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Dottorato di Ricerca in Ingegneria dell'Energia, dei
Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni
Pisa, 12 Gennaio 2017
Riepilogo delle attività svolte
Candidato: Matteo MasiTitolo della tesi: “Electrokinetic remediation of heavy metal-contaminated marine
sediments: experiments and modelling”
Tutor: Prof. Ing. Renato Iannelli Correlatore: Prof. Alessio Ceccarini Ciclo: XXIX
Tema di Ricerca: Trattamento elettrocinetico di sedimenti marini contaminati: sperimentazione e modellazione numerica
Riassunto: L’obiettivo del presente lavoro di ricerca è stato quello di effettuare un’indagine riguardante la tecnica di decontaminazione elettrocinetica mirata ad approfondire alcuni aspetti specifici carenti o assenti nella letteratura scientifica quali il trattamento di sedimenti marini di dragaggio, l’applicazione della tecnica a scala pilota, la modellistica numerica del trasporto elettrocinetico, la validazione del modello in piena scala, l’individuazione di criteri progettuali, l’individuazione di tecniche alternative per il monitoraggio dei processi. Le attività sono svolte nell’ambito del progetto Europeo LIFE+ “SEKRET” (Sediment ElectroKinetic REmediation Technology for heavy metal pollution removal).
Descrizione delle attività. Nel corso del Dottorato sono state svolte le seguenti attività: 1. Prelievo di campioni di sedimenti dai fondali del porto di Livorno, mediante
campionatore manuale Van Veen.
2. Costruzione e messa a punto di un apparato sperimentale per prove di decontaminazione elettrocinetica a scala di laboratorio ed esecuzione di esperimenti. Progettazione e realizzazione di celle sperimentali in plexiglas. Implementazione del circuito idraulico di condizionamento degli elettroliti. Realizzazione di circuiti stampati per la misura del pH per mezzo di amplificatori di isolamento (isolati galvanicamente) per permettere il funzionamento dei pHmetri anche all’interno di un campo elettrico esterno. Realizzazione del sistema di controllo automatico del pH e sviluppo del software di controllo in
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ambiente LabVIEW. Implementazione del sistema di monitoraggio dei parametri elettrici e della resistività con datalogger. Esecuzione di test di elettrocinesi su sedimenti del porto di Livorno, variando agenti di condizionamento e durata del trattamento. Caratterizzazione del sedimento tramite estrazioni sequenziali presso i laboratori del CNR-ISE di Pisa. Sono state inoltre effettuate numerose prove batch per la determinazione delle proprietà del sedimento.
3. Sviluppo di un modello di trasporto reattivo 1D/2D per la simulazione dei processi elettrocinetici. È stato formulato un modello di trasporto basato sull’equazione di Nernst-Planck accoppiato con un modello geochimico. Nel modello sono stati presi in considerazione solo i fenomeni che sono riconosciuti come principali contributori alla decontaminazione di sedimenti marini. L’implementazione numerica è stata realizzata con COMSOL, MATLAB e PHREEQC. Il modello è in grado di simulare: (1) trasporto di specie chimiche per diffusione, elettromigrazione e elettroosmosi, (2) variazioni di pH indotte dal campo elettrico e dai reagenti utilizzati nel trattamento, (3) capacità tampone del sedimento, (4) adsorbimento dei contaminanti sulla matrice solida del sedimento, (5) formazione/dissoluzione di complessi e precipitati solidi e l'interazione tra le specie chimiche, (6) intensità del flusso elettroosmotico. I parametri del modello sono stati derivati da letteratura o calibrati tramite prove di laboratorio. Si è inoltre messa a punto una procedura innovativa per la stima del flusso elettroosmotico in funzione del pH del sedimento.
4. Sviluppo di un modello per la simulazione della miscelazione di flussi per l’ottimizzazione del consumo di reagenti durante la decontaminazione elettrocinetica. È stato sviluppato un modello dinamico che consente di simulare l'effetto della miscelazione degli elettroliti durante l'applicazione del campo elettrico. Il modello calcola la risposta transitoria e stazionaria del sistema in funzione della portata di ricircolo degli elettroliti. Il sistema è modellato come una serie di reattori a flusso continuo completamente miscelato (CSTR), che sono utilizzati per descrivere l’evoluzione del pH in tutti i punti del sistema. L’implementazione numerica è stata realizzata con MATLAB/Simulink. La validazione del modello è stata effettuata mediante esperimenti di laboratorio. Il modello e i risultati sperimentali hanno permesso di individuare le condizioni operative specifiche che possono essere adottate per la gestione ottimale di un impianto in scala reale in modo tale da minimizzare il consumo dei reagenti. 5. Contributo alla progettazione di un impianto di trattamento elettrocinetico di
sedimenti a scala pilota di capacità 150 m3 e attività sperimentale sul campo.
Dimensionamento finale dell’impianto pilota. Determinazione delle quantità di reagenti necessarie per il condizionamento e delle portate nel circuito idraulico. Dimensionamento del sistema di trattamento delle emissioni gassose. Definizione delle procedure per la costruzione e installazione dell’impianto.
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Definizione delle strategie di gestione e controllo dell’impianto. Conduzione di attività sperimentali sul campo.
6. Sviluppo di un sistema per tomografie di resistività elettrica per la caratterizzazione delle variazioni delle proprietà elettriche del materiale sottoposto a trattamento elettrocinetico. Realizzazione di un sistema per la misura della resistività con array multi-elettrodo per misure in campo. L’acquisizione dei dati è effettuata tramite un datalogger. Il software di acquisizione e controllo della strumentazione è stato sviluppato appositamente. La ricostruzione dell’immagine tomografica 2D è stata ottenuta con algoritmi di inversione open source (IP4DI) opportunamente adattati al caso preso in esame. 7. Partecipazione a convegni nazionali ed internazionali:
SiCon 2014. Workshop su: Siti Contaminati. Esperienze negli interventi di risanamento. Brescia, 6-8 Febbraio 2014.
3rd International Workshop on Induced Polarization. 6 – 9 April 2014
(Oléron Island, France).
13th Symposium on Electrokinetic Remediation. (EREM 2014), September
7-10, 2014 – Malaga, Spain.
SiCon 2015. Workshop su: Siti Contaminati. Esperienze negli interventi di risanamento. Taormina, 5-7 Febbraio 2015.
14th International Conference on Environmental Science and Technology
(CEST2015). Rodi, Grecia. 3-5 Settembre 2015.
European Geoscience Union, General Assembly 2016 (EGU 2016). Vienna, 17-22 Aprile 2016.
X Simposio Internazionale di Ingegneria Sanitaria Ambientale (SIDISA 2016). Roma, 19-23 Giugno 2016.
8. Partecipazione a corsi, seminari e altro:
Corsi organizzati dall’Università di Pisa: Probabilità, statistica e processi stocastici (Flandoli). Calcolo Numerico (Prof. Gemignani), English for Research Papers (Adrian Wallwork), Elettrochimica (Valentina Domenici).
National Instruments LabVIEW Real-Time, Roma 16-17 Giugno 2014. National Instruments LabVIEW Core 3, corso online con istruttore, 15-18
Luglio 2014.
Seminario COMSOL Multiphysics, Firenze 16 Dicembre 2014. Vari webinar COMSOL Multiphysics online con istruttore. Seminario MODELICA presso il DESTEC il 21/1/2015.
Preparazione stand per l’evento BRIGHT – La Notte dei Ricercatori 2015, venerdì 25 settembre 2015, Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale, Pisa.
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9. Partecipazione a summer school: Summer school on Contaminated Soils. Université Paris-Est Marne-la-Vallée. Champs-sur-Marne, Francia, 29 Giugno – 3 Luglio 2015.
10. Attività di tutorato di Tesi di Laurea Triennale e Magistrale:
Rosario Milazzo. “Trattamento elettrocinetico di sedimenti marini contaminati: progetto di una installazione sperimentale”, relatore Prof. R. Iannelli. Settembre 2014. Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Idraulica, dei Trasporti e del Territorio.
Andrea Romani. “Metodi elettrocinetici applicati alla decontaminazione di sedimenti marini” relatore Prof. A. Ceccarini. Ottobre 2014. Corso di Laurea Triennale in Chimica.
Simona Scarpellini. “Applicazione di tecniche elettrocinetiche alla decontaminazione di sedimenti di dragaggio”, relatore Prof. A. Ceccarini. Settembre 2015. Corso di Laurea Magistrale in Scienze Ambientali. Mirco Martelli. “Gestione degli elettroliti nella decontaminazione
elettrocinetica di sedimenti marini”. Relatore Prof. R. Iannelli. Giugno 2016. Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Idraulica, dei Trasporti e del Territorio.
Filippo Gori. “Controllo e trattamento delle emissioni gassose di un impianto di decontaminazione elettrocinetica di sedimenti marini”. Relatore Prof. Iannelli. In corso. Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Idraulica, dei Trasporti e del Territorio.
Pubblicazioni su rivista
Masi M., Ceccarini A., Iannelli R. Multispecies reactive transport modelling of electrokinetic remediation of harbour sediments. JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS, vol. 326; p. 187-196, ISSN: 0304-3894, doi: 10.1016/j.jhazmat.2016.12.032 Masi M., Iannelli R., Losito G. (2016). Ligand-enhanced electrokinetic remediation of metal-contaminated marine sediments with high acid buffering capacity. ENVIRONMENTAL SCIENCE AND POLLUTION RESEARCH INTERNATIONAL, vol. 23; p. 10566-10576, ISSN: 0944-1344, doi: 10.1007/s11356-015-5563-7
Iannelli R., Masi M., Ceccarini A. (2016). Gestione e trattamento degli elettroliti nella bonifica elettrocinetica di matrici contaminate da metalli pesanti. INGEGNERIA DELL'AMBIENTE, vol. 3; p. 140-152, ISSN: 2420-8256, doi: 10.14672/ida.v3i2.466
Iannelli R., Masi M., Ceccarini A., Ostuni M.B., Lageman R., Muntoni A., Spiga D., Polettini A., Marini A., Pomi R. (2015). Electrokinetic remediation of metal-polluted marine sediments: experimental investigation for plant design. ELECTROCHIMICA ACTA, vol. 181; p. 146-159, ISSN: 0013-4686, doi: 10.1016/j.electacta.2015.04.093
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Masi M., Losito G. (2015). Spectral induced polarization for monitoring electrokinetic remediation processes. JOURNAL OF APPLIED GEOPHYSICS, vol. 123; p. 284-294, ISSN: 0926-9851, doi: 10.1016/j.jappgeo.2015.08.011
Masi M., Iannelli Renato (2015). Trattamento elettrocinetico di sedimenti di dragaggio portuale contaminati da metalli pesanti: il progetto life+ "SEKRET". INGEGNERIA DELL'AMBIENTE, vol. 2; p. 45-58, ISSN: 2420-8256.
Masi M., Losito G. (2014). Decontaminazione elettrocinetica di sedimenti marini. ECO, vol. 28; p. 58-61, ISSN: 2283-5377
Atti di convegno
Masi M., Ceccarini A., Iannelli R. (2016). Numerical modelling of electrokinetic extraction of heavy metals from harbour sediments. In: Book of abstracts. SIDISA 2016. X International Symposium on Sanitary and Environmental Engineering. Roma, 19/06/2016 - 23/06/2016, ROMA: Università La Sapienza, p. 254-255, ISBN/ISSN: 978884963911
Iannelli R., Masi M., Ceccarini A. (2016). Decontaminazione elettrocinetica di
sedimenti marini in vasca di colmata: risultati preliminari di un'applicazione
pilota. In: Atti del convegno RemTech 2016. Ferrara, 21/09/2016 - 23/09/2016
Iannelli R., Masi M., Ceccarini A. (2016). Gestione e trattamento degli elettroliti nella bonifica elettrocinetica di matrici contaminate da metalli pesanti. In: Siti contaminati. Esperienze negli interventi di risanamento. Brescia, 11/02/2016-13/02/2016, CATANIA: Edizioni CSISA, p. 555-572, ISBN/ISSN: 88-7850-017-8Masi M., Paz García J. M., Gómez-Lahoz C., Ceccarini A., Iannelli R. (2016). How
do reaction kinetics affect electrokinetic remediation modelling results?. In: Book
of Abstracts for the EREM 2016 Conference. p. 37-39, Abu Dhabi, United Arab
Emirates, 05/09/2016
Masi M., Ceccarini A., Iannelli R. (2016). Reactive-transport modelling of
electrokinetic extraction of heavy metals from marine sediments. In: Book of
Abstracts for the EREM 2016 Conference. p. 27-31, Abu Dhabi, United Arab
Emirates, 05/09/2016
Masi M., Ceccarini Alessio, Iannelli Renato (2016). Resistivity imaging during electrokinetic remediation of sediments: practical challenges in the field. In: Geophysical Research Abstracts. Vienna, Austria, 17/04/2016 - 22/04/2016, European Geosciences Union, vol. 18, p. 1-1
Masi M., Ferdos F., Losito G., Solari L. (2016). Development of an Arduino-based electrical impedance tomography system with application to dam internal erosion
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detection. In: Geophysical Research Abstracts Vol. 18. Vienna, Austria, 17/04/2016 - 22/04/2016, Monaco: European Geosciences Union, vol. 18, p. 1-1
Iannelli R., Masi M., Corti A., Ceccarini A. (2015). Mixing electrolytes during electroreclamation of marine sediment for optimized reagent consumption. In: Proceedings of the 14th International Conference on Environmental Science and Technology. Rhodes, Greece, 03/09/2015 - 05/09/2015. Global Network for Environmental Science and Techn, p. 271-, ISBN/ISSN: 978-960-7475-5
Masi M., Ceccarini A., Iannelli R. (2015). Modelling heavy metal trasport and geochemical effects during marine sediment electroremediation. In: Proceedings of the 14th International Conference on Environmental Science and Technology. Rhodes, Greece, 03/09/2015 - 05/09/2015. Global Network for Environmental Science and Techn, p. 272-, ISBN/ISSN: 978-960-7475-52-7
Iannelli R., Masi M., Ceccarini A., Pomi R., Polettini A., Marini A., Muntoni A., Spiga D., Neri S., Lageman R. (2015). Design of a pilot electrokinetic remediation plant for marine sediments contaminated by heavy metals. In: WASCON2015. Resource Efficiency in Construction. Book of extended abstracts. Santander, 10/06/2015 - 12/06/2015, p. 174-181, ISBN/ISSN: 978-84-606-8423-7
Iannelli R., Masi M., Ceccarini A., Muntoni A., Spiga D., Polettini A., Marini A., Pomi R. (2015). Progettazione di un impianto di rimozione elettrocinetica di metalli pesanti da sedimenti di dragaggio portuale. In: Siti contaminati. Esperienze negli interventi di risanamento. Taormina (ME), Italia, 5-7 Febbraio 2015, p. 193-210, ISBN/ISSN: 8878500151
Iannelli R., Masi M., Ceccarini A., Pomi R., Polettini A., Marini A., Muntoni A., De Gioannis G., Ostuni M. B., Lageman R. (2014). Design of a pilot electrokinetic remediation plant for marine sediments contaminated by heavy metals (Project LIFE12 ENV/IT/442 "SEKRET"). In: Electrokinetic Remediation (EREM2014). Malaga, Spain, September 7-10, 2014, ISBN/ISSN: 846970768X
Masi M., Ceccarini A., Ostuni M. B., Lageman R., Iannelli R. (2014). Monitoring electrokinetics by geophysical methods: preliminary laboratory investigations. In: Electrokinetic Remediation (EREM2014). Malaga, Spain, September 7-10, 2014, ISBN/ISSN: 846970768X
Masi M., Losito G. (2014). Spectral induced polarization for monitoring electrokinetic remediation processes. In: Proceedings of the 3rd International Workshop on Induced Polarization. Ile d’Oléron, France, 6 - 9 April 2014, p. 26-27
Masi M., Iannelli R. (2014). Trattamento elettrocinetico di sedimenti di dragaggio portuale contaminati da metalli pesanti: il progetto LIFE+ "SEKRET". In: Siti contaminati. Esperienze negli interventi di risanamento. Brescia, Italia, 6-8 Febbraio 2014, p. 407-415, ISBN/ISSN: 8878500143.
