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Laboratori di Analisi chimiche ambientali e di Tecnologie per il risanamento ambientale

Gruppo di lavoro: Aldo Muntoni, Alessandra Carucci, Angela Serpe, Anna Laura Sanna, Daniele Cabras (CNR-IGAG), Debora Todde, Fabiano Asunis, Gianluigi Farru, Giorgia De Gioannis, Giovanna Cappai, Giulio Sogos, Luca Attene, Luca Musu, Martina Cera, Melinda Mandaresu, Michelangelo David, Mona Ghaslani, Orietta Masala (CNR-IGAG), Paolo Barra, Parisa Endallah (CNR-IGAG), Seyedmehdi Hosseini, Simone Cocco, Simone Pau, Stefano Milia (CNR-IGAG), Stefano Cara (CNR-IGAG)

I laboratori di Analisi chimiche ambientali e di Tecnologie per il Risanamento Ambientale costituiscono infrastrutture strategiche a supporto delle numerose attività di ricerca, didattica e servizio al territorio svolte dai docenti, ricercatori e tecnici del Dipartimento DICAAR.

Ospitati all’interno dell’edificio Mandolesi (D1) nel campus universitario di Piazza d’Armi, i laboratori sono dotati di strumentazioni per l’analisi chimica di base, l’analisi chimica strumentale e la preparazione dei campioni. Sono inoltre presenti reattori, prototipi e impianti pilota destinati alla ricerca sperimentale nei settori della tutela dell’ambiente dall’inquinamento e della valorizzazione delle risorse.

Queste infrastrutture supportano numerosi progetti di ricerca nazionali e internazionali e ospitano diverse attività didattiche dei Corsi di Studio in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio e Ingegneria Ambientale per lo Sviluppo Sostenibile e di Dottorato in Scienze e Tecnologie della Terra e dell’Ambiente. A queste si affiancano numerose attività di consulenza e convenzioni con enti pubblici e soggetti privati.

Oltre al personale strutturato, ogni anno frequentano i laboratori circa 60 tra studenti della laurea triennale e di quella magistrale, tesisti, tirocinanti, dottorandi, assegnisti, borsisti e collaboratori di ricerca, contribuendo attivamente allo svolgimento delle attività sperimentali e formative.

Laboratorio di Analisi Chimiche Ambientali 

Panoramica del Laboratorio di Analisi Chimiche Ambientali del DICAAR. Le postazioni operative e le dotazioni strumentali consentono lo svolgimento di attività analitiche avanzate, mirate alla determinazione qualitativa e quantitativa di inquinanti organici e inorganici, nell’ambito della ricerca sperimentale e della didattica.
Le tecniche spettrofotometriche disponibili nei laboratori consentono di investigare un ampio intervallo spettrale e campioni in soluzione, liquidi e solidi. Lo spettrofotometro UV-Vis (Peak C-7200), operativo da 200 a 1100 nm, è dotato di cella multiposizione. Lo spettrometro FT-IR, attivo da 50 a 4000 cm-1, è dotato di ATR e lettura in trasmissione e può operare completamente in vuoto per garantire massime prestazioni ed abbattimento di interferenze anche nella regione del Far-IR.
Nella sezione del laboratorio dedicata alle tecniche ICP, si dispone di strumentazione per spettrometria ad emissione ottica (ICP-OES) e spettrometria di massa con plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS). Tali tecniche consentono l’analisi multielementare in un ampio intervallo di concentrazioni, da mg/L fino ai ng/L.
La postazione dedicata alle tecniche di cromatografia liquida è equipaggiata con sistemi di cromatografia ionica (IC) per la separazione e la quantificazione di anioni e cationi (in foto), e con un sistema HPLC (High Performance Liquid Chromatography) per l’analisi di una vasta gamma di composti in matrici ambientali complesse.
I sistemi di digestione a microonde presenti nei laboratori consentono la massima versatilità nel pretrattamento di mineralizzazione di campioni complessi di natura organica e inorganica da inviare ad analisi chimica quantitativa.
Celle per elettrodeposizione del volume di 1 e 5 L dotate di riscaldamento e opportuni elettrodi, sono disponibili presso i laboratori e servono all’ottimizzazione dei processi di recupero dei metalli da soluzioni mono- e multi-metalliche anche a partire da miscele non convenzionali.
Nei laboratori si dispone delle apparecchiature necessarie per l’analisi prossimale ed elementale di matrici ambientali. L’immagine mostra un analizzatore termogravimetrico (TGA) con calorimetria differenziale a scansione (DSC), impiegato per la caratterizzazione termica e la speciazione del carbonio.
La bomba calorimetrica consente di determinare il potere calorifico superiore, ovvero l’energia termica sprigionata dalla combustione completa di un materiale combustibile. Viene utilizzata per analizzare biomasse, fanghi, rifiuti e altri residui organici, nell’ambito di attività di caratterizzazione energetica e di studi sull’efficienza dei processi di valorizzazione energetica.

Il Laboratorio di Analisi Chimiche Strumentali consente di eseguire analisi chimiche finalizzate alla determinazione dei principali parametri di inquinamento su diverse matrici ambientali, a scopo sperimentale e didattico. Le strumentazioni disponibili permettono di svolgere un’ampia varietà di indagini, dalla quantificazione di inquinanti organici e inorganici alla caratterizzazione approfondita di matrici ambientali e industriali complesse.

Il laboratorio dispone di un’ampia dotazione strumentale che include:

  • Gas-cromatografi (FID/TC e MS) per l’analisi di composti organici (es. idrocarburi e acidi organici)
  • Cromatografo ionico per l’analisi di anioni e cationiCromatografo HPLC (RID/UV) per l’analisi di acidi organici e zuccheri
  • Spettrofotometri UV-VIS a doppio raggio e a singolo raggio
  • Spettrometro FT-IR per indagini sia nel medio (MIR) che nel lontano (FIR) infrarosso
  • Analizzatore TOC per matrici liquide e solide
  • Analizzatori elementari CHN e CS
  • Analizzatore TGA-DTA
  • Bomba calorimetrica
  • Spettrofotometro ICP-OES e spettrometro ICP-MS per l’analisi di elementi in tracce
  • Respirometro Sapromat
  • Termoreattore per analisi COD
  • Forni a microonde dotati di rotori ad alta e media pressione per digestione dei campioni e reazioni chimiche in condizioni controllate, nonchè digestore UltraWave3 di nuova generazione
  • Liofilizzatore
  • Spray dryer da banco
  • Vasche elettrolitiche da 1 e 5 L per processi di elettrodeposizione galvanica
  • Potenziostato/galvanostato

Completano la dotazione strumentale le apparecchiature di base da laboratorio, tra cui bilance tecniche e di precisione, centrifughe, bagni a ultrasuoni, estrattori solido-liquido (S-L) e liquido-liquido (L-L), evaporatori rotanti, shaker, incubatori, liofilizzatori, essiccatori e stufe da laboratorio, pHmetri, conduttimetri, ossimetri.

Laboratorio di tecnologie per il risanamento ambientale

Due celle bioelettrochimiche in azione per il risanamento di acque sotterranee contaminate: una soluzione innovativa che unisce sostenibilità ed efficienza per il recupero di una risorsa preziosa come l’acqua.
Al DICAAR si sviluppano processi biologici avanzati per la depurazione di reflui industriali complessi: soluzioni efficienti, sostenibili e scalabili. Il reattore a fanghi granulari, compatto e dalle alte rese depurative, ne è un esempio concreto.
Da residui organici a risorsa/1: nei reattori ad alta pressione e temperatura (in foto il reattore PARR 4524 HP) si conducono processi di carbonizzazione idrotermica per ottenere combustibili, ammendanti, fertilizzanti e materiali adsorbenti.
Da residui organici a risorsa/2: Attraverso fermentazioni in condizioni anaerobiche controllate, consorzi microbici convertono la sostanza organica in composti intermedi (come acidi grassi volatili) e biogas. Questo processo costituisce una fase chiave per la valorizzazione dei residui organici, sia per la produzione di energia rinnovabile (biometano), sia come base per la sintesi di bioprodotti ad alto valore aggiunto, come i PHA.
Da residui organici a risorsa/3: nei bioreattori si sfrutta l’azione dei microorganismi in condizioni ingegnerizzate per produrre PHA (polidrossialcanoati), un tipo di biopolimero con caratteristiche simili alla plastica tradizionale, ma biodegradabile.
Da residui organici a risorsa/4: Un sistema automatizzato consente di misurare il biogas prodotto da matrici organiche in condizioni anaerobiche controllate. Il test BMP (Biochemical Methane Potential) permette di quantificare il potenziale metanigeno dei residui, fornendo dati fondamentali per la valorizzazione energetica e l’ottimizzazione della digestione anaerobica.
La tossicità acuta delle sostanze inquinanti può essere misurata attraverso test su Daphnia magna, un piccolo crostaceo sensibile ai contaminanti. L’immagine mostra la preparazione delle diluizioni, l’esposizione degli organismi e l’osservazione al microscopio.
I terreni e sedimenti contaminati possono essere bonificati adottando diverse tecniche in funzione della natura dei contaminanti. In foto, alcuni set-up sperimentali in cui si applica l’elettrocinesi, il bioventing e il soil washing.
Presso il laboratorio si studiano anche metodi chimici sostenibili per il recupero dei metalli critici da rifiuti e scarti. La working station a 4 posizioni consente un controllo accurato delle condizioni sperimentali delle reazioni chimiche condotte e la loro migliore riproducibilità al fine dell’ottimizzazione dei metodi di recupero dei metalli anche supportata dai metodi statistici multifattoriali di Design of Experiment.
Il laboratorio è attrezzato per lo scale-up dei processi di lisciviazione e recupero dei metalli, grazie alla disponibilità di reattori di dimensioni crescenti ma caratterizzati da medesima forma del vessel, geometria e configurazione interna. Gli esperimenti possono essere costantemente progettati e monitorati da remoto tramite software AVA dedicato alla gestione di tutte le periferiche collegate.

Il laboratorio di tecnologie per il risanamento ambientale ospita numerose attività sperimentali finalizzate alla protezione dell’ambiente dall’inquinamento e alla valorizzazione di rifiuti e reflui. Sono attualmente attive le seguenti linee di ricerca:

  • Applicazione di processi biologici avanzati e processi bioelettrochimici innovativi per il recupero di nutrienti dalle acque reflue agro-industriali e per il trattamento delle acque sotterranee multi-contaminate;
  • Valorizzazione di rifiuti organici per la produzione di energia e materiali a valore aggiunto secondo il concetto di bioraffineria, mediante processi integrati di tipo biochimico (fermentazione/digestione anaerobica/compostaggio) e termochimico (carbonizzazione idrotermica-HTC);
  • Metodi innovativi e sostenibili per il recupero di elementi critici da RAEE, rottami metallici o contenenti metalli, residui minerari e industriali;
  • Valorizzazione di rifiuti inorganici attraverso processi di sequestro minerale della CO2; 
  • Trattamento di terreni e sedimenti contaminati da metalli e inquinanti organici mediante soil/sediment washing, elettrocinesi, trattamenti biologici avanzati e sistemi bio-elettrochimici;
  • Phytoremediation e Phytomining di siti minerari dismessi.

Il laboratorio dispone di un’ampia gamma di reattori, progettati per studiare e ottimizzare processi di tipo biochimico, chimico, termochimico, bioelettrochimico, elettrochimico, applicati singolarmente o in combinazione. Tra le principali apparecchiature si annoverano:

  • Reattori biologici per il trattamento delle acque reflue e il recupero di nutrienti;
  • Celle a combustibile microbiche (MFCs), celle di elettrolisi microbica (MECs) e sistemi bioelettrochimici finalizzati al recupero energetico, al trattamento delle acque reflue e alla produzione di composti ad alto valore aggiunto;
  • Biosensore per la determinazione della tossicità acuta mediante batteri nitrificanti;
  • Setup sperimentale per test ecotossicologici con Daphnia magna;
  • Bioreattori automatizzati su scala di laboratorio e pilota per la valorizzazione aerobica e anaerobica di matrici organiche di scarto in fase liquida o in sospensione con recupero/produzione di biomateriali (ad es.: acidi organici, biopolimeri) e biocombustibili (ad es: biogas, bioidrogeno, alcoli) ad elevato valore aggiunto;
  • Sistema automatizzato per la determinazione della produzione potenziale di biogas (BMP);
  • Reattori di trattamento aerobico di matrici solide (rifiuti, terreni contaminati, sedimenti) a scala di laboratorio (sistema SAPROMAT) e pilota dotati di sistemi automatici di generazione di ossigeno;
  • Reattori su scala pilota per la digestione anaerobica di matrici ambientali solide;
  • Celle elettrochimiche per bonifica elettrocinetica ed elettrossidativa di terreni e sedimenti contaminati da inquinanti organici ed inorganici;
  • Reattori a colonna per la stima del rilascio in fase liquida da matrici solide di contaminanti inorganici ed organici, per la rimozione in fase aeriforme o la biodegradazione di contaminanti organici da terreni e sedimenti contaminati;
  • Reattori ad alta pressione e temperatura per la conversione termochimica di residui organici in ammendanti, fertilizzanti e adsorbenti e per il sequestro mineralogico della CO2;
  • Reaction station multifunzione a 4 posizioni indipendenti (MYA4 Radleys) con controllo software e registrazione dati per lo studio dei processi di lisciviazione e recupero dei metalli da scarti con scala investigata 50 – 250 mL;
  • Reattori di scale-up lisciviazione e recupero da 2 L, 5 L e 30 L, termoregolati, dotati di agitazione meccanica e sonda di pH, utilizzabili sottovuoto;
  • Granulatore a tamburo rotante per il sequestro mineralogico della CO2 e la produzione di aggregati leggeri a partire da residui inorganici;
  • Attrezzature per la coltivazione e la crescita di microrganismi e piante in condizioni controllate di temperatura, umidità e fotoperiodo;
  • Fitoreattori per lo sviluppo di tecnologie di fitorimedio e fitoestrazione.

Partner

CNR-IGAG – Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria