Design and development of Innovative Instrumentation for Material Analysis and Environmental Protection

This doctoral research endeavors to tackle contemporary scientific and societal challenges by innovatively addressing material analysis and environmental remediation. The thesis systematically unfolds with Chapter 1 setting the context, motivations, and objectives. Chapters 2 through 5 detail the development of four groundbreaking instruments: a Multi-faceted Liquid Analyzer (Chapter 2), a Specific Surface Area Analyzer (Chapter 3), a Vehicle Emission Purifier (Chapter 4), and an Air Purifier (Chapter 5). Chapter 2 focuses on the design and development of an integrated instrument for multifaceted liquid analysis. The instrument, showcasing precision in measuring liquid density, surface tension, conductivity, and dielectric constant, proves reliable across various liquids. The Maximum Bubble Pressure Method (MBPM) is employed for surface tension analysis, exhibiting accurate results with minimal errors. Additionally, a comprehensive measurement system for assessing the conductivity and permittivity of liquids further enhances the instrument's versatility and reliability. Chapter 3 centers on the design of a surface area analyzer for powder samples based on the Brunauer, Emmett, and Teller (BET) technique. The automated instrument, constructed and tested with meticulous calibration, exhibits a remarkable accuracy rate of less than 0.1%. This surface area analyzer holds promise for experimental settings, offering precise measurements of conductivity and dielectric properties in various liquids. Chapter 4 introduces a novel device for removing particulate matter (PM) from vehicle exhaust gases, utilizing the detergent aerosol method. Validated through visual inspection and UV-visible spectroscopy, this device is especially suitable for diesel vehicles with substantial emissions. The study contributes valuable insights for automotive manufacturers and researchers, promoting environmentally friendly transportation systems. Chapter 5 details the design and development of a UV-assisted, multi-directional electric field-based air purifier. Demonstrating effectiveness in removing bacterial microorganisms from the air, this low-cost instrument holds promise for widespread use. The research findings collectively underscore the transformative potential of these instruments, not only advancing analytical capabilities but also contributing to cleaner and healthier environments. In conclusion, this interdisciplinary thesis presents a compelling narrative of innovation aligning scientific ingenuity with the urgent needs of a changing world. The introduced instruments hold significant promise in driving material science and environmental progress, paving the way for a more sustainable and cleaner future.

Questa ricerca dottorale si impegna a affrontare le sfide scientifiche e sociali contemporanee, affrontando in modo innovativo l'analisi dei materiali e la bonifica ambientale. La tesi si sviluppa sistematicamente, con il Capitolo 1 che imposta il contesto, le motivazioni e gli obiettivi. I Capitoli da 2 a 5 dettagliano lo sviluppo di quattro strumenti innovativi: un Analizzatore Liquido Multifunzionale (Capitolo 2), un Analizzatore di Superficie Specifica (Capitolo 3), un Depuratore di Emissioni Veicolari (Capitolo 4) e un Purificatore d'Aria (Capitolo 5). Il Capitolo 2 si concentra sul design e lo sviluppo di uno strumento integrato per l'analisi multifunzionale dei liquidi. Lo strumento, dimostrando precisione nella misurazione della densità, tensione superficiale, conducibilità e costante dielettrica dei liquidi, si dimostra affidabile su vari fluidi. Il Metodo della Massima Pressione di Bolle (MBPM) viene impiegato per l'analisi della tensione superficiale, mostrando risultati accurati con errori minimi. Inoltre, un sistema completo di misurazione per valutare la conducibilità e la permittività dei liquidi migliora ulteriormente la versatilità e l'affidabilità dello strumento. Il Capitolo 3 si concentra sul design di un analizzatore di superficie per campioni in polvere basato sulla tecnica di Brunauer, Emmett e Teller (BET). Lo strumento automatizzato, costruito e testato con calibrazioni meticolose, mostra un tasso di precisione notevole inferiore al 0,1%. Questo analizzatore di superficie promette in ambienti sperimentali, offrendo misurazioni precise delle proprietà di conducibilità e dielettriche in vari liquidi. Il Capitolo 4 introduce un dispositivo innovativo per la rimozione di particolato (PM) dai gas di scarico dei veicoli, utilizzando il metodo aerosol detergenti. Convalidato attraverso ispezioni visive e spettroscopia UV-visibile, questo dispositivo è particolarmente adatto per veicoli diesel con emissioni consistenti. Lo studio contribuisce con preziose intuizioni per produttori di veicoli e ricercatori, promuovendo sistemi di trasporto ecologici. Il Capitolo 5 dettaglia il design e lo sviluppo di un purificatore d'aria basato su un campo elettrico multidirezionale assistito da UV, testandone l'efficacia. Le conclusioni della ricerca forniscono forti prove che lo strumento sviluppato è altamente efficace nella rimozione di microorganismi batterici dall'aria. L'uso di un campo elettrico multidirezionale si dimostra più efficace rispetto a un dispositivo UV convenzionale. Il design semplice e il costo di produzione contenuto contribuiscono alla praticità e al potenziale utilizzo diffuso dell'strumento. In conclusione, questa tesi interdisciplinare presenta una narrazione accattivante di innovazione che allinea l'ingegno scientifico con le urgenti esigenze di un mondo in evoluzione. Gli strumenti introdotti promettono significativi progressi nella scienza dei materiali e nell'ambiente, aprendo la strada a un futuro più sostenibile e pulito