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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    Functionalized polymeric membranes for development of biohybrid systems
    (2016-02-26) Vitola, Giuseppe; Giorno, Lidietta; Drioli, Enrico; Molinari, Raffaele
    Le 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.
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    An insight on pharmaceutical crystallization process by using membrane technology: PVDF-based mixed matrix membranes and PP grafted membranes as new tools for controlling the supersaturation rate and the heterogeneous nucleation mechanism.
    (2014-11-11) Caridi, Antonella; Drioli, Enrico; Di Profio, Gianluca; Molinari, Raffaele
    Questo elaborato finale del progetto di dottorato tratta lo studio del processo di cristallizzazione a membrana finalizzato alla produzione di composti farmaceutici in forma cristallina. Lo studio ha come obiettivo quello di dare una visione globale del processo di cristallizzazione a membrana andando oltre lo stato dell􀍛a􀆌te, bensì p􀆌opo􀅶e􀅶do l􀍛i􀅵ple􀅵e􀅶tazione della tecnica di cristallizzazione a membrana di base. A tal proposito il progetto è stato sviluppato seguendo in due diverse direzioni: da una parte la tecnica di 􀄐􀆌istallizzazio􀅶e a 􀅵e􀅵􀄏􀆌a􀅶a di 􀄏ase ha 􀇀isto l􀍛appli􀄐azio􀅶e ad u􀅶o spe􀄐ifi􀄐o settore dell􀍛i􀅶dust􀆌ia fa􀆌􀅵a􀄐euti􀄐a, dall􀍛alt􀆌a pa􀆌te lo studio è p􀆌oseguito investigando i meccanismi di cristallizzazione indotti dalla stessa membrana e successivamente ha visto una vera e propria progettazione di membrane opportunamente pensate per la cristallizzazione. Du􀅶􀆋ue, il 􀇀alo􀆌e aggiu􀅶to di tale studio 􀄐o􀅶siste 􀅶ell􀍛a􀇀e􀆌e di􀅵ost􀆌ato la possibilità di ampliare il campo di applicazione del processo a membrana, di aver esteso la conoscenza di base dei meccanismi di nucleazione eterogenea sottesi dalla membrana e di aver progettato, prodotto e caratterizzato delle membrane con differenti materiali e strutture appositamente per essere testati nella tecnica di cristallizzazione. In dettaglio, il lavoro presenta uno studio iniziale sul processo di nucleazione eterogenea che parte da particelle libere in soluzione per poi continuare studiando il processo di nucleazione eterogenea sullle membrane stesse. U􀅶a se􀄐o􀅶da sezio􀅶e t􀆌atta l􀍛appli􀄐azio􀅶e del processo a membrana alla cocristallizzazione farmaceutica. Successivamente inizia la parte di disegno e realizzazione di membrane eterogenee sia dal punto di vista chimico che strutturale: membrane fabbricate con tecniche e materiali differenti e membrane commerciali che sono state opportunamente funzionalizzate. Infine il lavoro si conclude con i tests di cristallizzazione condotti su tali membrane.
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    Molecular modelling of imprinted membranes prepared by the noncovalent approach
    (2011-10-08) Garcia Del Blanco, Samuel; Drioli, Enrico; De Luca, Giorgio; Molinari, Raffaele
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    Biodegradable polymeric membrane systems for tissue engineering applications
    (2013-11-12) Messina, Antonietta; De Bartolo, Loredana; Curcio, Efrem; Molinari, Raffaele
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    Development of membrane bioreactor (MBR) process applying novel low fouling membranes
    (2013-11-12) Deowan, Shamim Ahmed; Drioli, Enrico; Molinari, Raffaele; Figoli, Alberto; Hoinkis, Jan
    Water is a part and parcel of human life. Water contaminated from industry and agriculture with heavy metal ions, pesticides, organic compounds, endocrine disruptive compounds, nutrients (phosphates, nitrates, nitrites) has to be effi-ciently treated to protect humans from being intoxicated with these compounds or with bacteria. Clean water as basis for health and good living conditions is too far out of reach for the majority of the population in the world (Bionexgen, 2013). Water recycling is now widely accepted as a sustainable option to re-spond to the general increase of the fresh water demand, water shortages and for environmental protection. Water recycling is commonly seen as one of the main options to provide remedy for water shortage caused by the increase of the water demand and draughts as well as a response to some economical and environmental drivers. The main options for wastewater recycling are industri-al, irrigation, aquifer recharge and urban reuse (Pidou, M., 2006). Among the industrial wastewaters, the textile industry is long regarded as a water intensive sector, due to its high demand of water for all parts of its pro-cedures. Accordingly, textile wastewater includes quite a large variety of con-tents, chemicals, additives and different kinds of dyestuffs. The main environ-mental concern with this waste water is about the quantity and quality of the water discharged and the chemical load it carries. To illustrate, for each ton of fabric products, 20 – 350 m3 of water are consumed, which differs from the color and procedure used. The quality of the textile wastewater depends much on the employed coloring matters, dyestuffs, accompanying chemicals, as well as the process itself (Brik et al., 2006). MBR technology is recognised as a promising technology to provide water with reliable quality for reuse. It provides safely reuse water for non-potable use. But the treated textile wastewater by MBR technology alone can’t comply with the reuse or discharge standard in many countries due to its colouring matters and dyestuffs remained in the effluent, if otherwise, MBR is associated with other technology like NF, RO, other processes or the applied membrane is modified or a novel MBR is applied. Fouling is another limiting factor for worldwide application of MBR technology especially in high-strength industri-al wastewater like textile wastewater. Moreover, membrane fouling is regarded as the most important bottleneck for further development of MBR technology. It is the main limitation for faster development of this process, particularly when it leads to flux losses that cleaning cannot restore (Howell et al. 2004). In this thesis work, a novel membrane bioreactor (MBR) process was devel-oped by modifying a applied commercial PES UF membrane in MBR module by nano-structured novel coating through polymerisable bicontinuous micro-emulsion (PBM) process with the purpose of having higher hydrophilicity and low fouling propensity. Before starting the MBR experiments, some characteri-sation tests such as SEM, AFM images analysis, roughness measurements, pore geometry, contact angel, standard salt rejections, model textile dye rejec-tions were performed. In addition, fouling tests using two laboratory cross flow testing units were conducted as well. To reach the ultimate goal of research, 6 sheets of novel coated membranes with size of 30 cm × 30 cm were prepared and these were used to prepare a three-envelope MBR module of 25 cm × 25 cm in size (total membrane area 0.33 m2) similar to that of a commercially available three-envelope PES UF MBR module. This novel MBR module was tested in a submerged lab-scale MBR pilot plant (tank volume ca. 60 L) for about 6 months using model textile dye wastewater (MTDW) as test media for all experiments with the aim of having uniform compositions with respect to time. The tests were done based on carefully selected operation conditions. Prior to testing of the novel membrane module MBR, experiments were carried out with a commercial PES UF MBR module using the same pilot plant set up and the same selected operating conditions for about 10 months. After comple-tion of trials with the novel coated MBR module, similar experiments were carried out again with a commercial PES UF MBR module to check the simi-larity of the biological sludge conditions and other operation conditions as well. In short, the sequences of the experiments were as follows: Commercial PES UF MBR (10 months) →novel membrane coated MBR (6 months)→PES UF MBR (1.5 months) The ultimate goal of the experiments was to compare the results between the commercial MBR and novel coated MBR module in order to demonstrate im-provement regarding fouling propensity and permeate water quality. The performance analysis shows that the novel coated MBR module compared to the commercial MBR module has 7% points higher COD removal efficien-cy, 20% points higher blue dye removal efficiency, high antifoul-ing/antimicrobial properties, resulting in a very low-fluctuating and highly ro-bust MBR process which looks promising with regard to economic viability. Since the newly developed MBR module worked excellent on laboratory scale it consequently should be deployed at an industrial site to be tested with real ii wastewater. Therefore, this novel three-envelope MBR module is on the way to be tested with real wastewater in a textile factory in Tunisia. The findings of these on-site pilot trials will serve as a basis for further improvement and even-tually pilot trails with larger membrane area will be addressed
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    Polymeric materials for biomedical applications: synthesis and characterisation
    (2010-12-02) Parisi, Ortensia Ilaria; Puoci, Francesco; De Cindio, Bruno
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    Realizzazione di membrane polimeriche innovative per la crescita in vitro di tessuti umani
    (2010-11-12) Campana, Carla; De Bartolo, Loredana; Curcio, Efrem
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    Development of new polymeric functional membranes for applications in catalysis and fuel celles
    (2007) Fontananova, Enrica; Drioli, Enrico; Aiello, Rosario
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    Modellistica di membrane polimeriche “high performance” per separazione di gas
    (2014-05-29) De Lorenzo, Luana; Tocci, Elena; Golemme, Giovanni; Molinari, Raffaele