La Sapienza - Università di Roma

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”

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.

XXXVII Cycle – Doctorate in Chemical Engineering : Development of methodologies for the remediation of contaminated sites following accidents, including significant ones, relating to lithium batteries.

The development policies of Smart, Green and Integrated Transport provide for the increasingly massive use of lithium batteries and accumulators, as they are used in electric vehicles, in energy storage systems - ESS, in consumer electronics, with repercussions on management of the supply chain of batteries and vehicles or of the logistics chain and the management of the collection of unstable or end-of-life batteries and WEEE waste.

All this poses serious problems in the prevention and management of the risk of fire and explosion associated with these batteries, due to their chemistry, such as fire extinguishing operations (choice of extinguishing and extinguishing techniques) and the subsequent restoration of areas in which accidents have been occurred. The extreme variability of the chemical composition of these batteries and the scarce information on the characterization of the chemical products that can develop in the event of an accident, added to the management of unstable residues of the batteries and with risks also of an electrical nature, entail the need to deepen the topic and develop specific remediation methodologies.

The reclamation of the areas affected by accidents is provided for by international legislation on environmental protection (in Italy: Part IV, Title V of the Legislative Decree 3 April 2006, n. 152, and subsequent amendments). The chemical-physical characterization of wastewater (liquid and solid, but also airborne) from batteries, utilities and extinguishing agents (if used) is the basis of every remediation intervention. Some studies highlight the release of substances harmful to humans and the environment, such as: nanomaterials; breathable SiO2 fibers; organofluorophosphate compounds such as dimethyl fluorophosphate (DMFO) and diethyl fluorophosphate (DEFP) which appear to have acute toxicity properties comparable to Sarin; heavy metals such as: nickel, cobalt, lead, chromium and thallium.

The research is aimed at the development of one or more remediation methodologies through experimental activities carried out starting from the laboratory scale up to the real scale. On the basis of the chemical-physical characterization of the effluents, absorbent products for hazardous chemicals generally used in these contexts will be tested. The issue of collection, transport and subsequent disposal in landfills as hazardous waste will also be addressed, taking into account that the current practice of using water as a fire extinguisher or washing liquid following the reclamation with absorbents, provides for the quantitative collection and disposal in landfills as it is just as dangerous to waste.

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.

XXXVI Cycle – Doctorate in Chemical Engineering “Fire risk management in solid waste management plants”

Scientific Director: Prof. Paola Russo

PhD student: Dott. Sofia Ubaldi

Fire is an ever-present possibility at most waste management sites, if only because many wastes are readily combustible. In recent years, numerous fires have occurred in the treatment and storage facilities of wastes whose causes are various: from involuntary triggers, such as short circuits in machinery or reactions uncontrolled chemicals among industrial waste, to cases of malicious origin, confirmed by the vision of footage captured by security cameras in the factories. Fires involving wastes can cause significant harm to people, property, and the environment. The main risk is that of death and/or serious injury and health damage from high thermal energy and smoke inhalation. Moreover, combustion products, even those from non-toxic materials, release airborne pollutants which can cause short- and long-term effects on human health and the environment. From an environmental point of view, firewater run-off can transport pollutants into drainage systems, rivers and lakes, groundwater and soil, threatening water supplies, public health, wildlife, and recreational use. Finally, explosions, sparks and projectiles can harm people and spread any fire. Consequently, property damage can be significant and costly. Operators should therefore ensure they have adequate controls in place to prevent fires and, should a fire occur, that the risks to human health, property and the environment are minimized. This research aims to develop a methodology for fire safety management on solid waste treatment and storage sites. The methodology will be developed in collaboration with the National Fire Corps and to support them in development of fire management guidance and technical regulations.

XXXIV Ciclo - Dottorato in Ingegneria Chimica "Studio dei problemi di sicurezza delle batterie agli ioni-litio per la loro applicazione nel settore automobilistico" in corso
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.

XXXIV Cycle - Doctorate in Chemical Engineering  "Study of safety issues of Lithium-ion batteries for their application in the automotive sector" in progress
Scientific Director: Prof. Paola Russo
PhD candidate: Eng. Maria Luisa Mele

Li-ion batteries are characterised by high energy and high power density, making this technology the most suitable choice for feeding portable electronics, power tools, and hybrid/full electric vehicles. In normal use conditions, electrons flow through the terminals and lithium ions pass from the anode to the cathode through the electrolyte in a process that is quasi-reversible and no significant changes appear in the chemical structure of the cell components. During failure conditions, for example an internal short circuit, the power generated rapidly surpasses the external heat losses cell capability, and Li-ion battery cells can undergo into a process called thermal runaway, which has resulted in numerous fire accidents. Thermal runaway implies a rapid increase in battery cells temperature accompanied by the release of flammable gases. These flammable gases could be easily ignited by the battery’s high temperature, resulting in a fire. In addition, the combustion of these gases as they vent from the battery poses another safety concern: the accumulation and potential explosion of the gases themselves. Thermal runaway may also be responsible for mechanical effects such as the projection of fragments as well as the release of toxic gases and vapours. This project wants analyse the safety aspectsrelevant to Li-ion battery application,especially in the automotive sector. The main purpose is to predict the possible accidents, to evaluate their effects and to develop the appropriate fire prevention and protection measures. Since the appropriate measures have not yet been developed, the results of the reasearch will be also utilised to develop safe instructions and procedures for a rescue team that is called to respond to accidents involving hybrid/full electric vehicles. The research activity will be conducted in collaboration with ENEA and the National Fire Corps.

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.

XXXII Cycle - Doctorate in Chemical Engineering  "ASSESSMENT OF DAMAGE TO PEOPLE AND BUILDINGS AS CONSEQUENCE OF HYDROGEN PIPELINE ACCIDENTS"

Scientific Director: Prof. Paola Russo

PhD candidate: Eng. Alessandra De Marco

Hydrogen is increasingly considered a valid alternative to traditional fuels, which are gradually being more and more depleted. It is defined as “the energy carrier of the future” and so, as such, it must be produced. Several hydrogen production technologies are widespread and they involve both traditional and innovative sources. After its production, the hydrogen must be made available for use and, so, it must be transported from the production site to the utilization site. One of the most common ways to transport considerable quantities of gaseous hydrogen is through pipelines. Since hydrogen is considered a “no safe” fuel due to its physical properties, the consequences of an accidental release must be investigated, to preserve the safety of people and facilities located in the surrounding area of a possible accidental event involving pipelines. Hydrogen disperses into the air very easily, being lighter than air, but if it is released in a confined space can result in an explosion. The hazards of the hydrogen-air mixture are related to the wide flammability range and the low minimum ignition energy. Furthermore, hydrogen burns with an invisible flame and so it is very difficult to suddenly identify the presence of danger. Based on these considerations, it results that a failure of pipeline conveying gaseous hydrogen can pose severe risks. The aim of this study is to evaluate damage to people and buildings involved in high-pressure hydrogen pipeline explosions and (jet) fires and, to this scope, a probabilistic risk assessment procedure is proposed. The annual probability of damage to people and to buildings exposed to an extreme event is calculated as the product of the conditional probability of damage given by a fire or an explosion and the probability of occurrence of the fire/explosion as consequence of pipeline failure. The consequences of hydrogen pipeline accidents are estimated through different tools: the SLAB integral model is used to define the gas dispersion, the TNO Multi-Energy Method to evaluate the overpressure and impulse generated from the explosions and Pressure-Impulse diagrams to evaluate damage to buildings. The flame length is calculated through the SLAB model by considering the length at which the hydrogen concentrations of 4% (lower limit flammability) is reached. The point source model is employed to estimate the radiative heat flux generated by jet fire with the radiant fraction calculated through the empirical correlation proposed by Molina et al. (2007). Finally, the Probit equations are used to calculate damage to people, both in the case of an explosion and a jet fire. The characteristic quantities of the two accidental events investigated, overpressure and impulse in the case of the explosions and radiative heat flux in the case of jet fires, are considered as causative variables. Reinforced concrete buildings and tuff stone masonry buildings are taken into consideration to estimate the effect of overpressure and impulse caused by an explosion. Direct and indirect damage on the people are investigated to define the effects of consequence of explosions and jet fires.The probabilistic procedure proposed can represent a useful tool in the design of a new hydrogen distribution network and in risks assessment for existing ones.

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.

XXX Cycle - Doctorate in Chemical Engineering "Production of dried food quality: process optimization, recovery and improvement of waste food"
Scientific Director: Prof. Paola Russo
PhD candidate: Eng. Renato Buonocore

One of the primary goals of companies that store and process food is to convert perishable foods like fruits and vegetables in products that have a longer shelf-life and consequently a moderate loss of nutritional and sensory characteristics compared to the fresh product. One of the processes widely used for prolonging the shelf-life of food is drying. It has the aim to reduce the amount of water present in the plant to levels which inhibit the growth of microorganisms and to prevent, or minimize, the enzymatic activity and chemical degradations. The drying involves a substantial reduction in weight and volume thus minimizing the costs of packaging, storage and transport and also allowing the storage of the product at room temperature. Currently, the market demand is for quality dried food that has good texture, flavor and contain all the nutritional principles of the fresh product. To understand and optimize the drying process is therefore very important to limit thermal damage and loss of quality. The research proposal involves an experimental study and modeling of drying and rehydration of fruits and vegetables. The kinetics of dehydration, rehydration and variations of the main physico-chemical parameters and sensory properties of dried and rehydrated food will be evaluated. They will also be developed mathematical models able to estimate with sufficient accuracy the parameters of mass transport in the processes of drying and rehydration at the different temperatures used. Furthermore, as regards the waste from the agro-food production, new technologies for the extraction of substances (eg dyes, pectins, lecithins) for reuse in the food and cosmetic will be studied. The research will be conducted in collaboration with the Laboratory of Food Technology of the University of Salerno. In particular, for the study of the phenomena of diffusion of water during the drying process and the analysis of the metabolites we will rely on the cooperation of the Magnetic Resonance Laboratory "Annalaura Segre" CNR Monterotondo.