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Oggetto:
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CHEMODINAMICA AMBIENTALE

Oggetto:

Environmental chemodynamics

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Anno accademico 2022/2023

Codice attività didattica
MFN0258
Docente
Prof. Lorenzo Maschio (Titolare del corso)
Corso di studio
Laurea Magistrale in Chimica dell'Ambiente D.M. 270 (1° anno)
Anno
1° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti
I fondamenti dell’equilibrio chimico e della cinetica chimica
Elementi di Analisi matematica, di calcolo numerico e di calcolo vettoriale
Elementi di dinamica dei fluidi
La conoscenza della chimica inorganica
La conoscenza della chimica organica

Basic knowledge of chemical equilibrium and kinetics, Calculus and vector analysis. Elements of fluid dynamics. Basic knowledge of Inorganic and Organic Chemistry .
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Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Questo insegnamento presenta i processi fondamentali che controllano il trasporto delle sostanze chimiche nei tre maggiori compartimenti ambientali: idrosfera, atmosfera e litosfera. Prima, studia la ripartizione all'equilibrio delle sostanze chimiche fra acqua, aria e suoli; poi, illustra i processi fondamentali di trasporto di materia, calore e quantità di moto in un fluido ed infine i processi di trasporto all'interfaccia tra due fasi. Sono analizzate e risolte le equazioni differenziali che descrivono il trasporto di massa per varie condizioni al contorno e iniziali ed i risultati sono usati nel contesto di modelli per il trasporto di specie chimiche in sistemi ambientali complessi.

 

This course introduces the fundamental processes controlling transport of polluting chemicals in the three main environments: hydrosphere, atmosphere and lithosphere. Starting from the partition equilibrium of chemicals in air, water and soils, the main processes of transport of matter, heat and momentum in a fluid are illustrated, as well as transport processes at the interface between two phases. Differential equations for matter transport are solved for several boundary conditions. The results are employed with reference to transport of chemicals in complex environmental systems.

 

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Risultati dell'apprendimento attesi

Lo studente acquisirà competenze nel: conoscere la natura chimico-fisica dei compartimenti ambientali; nel capire i processi fondamentali di trasporto delle sostanze nell'ambiente; nello sviluppare appropriate rappresentazioni matematiche di tali processi; nel prevedere e trattare complessità specifiche che si possono verificare in particolari casi.

 

Students are expected enhance their skills in understanding the physico-chemical features of natural environments and the fundamental processes involved in the transport of chemicals in the environment, as well as in implementing appropriate mathematical models for such processes, including the capability of predicting and managing the complexities inherent to some particular cases.

 

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Programma

Equilibrio alle interfacce. Equilibri all'interfaccia acqua-aria: i coefficienti di ripartizione e le volatilità relative. Equilibrio acqua-fasi condensate: i coefficienti di ripartizione liquido-liquido e solido-liquido. Introduzione ai processi di adsorbimento. L' adsorbimento fisico e chimico. Isoterme di adsorbimento; presenza di cappi di isteresi e condensazione capillare. Isoterme d'adsorbimento da sostanze in soluzione su solidi: classificazione e modelli. Equilibri fra suoli e fasi liquide o gassose: adsorbimento di molecole neutre (pesticidi, erbicidi, tensioattivi, antibiotici) Uso delle isoterme ai fini predittivi. Uso del coefficiente di ripartizione ottanolo-acqua. Adsorbimento competitivo H2O-molecole neutre volatili: terreni secchi, umidi e bagnati. Adsorbimento di molecole cariche. Le isoterme di scambio cationico, isoterme frazionali, costanti di selettività. Determinazione della CEC (capacità di scambio cationico). Trasporto delle sostanze chimiche. I concetti base: volume di controllo e bilancio di massa. Il trasporto intrafase. Meccanismi di trasporto: avvezione e dispersione e loro quantificazione. La diffusione molecolare e la prima legge di Fick. La dispersione turbolenta, idrodinamica e meccanica. L'equazione generale di continuità per un fluido. Trasporto di una sostanza chimica in un fluido stagnante: la seconda legge di Fick e sua soluzione per differenti sorgenti istantanee e continue. Forma gaussiana della dispersione nello spazio e relazione di Einstein.. Trasporto in un fluido dotato di moto avvettivo: sorgenti istantanee e sorgenti continue. Il trasporto interfase. Le tre teorie: del film stagnante, della penetrazione e dello strato di confine. I coefficienti di trasporto di massa singoli. I coefficienti di trasporto singoli acqua-aria e loro rapporto con i coefficienti di diffusione molecolari: determinazione sperimentale o uso di equazioni empiriche. I coefficienti di trasporto complessivi: la teoria delle resistenze multiple. Il coefficiente di reaerazione. L'ambiente superficiale. Avvezione e dispersione nei fiumi e nei canali. La determinazione dei coefficienti di dispersione trasversali, longitudinali e verticali: equazioni empiriche. La biodegradazione aerobica: il modello di Michaelis - Menten per microrganismi singoli. Aggregati di microorganismi: la cinetica di accrescimento di Monod. I biofilms. La desossigenazione e la reaerazione di un corso d'acqua: il modello di Streeter e Phelps. Capacità di smaltimento di un corso d'acqua. Trasporto all'interfaccia acqua-fasi pure poco solubili più dense dell'acqua. Trasporto di sostanze chimiche liquide con densità inferiore all' acqua. L'ambiente sub-superficiale. Zona insatura e satura. Testa idraulica. Gradiente idraulico e legge di Darcy. Determinazione della conduttività idraulica in laboratorio e in campo. Il trasporto intrafase. La diffusione molecolare,l'avvezione e la dispersione nella sona satura che fluisce. Il trasporto ritardato dai fenomeni di adsorbimento: definizione e misura del fattore di ritardo. Il trasporto interfase.

 

Chemical Equilibrium at environmental interfaces. Air-water equilibrium: partition coefficients and relative volatility. Water-condensed phase equilibrium: liquid-liquid e solid-liquid partition coefficients. Introduction to the adsorption processes. Physical and chemical adsorption. Adsorption isotherms of gases on solids: classification and models; hysteresis loops and capillary condensation. Adsorption isotherms of chemicals from solution: classification and models. The surface and sub-surface soils. Nature and properties. The inorganic components: alumino-silicates, oxides and oxo-hydroxides, crystalline structures and chemical-physical properties. The organic components: humic substances, structure and properties. Soil-liquid phase or soil-gaseous phase equilibrium: adsorption of neutral molecules (pesticides, antibiotics, herbicides) Practical use the isotherms for previewing scopes. Use of octanol-water partition coefficient. Competitive adsorption H2O-organic volatile neutral molecules: dry, humid and wet soils. Adsorption of charged chemicals. Cationic exchange isotherms, fractional isotherms, Selectivity constants. CEC (cationic exchange capacity) determination. Chemical transport. Basic concepts: control volume and mass balance. Intra-phase transport. Transport mechanisms: advection and dispersion. Molecular diffusion and first Fick law. Turbulent, hydrodynamic and mechanical dispersion. The general continuity equation for a fluid. The chemical transport in a stagnant fluid: second Fick law and different chemical sources, instantaneous or continuous. Normal gaussian dispersion and Einstein relation. The chemical transport in a flowing fluid: instantaneous or continuous sources. Inter-phase transport. The three theories: stagnant film, penetration theory and boundary layer theory. Single air-water transport coefficients and their relation with molecular diffusion coefficients and use of empirical equations. The momentum transport law and the dynamic and cinematic viscosity. The analogy between first Fick, Fourier and Newton laws. Introduction to a-dimensional numbers Re, Sc, Pr. The overall mass transport coefficients: two-resistance theory of interface mass transfer. The re-aeration coefficient. Surface waters. Advection and dispersion in rivers and channels: longitudinal, vertical and transversal mixing coefficients; determination and use of empirical equations. Wind-driving advection, dispersion and vertical stratification in the lakes.. Transport and stratification in estuaries. Mixing in the ocean. Particle settling the surface waters. The dissolved oxygen in the surface waters. The biological oxygen demand (BOD) and the chemical oxygen demand (COD). Deoxygenation and reoxygenation of rivers: Streeter e Phelps model; stream assimilation capacity for wast material. Aerobic biodegradation: Michaelis - Menten kinetic model for single micro-organisms. The microbial aggregates: Monod growing kinetic. The biofilms. Transport of chemical sinkers present as droplets or pools in the rivers: dissolution rates and lifetimes. Combined dissolution from droplets and pools.. Mass transport from oil spills on surface waters: simultaneous evaporation and dissolution. The subsurface environmental. unsaturated e saturated zone. Water table and capillarity fringe. Free and confined aquifers. Hydraulic head. Head gradient and Darcy law: specific discharge, hydraulic conductivity and permeability. Sub-surface soil classification. Hydraulic conductivity determination in laboratory or in field. Intra-phase transport. Molecular diffusion in stagnant aquifers. Advection and mechanic/hydrodynamic dispersion in flowing aquifers. Retardation: definition and measurement of the retardation factor. Inter-phase transport.

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Modalità di insegnamento

  Il corso è erogato per l'A.A. 2020-2021 in modalità mista, in presenza e in contemporanea trasmessa online via piattaforma webex, con materiale elettronico di supporto, salvo nuovo aggravarsi dell'emergenza sanitaria. In ogni caso è assicurata la modalità a distanza per tutto l'anno accademico.

La stanza virtuale webex di riferimento è quella personale del docente: https://unito.webex.com/meet/lorenzo.maschio

This course consists of lectures with the support of Power-Point slides, in the lecture room and streamed via the webex platform.

The virtual webex room is: https://unito.webex.com/meet/lorenzo.maschio

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Prova orale con voto in trentesimi. Viene verificata sia la conoscenza dei principi generali e delle equazioni che regolano i fenomeni di trasporto degli inquinanti nell'ambiente e la loro ripartizione tra le fasi ambientali sia la capacita` dello studente di applicare i principi generali allo studio della dispersione degli inquinanti in comparti ambientali particolari. Verranno valutate la capacità di organizzare discorsivamente la conoscenza; capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato; qualità dell'esposizione, competenza nell'impiego del lessico specialistico.

upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png ESAMI A DISTANZA: modalità orale a distanza secondo il Decreto Rettorale n.1097/2020.

 

Oral exam with final mark in thirthieths. Both the students' knowledge of the general principles and equations ruling transport phoenomena of pollutants in the environment  and their partition to environmental phases and the students' ability to apply general principles to the study of the diffusion of pollutants to the various environmental compartments are assessed. Ability of properly organizing the acquired knowledge, ability of reasoning critically, quality of the presentation, competence in using technical language, will be evaluated.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile sul sito internet I testi base consigliati per l'insegnamento sono:

- L. J. Thibodeaux. Environmental Chemdynamics. John Wiley and Sons, Inc., Second Edition;
- B. E. Logan. Environmental Transport Process. John Wiley and Sons, Inc.;
- H. F. Hemmond, E. J. Fechner-Levy. Chemical Fate and Transport in the Environment. Academic Press. Second Edition.

Support material and slides are available from this website.

The following textbooks are used as a reference:
- L. J. Thibodeaux. Environmental Chemdynamics. John Wiley and Sons, Inc., Second Edition;
B. E. Logan. Environmental Transport Process. John Wiley and Sons, Inc.;
H. F. Hemmond, E. J. Fechner-Levy. Chemical Fate and Transport in the Environment. Academic Press. Second Edition.



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Insegnamenti che mutuano questo insegnamento

Registrazione
  • Aperta
    Apertura registrazione
    01/03/2020 alle ore 00:00
    Chiusura registrazione
    31/12/2022 alle ore 23:55
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 28/06/2022 15:32