull’analisi degli effetti idraulici provocati da un evento meteorico considerando come dominio per il calcolo idraulico l’intero bacino idrografico. Tale approccio è in grado di individuare situazioni di pericolo in zone che magari non sarebbero state esaminate. L’uso di modelli idrodinamici basati sulle shallow water equations, è diventato oggetto di crescente interesse per simulare eventi a scala di bacino. Un fattore che può essere limitante ai fini dell’ottenimento di risultati conseguibili con il dettaglio fisico garantito dalle SWEs è la dimensione delle celle di calcolo. Questa deve essere sufficientemente piccola da garantire un’accurata simulazione degli effetti idraulici e contestualmente non troppo piccola per non rendere proibitiva la mole dei calcoli su domini estesi. In questa ottica, il presente lavoro propone di occuparsi dell’individuazione dei criteri per la delimitazione delle aree a pericolosità idraulica definendo la più grande dimensione che può essere assegnata alla cella di calcolo per ottenere risultati sufficientemente affidabili. A tal fine, un modello numerico basato sulle SWE, sviluppato dagli autori e parallelizzato utilizzando le direttive OPENMP e MPI, è stato applicato al bacino del fiume Beltrame, collocato sulla costa Est della Calabria. Il torrente Beltrame, come altri torrenti della fascia ionica calabrese, è stato interessato, in passato, da eventi alluvionali di notevoli dimensioni. Si prenderà qui in esame l’evento accaduto il 10 settembre 2000. La risoluzione dei dati topografici a disposizione è variabile. Il 39% ha una copertura di dati DTM a risoluzione 5 metri, il 59% ha copertura di dati LiDAR a risoluzione 1 metro e l’2% ha copertura di dati LiDAR a risoluzione 2 metri. A partire dai dati topografici, sono stati generati quattro domini computazionali con griglie di tipo non strutturato, uniforme, con elementi triangolari (con area variabile da 36 a 900 m2). Le differenze tra i risultati ottenuti sono stati confrontati in termini di estensione di aree allagate e distribuzione dei valori della pericolosità all’interno delle aree perimetrate, quest’ultima quantificata secondo il prodotto hV, dove h è la profondità della corrente in un assegnato punto e in un assegnato istante e V è la contestuale velocità. La valutazione della sovrapponibilità delle aree per ciascuna classe di pericolosità è stata eseguita utilizzando diversi indici quali: Hit Rate, False Alarm Ratio, Critical Success Index. L’analisi condotta nella presente memoria ha messo in luce che, a scala di bacino, gli errori sui massimi tiranti crescano significativamente al crescere delle dimensioni delle celle di calcolo, sebbene essi si mantengano più contenuti, anche usando le griglie più grossolane, per la parte valliva, caratterizzata da estensioni più ampie dell’area allagata. In ogni caso sembra che questo abbia una scarsa ricaduta sulla valutazione della pericolosità. I calcoli e i confronti hanno mostrato che le aree a diversa pericolosità si distribuiscono all’interno dell’area del bacino in maniera simile. Inoltre, anche se non si arriva ad una perfetta sovrapposizione areale, esse sono collocate spazialmente in modo che o si sovrappongono parzialmente o, se sono delle strisce sottili, hanno dislocazioni molto prossime le une alle altre. si ritiene che anche con la griglia più grossolana si possa impiantare una buona analisi della pericolosità a scala di bacino, certamente con precisione maggiore andando dai rami montani del reticolo – più stretti - a quelli più ampli che provocano esondazioni in zone vallive. Università della Calabria. Dipartimento di Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio e Ingegneria Chimica. Dottorato di ricerca in Scienze e ingegneria dell'ambiente e delle costruzioni e dell'energia (SIACE). Ciclo XXXII

2020-04-16T00:00:00Z