Vai al contenuto principale
Coronavirus: aggiornamenti per la comunità universitaria / Coronavirus: updates for UniTo Community
Oggetto:
Oggetto:

Chemodinamica ambientale

Oggetto:

Enviromental Chemodinamics

Oggetto:

Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN0258
Corso di studi
008510-103 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica dell'Ambiente e delle Tecnologie Avanzate
Anno
2° anno
Tipologia
C=Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
CHIM/12 - chimica dell'ambiente e dei beni culturali
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Mutuato da
http://chimicaambiente.campusnet.unito.it/do/corsi.pl/Show?_id=a678;sort=DEFAULT;search=;hits=11
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.

Oggetto:

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

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Orale

Oggetto:

Attività di supporto

 

 

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 di gas su solidi: classificazione e modelli; presenza di cappi di isteresi e condensazione capillare. Isoterme d’adsorbimento da sostanze in soluzione su solidi: classificazione e modelli. I suoli superficiali. Natura e proprietà dei suoli superficiali: proprietà chimiche e fisiche. I minerali: allumino silicati, ossidi e osso-idrossidi: strutture cristalline e proprietà. I componenti organici: sostanze umiche e loro proprietà. Equilibri fra suoli e fasi liquide o gassose: adsorbimento di molecole neutre (pesticidi, erbicidi, tensioattivi, antibiotici) Uso delle isoterme ai fini predittivi (caricamento e lisciviabilità dei terreni). 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. L'analogia tra legge di Fick, di Fourier e di Newton e introduzione dei numeri adimensionali Re, Sc, Pr. 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. Il trasporto nei laghi per avvezione e per diffusione turbolenta. La stratificazione verticale nei laghi. Il trasporto e la stratificazione negli estuari. Cenni sulla dispersione negli oceani. La sedimentazione nei fiumi e nei laghi. La biodegradazione aerobica: il modello di Michaelis – Menten per microrganismi singoli. Aggregati di microorganismi: la cinetica di accrescimento di Monod. I biofilms.  L'ossigeno disciolto nelle acque naturali. Il BOD ed il COD. La desossigenazione e la reaerazione di un corso d'acqua: il modello di Streeter e Phelps. Capacità di smaltimento di un corso d'acqua: definizione e calcolo approssimato. Trasporto all’interfaccia acqua-fasi pure poco solubili più dense dell’acqua: velocità di dissoluzione e tempo di permanenza da goccioline sospese e pozze libere o confinate sul fondo dei fiumi; trasporto combinato da pozze e goccioline. Trasporto di sostanze chimiche liquide con densità inferiore all' acqua rilasciate all'interfaccia aria-acqua: velocità di dissoluzione e di evaporazione e tempi di dimezzamento  L'ambiente sub-superficiale. Zona insatura e satura. Tavola d'acqua e frangia di capillarità. Falde acquifere libere e confinate. Testa idraulica. Gradiente idraulico e legge di Darcy: portata specifica, conduttività e permeabilità idraulica. Classificazione del materiale della falda: natura chimica, dimensioni, forme, omogeneità e impacchettamento. Determinazione della conduttività idraulica in laboratorio e in campo.   Il trasporto intrafase. La diffusione molecolare nella zona satura stagnante. 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. Gli aerosoli atmosferici e il trasporto a lungo raggio. Classificazioni, campionamento e composizione chimica.

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. Biofilms on the solid materials and transport  at water-biofilm interface.  Particulate matter. Long range transport. Classification, sampling and chemical composition.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile sul sito internet I testi base consigliati per il corso sono: L. J. Thibodeaux. Environmental Chemdynamics. Jhon Wiley and Sons, Inc., Second Edition (difficile, ricco di argomenti ma molto male organizzati ); B. E. Logan. Environmental Transport Process. Jhon Wiley and Sons, Inc. (difficile e abbastanza ben organizzato); H. F. Hemond, E. J. Fechner-Levy. Chemical Fate and Transport in the Environment. Academic Press. Second Edition. (facile, ma qualche argomento è trattato con troppa approssimazione)



Oggetto:

Note

Nessuna propedeuticità obbligatoria. Frequenza non obbligatoria, ma fortemente consigliata.

Oggetto:
Ultimo aggiornamento: 16/04/2015 15:14