Dipartimento di Ingegneria meccanica, chimica e dei materiali

Aggiornato a gennaio 2020

Annalisa Vacca, laureata in Ingegneria Chimica e dottore di ricerca in Ingegneria Industriale, è professore associato nel settore scientifico-disciplinare CHIM/07. Svolge la sua attività didattica e di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali dell’Università di Cagliari. Dal 2006 è titolare del corso di Chimica al I anno per la Facoltà di Ingegneria.

Le attività di ricerca sono incentrate nel settore della ingegneria elettrochimica; in particolare gli studi riguardano sia aspetti fondamentali quali l’attività catalitica dei materiali elettrodici e l’individuazione dei meccanismi di reazione, sia aspetti applicativi quali la progettazione e caratterizzazione dei reattori elettrochimici.

Le principali applicazioni hanno finora interessato gli ambiti del risanamento ambientale e della conversione dell’energia.

Per quel che riguarda gli aspetti del risanamento ambientale sono stati studiati processi di rimozione di inquinanti organici tossici sia da acque reflue industriali sia da acque naturali. Sono stati testati  differenti tipi di materiali elettrodici con l’obiettivo di individuare, in relazione al tipo di inquinante e alla natura del materiale selezionato, i meccanismi di reazione coinvolti nel processo di rimozione. Utilizzando tecniche elettrochimiche quali voltammetrie e spettroscopie di impedenza è stato possibile analizzare i fenomeni che avvengono all’interfase elettrodo/soluzione.

Gli studi sulla rimozione degli inquinanti organici sono stati effettuati analizzando il comportamento di diversi materiali utilizzabili come elettrodi: inizialmente l’attenzione è stata rivolta verso elettrodi commerciali, a base di Ti/RuO2-IrO2, comunemente utilizzati come anodi negli impianti cloro-soda. La ricerca ha riguardato l’ossidazione del fenolo e dei suoi derivati clorurati, assunti come composti modello di sostanze tossiche verso gran parte dei microrganismi, anche in presenza di un substrato organico biodegradabile (glucosio ed acido aspartico).

Nello studio sono stati esaminati anche scarichi reali dei frantoi oleari che sono particolarmente ricche di fenoli e caratterizzate da un alto carico organico. Sia su soluzioni sintetiche che reali è stata constatata la riduzione della tossicità del refluo, suggerendo il possibile uso della tecnologia come pre-trattamento in un processo elettrochimico-biologico combinato. Con obiettivi analoghi ai precedenti, sono stati sperimentati elettrodi a base di diamante drogato al boro sui quali, per ossidazione dell’acqua, si ha la formazione di radicali OH debolmente adsorbiti che rendono il processo di ossidazione degli inquinanti organici in una sottile zona adiacente all’anodo rapido ed efficacie. E’ stata inizialmente studiata la degradazione ossidativa del fenolo, assunto come molecola modello di vari composti organici identificando i vari intermedi di reazione (idrochinone, benzochinone, acidi alifatici a basso peso molecolare) e sono stati valutati i valori del rendimento faradico e il grado di mineralizzazione sotto varie condizioni operative. Lo studio è stato poi esteso all’ossidazione su anodi di BDD di altri composti organici sia in soluzioni mono che multicomponente. L’efficacia del processo è stata anche testata su differenti classi di pesticidi sia triazinici che feniluree. E’ stata inoltre studiata l’applicazione dei metodi elettrochimici per la purificazione delle acque naturali, nelle quali gli inquinanti sono spesso presenti in concentrazioni molto basse. In particolare sono state sottoposte a purificazione acque contenenti tipici inquinanti da industria petrolchimica quali metil tret-butil estere (MTBE) e composti aromatici tipici quali benzene, toluene, etilbenzene e xileni (BTEX). In questo tipo di rimozione, oltre all’importanza del materiale elettrodico, è di fondamentale rilevanza la progettazione e caratterizzazione idrodinamica del reattore elettrochimico che consente di ottenere elevati coefficienti di trasferimento di materia necessari per l’abbattimento di inquinanti in tracce. Lo studio sperimentale è stato quindi affiancato alla modellazione matematica di reattori elettrochimici appositamente progettati in modo da  condurre proficuamente il trattamento anche nel caso di inquinanti in tracce.

Nell’ottica della applicazione di questi processi su scala reale, sono stati effettuatati anche studi sulla stabilità e tempo di vita dei materiali elettrodici non commerciali, consentendo di stabilire come e in quale misura eventuali variazioni strutturali indotte dal tempo di lavoro si ripercuotono sull’attività catalitica del materiale.

Attualmente su reattori elettrochimici con configurazione flow-by e flow-through si stanno testando rimozioni di microalghe sia da acque naturali che da acque marine. Il trattamento delle acque ad alta salinità potrebbe essere utile per applicare i reattori elettrochimici alle acque di sentina, consentendo di controllare efficacemente gli scarichi in mare delle navi di specie non indigene che rappresentano una minaccia alla salvaguardia della biodiversità costiera.

La ricerca nell’ambito della conversione dell’energia ha riguardato principalmente lo studio di elettrocatalizzatori efficaci sia per effettuare l’elettrolisi dell’acqua per l’ottenimento dell’idrogeno,  sia per l’utilizzo dell’idrogeno per la produzione di energia in celle a combustibile. Sono stati studiati diversi materiali catalitici verso la reazione redox dell’ossigeno, che rappresenta lo stadio limitante per entrambi i processi: per elettrolisi acide sono stati testati elettrodi a base di ossidi misti di iridio, stagno e titanio mentre per elettrolisi alcaline spinelli a base di cobaltiti e ferriti. Nel campo delle applicazioni alle fuel cells, lo studio riguarda la preparazione di catalizzatori che siano tolleranti al CO utilizzando Ru, Sn, Co e Fe combinati al Pt.

L’attenzione è stata quindi rivolta al foto-elettro-splitting dell’acqua:  la tecnica combina il processo di elettrolisi con quello di fotocatalisi per l’ottenimento dell’idrogeno utilizzando la radiazione solare a bassa temperatura. La ricerca riguarda la preparazione e caratterizzazione di elettrodi a base biossido di titanio sia in forma di polveri nanometriche che di strutture nanotubolari accresciute per via elettrochimica che presentano elevatissimo sviluppo superficiale ed elevate capacità fotoelettrocatalitiche.

Attualmente sono in fase di studio tecniche di modifica della superficie nanotubolare di biossido di titanio con composti organici che rendano gli elettrodi più efficaci nello sfruttare la parte di radiazione solare nel visibile. A tale scopo è stata utilizzata la reazione elettrochimica di riduzione di sali di benzendiazonio che consente un ancoraggio stabile, di tipo covalente, alla superficie della titania. Una volta legato l’anello benzenico al semiconduttore, si può sfruttare un opportuno sostituente per legare chimicamente il sensitizzante organico; con questa tecnica è  stato possibile legare agli elettrodi di TiO2 nanotubolare la cumarina-343 che migliora notevolmente le prestazioni foto elettrochimiche del materiale di partenza.

In modo analogo si stanno anche studiano le possibili modifiche di elettrodi d’oro e a base di silicio poroso mediante elettroriduzione del nitrobenzendiazonio; tale tecnica potrebbe essere impiegata come alternativa al self assembling monolayer ampiamente utilizzato per la preparazione di sensori. Sono stati preparati e caratterizzati una serie di elettrodi d’oro ottenendo delle etero-strutture stabili in grado di legare differenti composti organici, quali linker aldeidici o polianilina, adatti al successivo utilizzo come parte sensibile in un sensore biochimico.

I risultati del lavoro di ricerca sono stati oggetto di pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali e sono stati presentati ai principali congressi internazionali di Ingegneria Chimica ed Elettrochimica.

La sua attività di ricerca è documentata da 66 lavori pubblicati su riviste internazionali, 21 pubblicazioni su atti di conferenza con ISBN, un capitolo di libro e oltre 100 contributi a congressi nazionali ed internazionali.

DATI BIBLIOMETRICI (SCOPUS 2002-Gennaio 2020):

Articoli scientifici indicizzati: 70.

Citazioni: 1610;

H-index 22.

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