Development of a low-cost portable sensors toolbox for methane emissions quantification in landfills

This thesis focuses on environmental monitoring in landfills, with particular attention to the measurement of methane (CH₄), a greenhouse gas with high global warming potential which, together with other volatile compounds, is responsible for the atmospheric pollution potential of such facilities. Conventional monitoring techniques, such as the use of flow chambers coupled with FID detectors, are reliable but limited in terms of representativeness, cost and operational flexibility. Alternatively, the use of low-cost commercial gas sensors based on MOX and NDIR technologies is a possible solution to make monitoring more widespread and accessible. However, these devices require a rigorous selection and validation phase, both in the laboratory and in the field, to ensure their stability, sensitivity and reliability in complex environments such as landfills. This thesis focused on experimental work related to the characterisation of low-cost sensors for methane detection, using a dual strategy: laboratory testing under controlled conditions and following field tests. Several gas sensors were analysed to evaluate their performance in terms of response to different CH₄ concentrations, the effect of humidity, interference with other gases and signal repeatability. The laboratory tests were conducted using a mixing bench capable of providing calibrated mixtures with simultaneous control of relative humidity. Subsequently, the selected sensors were used in the field in a landfill located close to Milan. In this phase, it was possible to evaluate the response of the devices in real environmental conditions, subject to real and uncontrollable climatic conditions. The data collected were processed to identify any correlations between the signals and possible emission sources. The results obtained confirm the potential effectiveness of MOX sensors in detecting low concentrations of methane in complex environments, suggesting the opportunity to use them in portable systems for widespread environmental monitoring. The work represents a concrete contribution to the evaluation of the reliability of low-cost devices, proposing a replicable experimental approach for future applications in the environmental sector.

Questa tesi si concentra sul monitoraggio ambientale nelle discariche, con particolare attenzione alla misurazione del metano (CH₄), un gas serra con un elevato potenziale di riscaldamento globale che, insieme ad altri composti volatili, è responsabile del potenziale inquinamento atmosferico di tali strutture. Le tecniche di monitoraggio convenzionali, come l'uso di camere di flusso abbinate a rilevatori FID, sono affidabili ma limitate in termini di rappresentatività, costo e flessibilità operativa. In alternativa, l'uso di sensori di gas commerciali a basso costo basati sulle tecnologie MOX e NDIR è una possibile soluzione per rendere il monitoraggio più diffuso e accessibile. Tuttavia, questi dispositivi richiedono una fase di selezione e convalida rigorosa, sia in laboratorio che sul campo, per garantirne la stabilità, la sensibilità e l'affidabilità in ambienti complessi come le discariche. Questa tesi si è concentrata sul lavoro sperimentale relativo alla caratterizzazione di sensori a basso costo per il rilevamento del metano, utilizzando una doppia strategia: test di laboratorio in condizioni controllate e successivi test sul campo. Sono stati analizzati diversi sensori di gas per valutarne le prestazioni in termini di risposta a diverse concentrazioni di CH₄, effetto dell'umidità, interferenza con altri gas e ripetibilità del segnale. I test di laboratorio sono stati condotti utilizzando un banco di miscelazione in grado di fornire miscele calibrate con controllo simultaneo dell'umidità relativa. Successivamente, i sensori selezionati sono stati utilizzati sul campo in una discarica situata vicino Milano. In questa fase è stato possibile valutare la risposta dei dispositivi in condizioni ambientali reali, soggette a condizioni climatiche reali e incontrollabili. I dati raccolti sono stati elaborati per identificare eventuali correlazioni tra i segnali e le possibili fonti di emissione. I risultati ottenuti confermano la potenziale efficacia dei sensori MOX nel rilevare basse concentrazioni di metano in ambienti complessi, suggerendo l'opportunità di utilizzarli in sistemi portatili per il monitoraggio ambientale diffuso. Il lavoro rappresenta un contributo concreto alla valutazione dell'affidabilità dei dispositivi a basso costo, proponendo un approccio sperimentale replicabile per future applicazioni nel settore ambientale.