- Oggetto:
- Oggetto:
Chemodinamica Ambientale
- Oggetto:
Environmental chemodynamics
- Oggetto:
Anno accademico 2013/2014
- Codice dell'attività didattica
- MFN0258
- Docente
- Dott. Roberto Orlando (Titolare del corso)
- Corso di studi
- Laurea Magistrale in Chimica dell'Ambiente D.M. 270 (1° anno)
- Anno
- 1° anno
- Tipologia
- Di base
- Crediti/Valenza
- 6
- SSD dell'attività didattica
- CHIM/02 - chimica fisica
- Modalità di erogazione
- Tradizionale
- Lingua di insegnamento
- Italiano
- Modalità di frequenza
- Facoltativa
- Tipologia d'esame
- Orale
- Modalità d'esame
- L'esame consiste nel rispondere a tre quesiti su: 1) le leggi fondamentali che regolano lequilibrio alle interfacce; 2) le leggi che regolano il trasporto intrafase o interfase; 3) lapplicazione di tali leggi a specifiche situazioni che si verificano nei differenti contenitori ambientali. La durata dellesame e` di norma di 30-45 minuti.
- Prerequisiti
- Fondamenti dellequilibrio chimico e della cinetica chimica. Elementi di Analisi Matematica, calcolo numerico, calcolo vettoriale. Elementi di dinamica dei fluidi. Conoscenza di base della Chimica Inorganica e Organica.
Durante lo svolgimento del corso verranno, comunque, richiamati tutti i concetti di base necessari alla comprensione dei vari argomenti. - Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
Questo corso 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. 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.
- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
Conoscenza delle caratteristiche e del comportamento dei suoli superficiali e sub-superficiali, delle acque superficiali e di profondità. Conoscenza e capacità di comprensione delle leggi che regolano il trasporto di massa, calore e quantità di moto in un fluido. Conoscenza e capacità di comprensione dei processi di trasporto di massa tra due fasi e di conseguenza tra due compartimenti ambientali.
Capacità di prospettare modelli matematici approssimati per valutare la dinamica delle sostanze chimiche in situazioni che comunemente si possono verificare : i) all’interno di acque di superficie e alla loro interfaccia con l’atmosfera, con i sedimenti e con altre fasi liquide non acquose; ii) all’interno delle acque di profondità e alla loro interfaccia con i suoli e con altre fasi liquide non acquose. Capacità di reperire letteratura scientifica relativa a queste problematiche. La verifica delle capacità applicative si ottiene mediante la soluzione di alcuni problemi numerici che richiedono il reperimento di alcuni dati di letteratura durante le sei ore dedicate alle esercitazioni. Per questo gli studenti possono essere raggruppati o lavorare singolarmente a seconda della complessità del problema.
Capacità di valutare in modo critico i limiti di applicabilità delle leggi fondamentali del trasporto alle situazioni reali. Capacità di valutare in modo critico i risultati ottenuti nella soluzione approssimata di un problema e di prospettare le vie per una soluzione meno approssimata.
Capacità di esprimere oralmente in modo chiaro e sintetico ogni argomento del programma durante la verifica d’esame. Capacità di fornire una relazione scritta sulle esercitazioni numeriche più complesse e di illustrarla con chiarezza.
- Oggetto:
Modalità di verifica dell'apprendimento
Il grado di apprendimento viene verificato attraverso esame orale al termine del corso.
- Oggetto:
Attività di supporto
Vengono fornite le slide proiettate a lezione Gli studenti possono richiedere chiarimenti sui contenuti del corso in qualsiasi momento, anche individualmente al di fuori dell'orario delle lezioni.
- Oggetto:
Contenuti
Fondamenti delle leggi fisiche del trasporto delle sostanze inquinanti: equilibri interfase e ripartizione delle sostanze alle interfacce, equazione della continuita`, meccanismi della diffusione negli ambienti naturali.
- Oggetto:
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.
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. Presenza di biofilms sul materiale solido e trasporto all’interfaccia acqua-biofilm.
Esercitazioni: esercitazioni numeriche su ogni argomento sviluppato.Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
L. J. Thibodeaux. Environmental Chemodynamics. John Wiley and Sons Inc.
B. E. Logan. Environmental Transport Process. John Wiley and Sons Inc.
H. F. Hemond, E. J. Fechner-Levy. Chemical Fate and Transport in the Environment. Academic Press.R. B. Bird, W. E. Stewart, E. N. Lightfoot. Transport Phenomena. John Wiley and Sons Inc.
- Oggetto:
