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I Principi della Chimica / Ingegneria Verde (un Contributo Importante alla Sostenibilità) Prof. Attilio Citterio Dipartimento CMIC “Giulio Natta” http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/
School of Industrial and Information Engineering Course 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
Attilio Citterio
La Chimica Permea le altre Scienze!
Chimica
Scienza della Salute
Matematica Informatica
Astronomia
Fisica
Cultura Materiali
Geologia
(micro)biologia biotecnologia
Scienze Ambientali
Farmacia
“sostenibilità intrinseca"
Attilio Citterio
La Chimica è Dovunque
http://www.chemistryandyou.org/
Abbigliamento ; 6,3 Agricoltura; 6,4
Elettronica; 3,9
Macchine d'ufficio; 0,7
Macchine Industriali; 1,9
Prodotti metallici; 2,5
Servizi; 16,4
Resto produzione; 6,1
Costruzioni; 5,4 Trasporti; 5,3
Carta e Stampa; 4,5
Prodotti di consumo; 30,3
Resto dell'industria; 10,3
Attilio Citterio
Evoluzione delle Quote di Produzione Chimica Mondiale (% sul valore della produzione)
4
2005 2010 2015
Unione europea 28% 21% 15%
USA 22% 16% 15% Cina 12% 24% 40% Altri 38% 39% 31%
69% 54%
41%
31% 46%
59%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Emergenti
Avanzati
-15 -13
2005 2010 2015
Attilio Citterio
Industria Chimica: Scenario Mondiale e Europeo
Distribuzione geografica della produzione chimica dell’UE (miliardi di euro, anno 2015)
UE = 520 miliardi di euro
148
74
52
Germania Francia
Italia Regno Unito Paesi Bassi
Spagna
Belgio
Austria 13
Polonia 11 Irlanda 9 Svezia 8 Finlandia 8
Rep. Ceca 6 Ungheria 6
Altri 22
45 42
39 37
Distribuzione geografica della produzione chimica mondiale (miliardi di euro, anno 2015)
Note: Europa = UE e non UE (Russia, Turchia, Svizzera, Norvegia, Ucraina) Resto Asia = Asia esclusi Cina, Giappone e Corea del Sud
Il dato dei Paesi Bassi include molte attività puramente commerciali
Mondo = 3.534 miliardi di euro
Resto Giappone Asia Cina Europa USA America
Latina Corea Altri del Sud
1.409
615 519
136 135 108
497
115
http://www.federchimica.it/docs/default-source/la-chimica-in-cifre/l'industria-chimica-in-cifre_giugno-2017.pdf
Attilio Citterio
L'Industria Chimica Europea (2016)
Numero di aziende 28,221
Turnover €520.2 miliardi
Occupazione diretta 1,155,000
Spese per R&D €9.14 miliardi
Attilio Citterio
Dimensioni della Chimica in Italia, anno 2016 (miliardi di euro, salvo diversa indicazione)
7
Imprese (numero)
Occupati (migliaia)
Investimenti
Spese R&S
Industria Chimica
Chimica e Farmaceutica
Produzione Esportazioni Importazioni Saldo commerciale
Domanda Interna
Incidenza sull’industria manifatturiera Fatturato Export
51,6 27,5
34,6
-7,1 58,6
2.810 108,1
1,7 0,5
3.256 172,1
2,8 1,2
81,6 48,8
57,4
-8,6 90,2
6% 7%
9% 12%
Note: spese R&S e investimenti, ultimo anno disponibile 2014 Fonte: Federchimica / elaborazioni e stime su Istat
Germania 28,5%
Francia 14,3%
Belgio 7,0% Spagna 7,5%
Paesi Bassi 8,0%
Regno Unito 8,7% Italia
10,0%
Altri 16,0%
Attilio Citterio
Mercato dei Prodotti Chimici - Mondo
• Il fatturato del mercato mondiale di prodotti chimici è stimato in €3,156 miliardi nel 2015 e cresce del 2.4%.
• Il tasso di crescita delle vendite è stato decisamente più ridotto rispetto al tasso decennale, (10.3 per cento dal 2003 al 2012)
• L'industria chimica EU è seconda, assieme al NAFTA nelle vendite totali, ma ha una crescita inferiore a quella dell'Asia e del NAFTA.
Attilio Citterio
Processi di Direzione Tecnologica
27. Audit Post-
Progetto
Azienda
R&D Centrale
Unità Produttiva
4. Sviluppo
Nuovi BU (Corp) 1.
Monitoraggio Ambientale
(corp.)
2. Strategia Attività (corp.)
3. Strategia
Tecnologica (Corp)
12. Alleanza
Tecnologica Mgt
8. Strategia Produttiva
(BU) 7. Monitoraggio Ambientale
(BU) 9. Strategia
Tecnologica (BU)
13. Portafoglio
Prodotti Mgt (BU)
12. Pianificaz. Prodotto
(BU)
5. Monitoraggio Ambientale
(R&D)
6. Strategia
Tecnologia (R&D)
19. Ideazione
20. Fattibilità
21. Scelta
Iniziale progetto
22. Esecuzione
Progetto
25. Supporto
Post- progetto
26. Adozione
Tecnologie
16. Capitali
15. Personale
Mgt
17. Perform.
Mgt
18. Proprietà
Intellettuale Mgt
23. Valutazione necessita tecnologia
14. Portafoglio
R&D (Mgt)
24. Trasferim.
Tecnologia
11. Percorso
Tecnologico (BU)
Attilio Citterio
La Chimica Contribuisce su Tre Livelli allo Sviluppo Sostenibile
La chimica può contribuire su tre livelli allo sviluppo sostenibile:
1. Fornitura di prodotti chimici che procurano ed assicurano ricchezza sociale ed economica.
2. Conservazione delle risorse sviluppando: a. Processi chimici più efficienti b. Fonti rinnovabili di energia c. Prodotti chimici che aumentino significativamente l’efficienza dei
processi di produzione e dei prodotti in altre aree, d. Prodotti che permettano ai consumatori di usare le risorse più
efficientemente, e. Prodotti creati per progettazione basata sul concetto di riciclo, e f. Prodotti derivati da risorse rinnovabili.
3. Gestione delle risorse, sostanze e materiali in modo salubre e ambientalmente compatibile.
M. S. Reisch, Chem. Eng. News 79(36), 17 (2001).
Attilio Citterio
Numero Stimato di Composti Chimici (stime EPA e UE, 2010)
Numero di Composti Chimici:
Composti Chimici in Commercio:
Composti Chimici Industriali:
Nuovi Composti Chimici:
Pesticidi:
Additivi Alimentari:
Ingredienti Cosmetici:
Farmaci per l’uomo:
28,000,000
10,000,000
240,000
3-4,000
800
9,500
8,500
3,500
(in milioni di prodotti)
/anno
(in 21,000 prodotti)
(in 50,000 prodotti)
• Limitando la sintesi strettamente alla combinazione di 30 atomi di C, N, O, o S, sono possibili più di 1060 strutture diverse !
• Espandendo gli elementi disponibili ad altri eteroatomi (quali, P e alogeni), i limiti al numero di possibili strutture supera l’immaginazione. Il tutto è anche noto come “spazio chimico”
Attilio Citterio
Il Mercato Chimico in Europa
• L'industria chimica
abbraccia virtualmente tutti i settori della economia e le sue strategie impattano direttamente sugli utilizzatori a valle.
• I grandi utilizzatori di prodotti chimici sono i settori gomma e plastica, costruzioni, carta, e l'industria automobilistica.
Attilio Citterio
Struttura della Chimica Organica Industriale
Fonte Naturale
Materie prime
Materiali di Base
Intermedi e Monomeri
Prodotti Chimica Fine e Polimeri
Separazione
Trasformazione
Funzionalizzazione
Sintesi
Attività generica Numero approssimato di Sostanze
3
10
50
500
70000
Attilio Citterio
Petrolio come Fonte di Composti Chimici Organici di Base ed Intermedi
Fonte:[EC DGXI, 1993 #8
Industria del Gas Naturale
Raffina-zione
petrolio
Materia prima Etano Propano Butano Nafta Gasolio Greggio
‘Olefine’ di Raffineria
Benzine da Pirolisi
Riformato
Nafta/LPG
Gas Naturale
Cracker Etilene
Industria di lavorazione Idrocarburi
Industria Petrochimica di base
Pretrattamenti per benzine da
pirolisi
Singas per Ammoniaca
Singas per Metanolo
Estrazione e Conversione
Aromatici
Sintesi di Ammoniaca
Sintesi del Metanolo
Separazione Etilene/
Propilene
Separazione/ Conversione
Butadiene
Composti Chimici di Base
Olefine Etilene Propilene Butadiene
Aromatici Benzene Toluene Xilene
Prodotti Singas Ammoniaca Metanolo
Attilio Citterio
Percorsi nell’Industria Chimica Organica
La figura a lato illustra la complessità dell’industria chimica, mostrando la varietà dei prodotti che si ottengono dalle materie prime idrocarburiche. Molti prodotti sono intermedi per il resto dell’industria chimica e hanno un uso limitato come tali. Come conseguenza di questa complessa sintesi a stadi di prodotti, si ha raramente unità singole di produzioni destinate ad un solo prodotto. Al contrario, le installazioni chimiche sono di norma unità grandi, altamente integrate che combinano molti impianti diversi. I Prodotti in questi stadi sono detti “Commodity Organic Chemicals”.
Attilio Citterio
La Produzione Chimica Globale Raddoppia Ogni 25-Anni
0
100
200
300
400
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
Indice di produzione = 131 nel 2006, base 1997 = 100
Indice di produzione = 231 nel 2022, base 1997 = 100
Attilio Citterio
Ma ….. Incidenti Rilevanti: Passato e Recente!!
BASF, • Oppau/Ludwigshafen, 21 Settembre 1921 • Cratere di: 80 m di diametro, • e 16 m di profondità • 450 morti
AZF, Tolosa, • 21 Settembre 2001 • Cratere di 50 m di diametro, e 10 m di profondità • 29 morti
Attilio Citterio
Disastri Ambientali
Domenica 10 Luglio 1976 alla ICMESA saltò il disco di rottura di un reattore chimico. Il servizio di manutenzione sentì un sibilo intenso e si vide uscire una nube di vapore da un'apertura nel tetto. Dal sito si prigionò una densa nube bianca di notevole altezza. Il rilascio durò 20 minuti. Circa un'ora dopo il rilascio gli operai furono in grado di immettere acqua di raffreddamento nel reattore. Dalla nube bianca rilasciata si depositarono delle sostanze tra cui la TCCD, un materiale aromatico clorurato molto tossico. La vicina citta di Seveso, distante 25 km da Milano, aveva circa 17,000 abitanti. Non si ebbero morti attribuiti alla TCCD ma molti individui si ammalarono. Numerose donne incinte esposte al rilascio subirono aborti. Nell'area contaminata vari animali morirono.
TCCD = 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina
Attilio Citterio
Risorse
Rinnovabile Non rinnovabile
Energia Solare
Aria, Vento
Suolo, Piante
Acqua, Maree, Correnti
Comb. Fossili Petrolio Carbone Gas Naturale
Minerali non metallici Sali Fosfati
Minerali metallici Ferro Rame Alluminio
Risorse = Materia Ottenuta dall’Ambiente (vivente o non) per Soddisfare i Bisogni Umani
Attilio Citterio
Risorse Non Rinnovabili e Rinnovabili
Risorse Non Rinnovabili: Quelle che sono estratte dalla terra
Dell’energia è necessaria per: estrarre e lavorare le risorse in una
forma utilizzabile acquisire le risorse lavorate e
convertirle in una forma utilizzabile
Risorse Rinnovabili: quelle che vengono rigenerate nei cicli naturali:
• derivate da organismi viventi (piante, animali)
• derivanti da cicli biogeochimici veloci (acqua, CO2, suolo)
Attilio Citterio
Economie di Transizione Resto del mondo
Paesi Industrializzati Paesi Asiatici Sviluppati
51%
24%
15%
10%
38%
32%
19%
11% 46
% 27%
16%
11%
2010 Totale 11.9 GTep
2020 Totale 14.8 GTep
2000 Totale 9.6 GTep
Consumo Mondiale di Energia per Area Geografica
GTOE = Giga-ton di petrolio equivalente
Attilio Citterio
E’ Essenziale che Chimici, Ingegneri e Pubblici Amministratori Prestino
Maggiore Attenzione alle Conseguenze Ambientali dei Prodotti Chimici e dei Processi ed Attività Correlate con cui
questi Prodotti sono Realizzati
Nuova Sensibilità
Non si deve dimenticare la nostra impronta chimico-ecologica
Attilio Citterio
La Percezione in Evoluzione della Chimica
Prodotti a valore aggiunto da quasi tutte le materie prime .
“Scienza dell'utile”
“Scienza centrale”
“Scienza Integrativa”
“Scienza della Sostenibilità”
La comprensione molecolare dei processi biologici e della materia chimica
Pianeta con carenza di risorse
Attilio Citterio
Risorse Illimitate
Componente Ecosistema
Degradazione illimitata a scarto
Tipo I
Scarti Limitati
Componente Ecosistema
Componente Ecosistema
Componente Ecosistema
Energia e Risorse Limitate
Tipo II
Componente Ecosistema
Componente Ecosistema
Componente Ecosistema
Energia e Risorse Limitate
Tipo III
Ecologia Industriale (Obiettivi)
Attilio Citterio
Valorizzazione della Catena di Sostenibilità
Tecnologia
Progettazione / produzione
Distribuzione / vendite
Uso / consumo
Infrastruttura Sociale
Discarica / riciclo
Consapevolezza Pubblica
Adatto smaltimento
Riuso
Uso
Informazione
Ambiente Naturale
Materiali
Parti
Prodotti
Sistema
Riuso
Uso
Uso
Fonti: Kitakyuchu Ecotown, 2001
Riciclaggio
Attilio Citterio
”Dalla nascita alla morte”
Impatti su: • Salute umana • Ecosistemi • Risorse
Valutazione del Ciclo di Vita
Attilio Citterio
Pensare in base al Ciclo di Vita
Pensare in Base al Ciclo di Vita
Supporto alle Decisioni di Sostenibilità
Il processo di tener conto nel prendere decisioni, per quanto possibile, di tutte le implicazioni su risorse, consumi, ambiente, salute, socialità e economia che sono associate al ciclo di vita di un prodotto (bene o servizio), considerando per es. l’estrazione delle risorse, la produzione, l’uso, il trasporto, il riciclo e lo smaltimento dei rifiuti. Questo processo aiuta a evitare lo "spostamento del danno", cioè degli impatti o del consumo delle risorse, fra le fasi del ciclo di vita, aree geografiche, e problemi ambientali e di salute umana, quali il Cambiamento Climatico, lo Smog Fotochimico, le Piogge Acide, ecc..
Attilio Citterio
Pensare in Termini di Ciclo di Vita
Pensare in termini di ciclo di vita amplia la prevenzione dell’inquinamento con l’inclusione del ciclo di vita completo del prodotto e della sostenibilità. Ridurre le fonti nella prospettiva del ciclo di vita equivale al rispetto dei principi di “eco-design” o alla cosiddetta “filosofia delle 6 R”:
• Ri-pensare il prodotto e le sue funzioni. Si possono usare i prodotti più efficientemente, riducendo così l’uso di energia e di altre risorse naturali.
• Ri-durre i consumi di energia e materiali via analisi del ciclo di vita. • Ri-mpiazzare sostanze pericolose con alternative ambientalmente
più compatibili. • Ri-ciclare. Scegliere i materiali che si possono riciclare, e fabbricare
il prodotto per poterlo disassemblare facilmente per riciclarlo. • Ri-usare. Progettare il prodotto in modo da riusarne le parti. • Ri-parare. Rendere il prodotto facile da riparare in modo da evitare
di doverlo sostituire.
Attilio Citterio
Prodotti più Sostenibili (EPP) - Scelti Combinando Standard Esistenti
Contenuto Riciclato
Parte organica
Basse emissioni
Efficienza energetica
Biodegradabile
Bassa/0 tossicità
Focalizzato su: Attributi Prodotto : • Contenuto prodotto • Profilo emissioni • Caratteristiche
Prestazioni
EPP
Ambientalmente preferibile, Ben condotto, Sostenibile
Focalizzato su: Processo:
• Energia • Consumi • Fonti d'origine • Generazione
di scarti • Emissioni in
aria e acqua
Energia Rinnovabile
ISO 14000
ISO 9000
LCI/LCA
GHG
Attilio Citterio
Chimica Verde: Spinte Socio-Economiche
Inaccettabile impatto ambientale da processi chimici inefficienti e prodotti pericolosi
Contorno Olistico Minimizzare
scarti e sottoprodotti
migliorare l'ambiente, salute
e sicurezza
relazioni e attitudini pubbliche
migliorate
Risorse rinnovabili
Efficienze energetiche migliorate
Tecnologie sostenibili
Attilio Citterio
Ecologia industriale = scienza della sostenibilità con enfasi sull’attento uso e riuso delle risorse
Chimica verde e sostenibile = scienza delle trasformazioni chimiche connesse allo sviluppo di processi e prodotti per ridurre o eliminare le sostanze pericolose e usare efficientemente le risorse,
Ingegneria Verde e Sicurezza Intrinseca = Scienza rivolta alla riduzione/ eliminazione dei pericoli associati ai materiali usati e alle operazioni di trasformazione, con inserimento permanente ed inseparabile nei processi industriali.
Ecologia industriale
Sviluppo sostenibile
(DfE) Progettazione per l’ambiente
Chimica Sostenibile Ingegneria sostenibile
Ecologia Industriale - Chimica per la Sostenibilità - Sicurezza Intrinseca – Ingegneria per la Sostenibilità
Attilio Citterio
Il punto cruciale dei nuovi approcci è il concetto di progettazione ‘design’. E’ un principio fondamentale che i prodotti e processi siano progettati per realizzare una funzione eco-compatibile. Il 70% dei costi di sviluppo, produzione ed uso di un prodotto è determinato nella fase iniziale di progettazione. Ciò rende ‘la progettazione per l’ambiente’ un fattore determinante critico della competitività di un prodotto.
Inizio Costi
R&D, Progettazione Produzione
Tempo
- Costo - Uso risorse - Emissioni - Residui
€, kWh, kg
La fase di progettazione fornisce la massima flessibilità nel scegliere le materie prime, le trasformazioni da adottare e i relativi processi. Per poter progettare, bisogna essere in grado di analizzare, caratterizzare, valutare e manipolare sufficientemente il prodotto per raggiungere le finalità cui si mira.
decisione
Progettazione per l’Ambiente (DfE)
Attilio Citterio
CHIMICA VERDE (PER LA SOSTENIBILITA')
DEFINIZIONE (“Americana”) La Chimica Verde è l’utilizzo di un insieme di principi atti a
ridurre o eliminare l’uso o la generazione di sostanze pericolose nella progettazione, manifattura ed applicazione dei prodotti chimici *.
E’ una filosofia che si applica a tutte le aree della chimica, non ad una singola disciplina della chimica.
LA CHIMICA SOSTENIBILE SI INTERESSA DI: • Minimizzazione degli scarti, riduzione dell’uso di Energia e Risorse • Riciclo di prodotti e materiali (uso di Catalizzatori anziché Reagenti) • Applica soluzioni scientifiche innovative a problemi ambientali del mondo
reale (previene l’inquinamento a livello molecolare) • Riduce gli impatti negativi di prodotti e processi chimici sulla salute
umana e sull’ambiente • Progetta prodotti e processi chimici per ridurre il pericolo intrinseco.
* Green Chemistry Theory & Practice, P T Anastas & J C Warner, Oxford University Press 1998
Attilio Citterio
Definizione “Europea”
“La Chimica Sostenibile (Verde) mira a raggiungere significativi miglioramenti nella eco-efficienza dei prodotti, servizi e processi chimici, in modo da ottenere un ambiente sostenibile, più pulito e più sano ed un profitto competitivo” “La progettazione di prodotti per applicazioni sostenibili e la loro produzione per trasformazioni molecolari che sono efficienti in energia, minimizzano, o meglio eliminano, la formazione di scarti e l’uso di solventi e reagenti tossici o pericolosi ed utilizzano, ove possibile, materie prime rinnovabili. La Chimica Sostenibile si occupa perciò di scoprire ed applicare nuova chimica/tecnologia per prevenire/ridurre l’impatto sull’ambiente, sulla sicurezza e sulla salute alla sorgente, operando a livello molecolare.”
EU, COST Action D29 on Sustainable/Green Chemistry and Chemical Technology, 2003
Attilio Citterio
CHIMICA VERDE
Uso di Risorse Rinnovabili
Uso di Solventi alternativi di
pulizia
Efficienza Atomica
Minimizzare la produzione
di rifiuti
Efficienza energetica
Fonti energetiche alternative Minimizzare l’uso di
composti chimici tossici e pericolosi
Minimizzare rischio e Incidenti
Progettare per
degradare
Celle a combu-stibile
Microreattori
Riciclare dove possibile
Plastiche Biodegradabili
Aspetti della Chimica Sostenibile
Attilio Citterio
Processi di Separazione
Reazioni e Reagenti più sicuri
Chimica Sostenibile
Intensificazione di
Processo
Minimizzazione degli scarti
Efficienza Energetica
Catalisi
Sostituzione Solventi
Uso di Materie prime
Rinnovabili
Aree di Tecnologie della Chimica Verde
• Progettazione di prodotti “Green” benigni per l’uomo e l’ambiente
• Materie prime rinnovabili • Nuove reazioni • Nuovi catalizzatori • Solventi • Miglioramento di Processo • Tecnologie di Separazione • Tecnologie abilitanti, quali
modellizzazione, analisi, ecc.
• Fonti energetiche sostenibili
Attilio Citterio
1. Progetto prodotto “Green”
2. Materie prime
3. Nuove Reazioni
4. Nuovi Catalizzatori 5. Solventi 6. Processi 7. Separazioni 8. Abilitanti
Progettazione ciclo di vita
Olefine da alcani
Combinare bio- e chimica
Catalizzatori solidi
Sistemi a ciclo
chiuso
Usare la sintesi di processo
migliori dati su membrane
Modellizzaz. integrata
Riciclo esteso
Riciclo plastiche
Reagenti più compatibili
Reazioni enzimatiche
pratiche
Fluidi supercritici
Fonti energetiche alternative
Membrane per solventi organici
Analisi veloce in
linea
Progettazione per riciclo e
riuso
Da scarti a materie prime
Reazioni favorite da membrane
Sintesi chirale
Adatti liquidi ionici
Reattori a disco rotante
Riduzione costi cromat. affinità
Analisi più facile del
ciclo di vita
integrazione prodotti e processi
Vie migliori a particelle
piccole e nano
Sviluppo e ampliamento
di scala
Reazioni senza
solvente
Controllo in tempo reale
Biosensori per fermentazioni
Sfruttare le HTE
esistenti
Conoscenze a valle
Nuovi microreattori. Microcanali
Migliore sperim. a
alta produttività
particelle piccole e
nano
Modellazione di processo
Modelli semplici e migliori
Opportunità di Tecnologie Chiave
Tecnologia esistente che richiede maggiori indagini
Attilio Citterio
Diagramma Schematico di un Tipico Processo Produttivo Chimico
Materiale d’imballaggio
Materie prime
Acqua
Energia
Reazioni chimiche
Separazione e raffinazione
Prodotti Fornitori
Recuperi Energia Sotto-prodotti
Atmosfere Sistemi di controllo emissioni
Sistemi di controllo
Scarti
Discariche
Incenerimento
Trattamenti
Reflui al sistema idrico
Attilio Citterio
NOTA: VOC = composti organici volatili, TRI = inventario rilasci tossici, ODS = sostanze che riducono l’ozono, GLW = Scarti Liquidi, TOC = carbonio organico totale, BOD = richiesta biologica di ossigeno.
Misure Usate nella Produzione Chimica
Materiale di imballaggio
Kgs/Kg prodotto
Materie prime Kgs/Kg prodotto % rinnovabile
Acqua Litri/Kg prodotto
Energia Energia (Costo/kJ)
Energia Netta (kJ/kg) Energia Netta (kJ)
Reazioni chimiche
Separazione e raffinazione Prodotti
Etichettatura
Venditori Addestramento
Recuperi Energia Sotto-prodotti Kgs/kg prodotto
Atmosfera Strumenti di controllo emissioni
Sistemi di controllo
Scarti Classificaz. Pericolosi
e Non- pericolosi
Discariche
Incenerimento
Trattamento
Reflui al sistema idrico Condizione acque
TOC, BOD, Kgs/kg prodotto
Kgs. Scarto pericoloso /kg. prodotto
Kgs. Scarto non pericoloso/kg. prodotto
Altri: Responsible Care Compliance Incident Documentation Worst-Case Scenarios Environmental Audits Illness and Injury Frequencies Employee Wellness Employee Training
Resa finale
Ottim. processo
Rese Primo-passo prima-qualità
Percento riusabile, riciclabile, biodegradabile Emissioni particolato Emissioni VOC Emissioni TRI
Emissioni ODS Emissioni GLW Emissioni piogge acide
Attilio Citterio
… una crescente frazione di queste aree di prodotto sono associate alla tecnologia di processo verde e sostenibile …
Settori Emergenti
Additivi per formulazioni
Pigmenti, coloranti Sistemi per
stile di vita
Materiali IT correlati
Composti a effetto
Farmaceutici,
sanitari
Prodotti per la persona
Polimeri ad alte prestazioni
Materiali per la moda
Prodotti per cibi, bibite e confezioni
Importanti Aree di Prodotti nel Nuovo Millennio
Attilio Citterio
SINTESI IDEALE DI
UN COMPOSTO
Semplice
Resa 100%
Materiali Disponibili
Efficienza Atomica
Ambientalmente accettabile
Sicura
Mono stadio
Nessun reagente smaltito
“I Principi della Chimica Sostenibile” (esempio: sintesi chimica ideale)
Clark, J.H. Green Chemistry, 1999
Attilio Citterio
I 12 Principi della Chimica Sostenibile (1-6) 1. Prevenzione
E' meglio prevenire gli scarti che trattarli o bonificare gli scarti una volta creati.
2. Economia Atomica I metodi sintetici devono essere progettati in modo da massimizzare l'incorporazione di tutti i materiali usati nel processo nel prodotto finale.
3. Sintesi Chimica Meno Pericolosa In tutti i casi sia possibile, i metodi sintetici devono essere progettati per usare e generare sostanze che dimostrino poca o nulla tossicità verso le persone e l'ambiente.
4. Progettazione di Composti Chimici Salubri Si devono progettare prodotti chimici per assolvere la funzione attesa minimizzandone nel contempo la tossicità.
5. Solventi e Ausiliari più Salubri L'uso di sostanze ausiliarie (quali, solventi o agenti di separazione) per quando possibile devono essere evitati e, se usati, devono essere innocui.
6. Progettazione per l'Efficienza Energetica
I requisiti energetici dei processi chimici devono essere riconosciuti per il loro impatto ambientale ed economico e si devono minimizzare. Se possibile, i metodi sintetici devono essere realizzati a temperatura e pressione ambiente.
Fonte: Green Chemistry Theory and Practice, Anastas & Warner, OUP, 2000
Attilio Citterio
I 12 Principi della Chimica Sostenibile (7-12)
7 Uso di Materie Prime Rinnovabili Una materia prima o precursore deve essere rinnovabile piuttosto che non
rinnovabile per quanto tecnicamente ed economicamente fattibile.
8 Limitare i Derivati Si devono minimizzare, o se possibile eliminare, le derivatizzazioni non necessarie
(uso di gruppi bloccanti, protezioni/de-protezioni, e modifica temporanea di processi fisici/chimici), in quanto questi stadi richiedono ulteriori reagenti e producono scarti.
9 Catalisi I reagenti catalitici (il più selettivi possibile) sono superiori ai reagenti stechiometrici.
10 Progettazione per la Degradazione Si devono progettare prodotti chimici in modo che alla fine del loro ciclo di vita
possano decomporsi in prodotti di degradazione innocui e non persistano nell’ambiente.
11 Analisi in tempo reale per la Prevenzione dell’Inquinamento Si devono sviluppare ulteriormente le metodologie analitiche per consentire il
monitoraggio e controllo in tempo reale e all’interno del processo prima della formazione di sostanze pericolose.
12 Chimica Intrinsecamente Più Sicura per Prevenire Incidenti Si devono scegliere le sostanze e le formulazioni delle sostanze usate in un
processo chimico per minimizzare il rischio di incidente chimico, inclusi i rilasci, le esplosioni, e gli incendi.
Attilio Citterio
Necessità Ulteriori di Sostenibilità delle Reazioni Chimiche
Nel caso si renda necessaria una determinazione più esaustiva della sostenibilità di una reazione chimica, si devono prendere in esame molti altri fattori oltre ai bilanci di massa: • bilanci energetici, inclusa l'energia usata per condurre la reazione
stessa (J/kg di prodotto) ma anche l'energia usata per estrarre o preparare e per riciclare o distruggere reagenti, solventi, o ausiliari.
• prezzi, • rinnovabilità, • facilità e sicurezza di impiego, • riciclabilità, • emissioni in aria, acqua e suolo, • rischi ambientali.
[Studi “dalla culla alla tomba”, quali l'analisi del ciclo di vita (LCA)]
Attilio Citterio
Obiettivi della Chimica Sostenibile:
Attilio Citterio
Ingegneria Verde e Sostenibile
L’Ingegneria Chimica Verde è lo sviluppo/commercializzazione di processi industriali che sono economicamente compatibili e riducono il rischio per la salute umana e l’ambiente.
• Progettazione, innovazione, e implementazione • Molecole, prodotti, processi, sistemi • Massimizzare l’inerenza • Massimizzare l’efficienza nei confronti di massa,
energia, tempo, e spazio
Un processo di produzione chimica è descritto come inerentemente sicuro se riduce o elimina i pericoli associati a materiali usati e operazioni, e questa riduzione o eliminazione è una parte permanente e inseparabile della tecnologia di processo.
(Kletz, 1991; Hendershot, 1997)
Attilio Citterio
Obiettivi dell’Ingegneria Verde
Fornire un contesto Applicabile Efficace Appropriato
Innestarla su tutte le discipline Chimica, Civile, Ambientale, Meccanica, Sistemi …
Applicarla nelle varie fasi di progettazione Architettura molecolare per costruire composti chimici Architettura di prodotto per creare un oggetto d’uso Architettura urbana per costruire una città
*Green Engineering, Anastas, P.T., ACS (2000) "Design Through the 12 Principles of Green Engineering", Anastas, Zimmerman, ES&T (2003)
Attilio Citterio
I 12 Principi dell’Ingegneria Verde
1. Inerente piuttosto che Circostanziale I progettisti devono sforzarsi di assicurare che tutti i materiali e gli ingressi e le uscite di
energia siano il più inerentemente non pericolosi possibile.
2. Prevenzione anziché Trattamento E’ meglio prevenire gli scarti che trattarli o distruggerli dopo che si sono formati.
3. Progettare per la separazione Le operazioni di separazione e purificazione devono essere progettati per minimizzare I
consumi di energia e i materiali.
4. Massimizzare l’efficienza I prodotti, processi e sistemi devono essere progettati per massimizzare l’efficienza di
massa, energia, spazio e tempo.
5. Usare “spinta in uscita" vs. “spinta in ingresso" Prodotti, processi e sistemi devono essere “spinti fuori" piuttosto che “spinti dentro"
nell’uso di energia/materiali.
6. Conservare la Complessità Entropia e complessità intrinseca devono essere viste come un investimento quando si fanno scelte progettuali su riciclo, riuso o disposizione.
Attilio Citterio
I 12 Principi dell’Ingegneria Verde
7. Durabilità anziché Immortalità obiettivo della progettazione deve essere la durabilità non l’immortalità.
8. Evitare capacità non necessarie, Minimizzare gli Eccessi Progettare per capacità o potenzialità non necessarie (cioè, “una dimensione va bene per tutto") si deve considerare un difetto di progettazione.
9. Minimizzare la Diversità dei Materiali In prodotti multicomponenti si deve minimizzare la diversità dei materiali per promuovere lo smontaggio e la ritenzione del valore.
10. Integrare i Flussi di Materia ed Energia La progettazione di prodotti, processi e sistemi deve includere l’integrazione
e la interconnessione con i flussi di materia ed energia disponibili. 11. Progettare per il “fine vita” Commerciale Prodotti, processi e sistemi devono essere progettati per prestazioni in un
“fine vita“ commerciale. 12. Rinnovabile piuttosto che Esauribili
Le fonti di materiali ed energia devono essere rinnovabili piuttosto che esauribili.
Attilio Citterio
Visione alternativa: I 9 Principi della Ingegneria Verde nella Dichiarazione Sandestin*
1. Gli Ingegneri trattano processi e prodotti olisticamente, usano l'analisi di sistemi e integrano strumenti di valutazione dell'impatto ambientale;
2. Conservano e migliorano gli ecosistemi naturali mentre proteggono la salute e il benessere degli uomini;
3. Usano pensare in base al ciclo di vita in tutte le attività ingegneristiche. 4. Si accertano che tutti gli ingressi e le uscite di materiali ed energia
sono il più possibile inerentemente sicuri e benigni; 5. Minimizzano la riduzione delle risorse naturali. 6. Operano per prevenire gli scarti. 7. Sviluppano ed applicano soluzioni ingegneristiche, tenendo conto
della geografia, aspirazioni e culture locali; 8. Creano soluzioni ingegneristiche oltre le tecnologie correnti/dominanti,
migliorano e inventano (tecnologie) per arrivare alla sostenibilità. 9. Coinvolgono attivamente le comunità e gli utenti nello sviluppo delle
soluzioni ingegneristiche.
Attilio Citterio
Problematiche Fondamentali nell’Applicazione dei Principi di Ingegneria Verde
• Inerenza
• Il ciclo di vita è alla base di tutti i principi.
• Si deve applicare una visione olistica o il cosiddetto “pensare ai sistemi” per evitare la conseguenza non volute di fare le cose sbagliate, ma realizzarle al meglio.
INGRESSI USCITE
materie prime
energia/comb.
calore perso Rifiuti solidi emissioni in aria emissioni in acqua prodotti utili
SISTEMA
Attilio Citterio
Applicazione dei Principi di Ingegneria Verde: schema dei potenziali benefici vs. investimenti
ottimizzare le soluzioni esistenti (incrementalismo)
ri-ingegnerizzare
il sistema
ri-definire il problema
pote
nzia
li be
nefi
ci r
ealiz
zati
potenzialità (p. es., tempo, soldi, risorse, energia)
• Creare soluzioni ingegnerizzate oltre le tecnologie correnti o dominanti; migliorare, innovare e inventare (tecnologie) per raggiungere la sostenibilità.
Attilio Citterio
Principi 1, 2 e 3
• I progettisti devono sforzarsi di assicurare che tutti gli ingressi e le uscite di materiali ed energia siano il più inerentemente possibile non-dannosi e benigni.
• E’ meglio prevenire i rifiuti che trattarli o disinquinare dopo averli generati.
• Le operazioni di separazione e purificazione devono essere una componente della struttura del progetto.
• Bisogna ingegnerizzare processi e prodotti olisticamente, usando l’analisi dei sistemi, e integrare gli strumenti di valutazione dell’impatto ambientale.
• Conservare e migliorare gli ecosistemi naturali mentre si protegge la salute umana e il benessere.
Attilio Citterio
Principi 4 e 5
4. I componenti del sistema si devono progettare per massimizzare l’efficienza in termini di massa, energia e tempo. Intensificazione di processo
Sistemi sofisticati attuatore-controllo
5. I componenti del sistema si devono estrarre dal sistema piuttosto che forzare nel sistema usando energia e materiali. (progettare seguendo il Principio di Le Chatelier)
Il Principio di Chatelier
“Se un sistema in equilibrio è soggetto a un stress, l’equilibrio si sposterà nella direzione che tende a ridurre tale stress."
Attilio Citterio
Aspetti del 5° Principio
A + B a C + D
A + B a C + D
Spesso “si forza” una reazione o trasformazione al completamento per aggiunta di materiali o energia.
Al contrario, una reazione si può “spingere” al completamento sottraendo un prodotto senza aggiunta di materiali o energia.
Attilio Citterio
Aspetti del 5° Principio
Produzione "al momento" ("just in time") • Produzione basata sulla domanda • Si eliminano gli scarti dovuti a sovrapproduzione e si abbassano i costi di
magazzino • I fornitori sono attentamente monitorati e rapidamente cambiati per
soddisfare le richieste mutate • Si devono fare riconsegne di forniture piccole ed accurate solo se
strettamente necessarie.
I negozi di beni di consumo usano l’RFID per seguire le vendite
In transit delivery cycle times induced by 25%
Order to production cycle times reduced by 50%
Examples of Changes Implemented Annual
collaborative planning process between dealers
and OEM
Collaborative monthly sales
forecasting
Dealers able to modify orders
and specs within production flexi-bility windows
Automated auction system to offload excess production
with minimal discounting
Re-engineering physical
distribution process
Plan Business
Forecast Sales
Order Vehicles Plan
Production Make Deliver
Results
Deliver Specs freeze time reduced
by 80%
Volume & mix changeable on monthly basis
Plan Business
Forecast Sales
Order vehicles P...
P... Make
Attilio Citterio
Principio 6
6. Si deve vedere come investimento l’entropia e la complessità insita quando si fanno scelte di progetto su riciclo, riuso o appropriato smaltimento.
L’entità della complessità accumulata in un prodotto sia su scala macro, micro, o molecolare è normalmente funzione del dispendio di risorse.
• Alta complessità, alta entropia – riuso • Complessità inferiore – riciclaggio con conservazione del valore, ove
possibile, o smaltimento appropriato
I sistemi naturali si devono riconoscere dotati di complessità, e ciò vale soprattutto per i sistemi biologici.
• Perché non riusare i computer? – renderli modulari – sostituire i processori, la memoria … – aspetti economici ...
Attilio Citterio
Principio 7
7. Un obiettivo perseguito dalla progettazione deve essere la durabilità, non l’immortalità. I prodotti, dopo la loro vita commerciale utile, creano spesso
problemi ambientali che vanno dallo smaltimento dei rifiuti solidi alla persistenza e bioaccumulo.
Si deve bilanciare il tempo di vita perseguito con la durabilità e robustezza nelle condizioni operative previste. Si deve anche considerare la riparazione e la manutenzione.
La biodegradabilità controllata (o controllabile) può essere un pregio non un difetto!
Esempio: CxHyFzClq Non - infiammabile
Non - tossico Poco costoso
Efficace Stabile
Per la sua persistenza, migra nell’alta atmosfera .
La decomposizione indotta dai raggi UV nell’alta atmosfera porta a ridurre lo strato di ozono.
Attilio Citterio
Principio 8
8. Si deve considerare difetto di progettazione il progettare per produttività o capacità non necessarie. Ciò include soluzioni ingegneristiche “omnicomprensive”. Nell’auspicare agilità e flessibilità di prodotto, si deve tener
presente che il costo in termini di materiali e energia per produttività e capacità non sfruttabili può essere alto.
C’è anche una tendenza a progettare per lo scenario peggiore per cui lo stesso prodotto o processo sia utilizzabile indipendentemente dalle condizioni spaziali o temporali.
Così si è proposta una sola formulazione di detergente che funziona dovunque anche nelle condizioni più estreme di acque dure
• I fosfati sono stati aggiunti come leganti per rimuovere la durezza dell’acqua
• Ma un eccesso di fosfati, per il loro alto valore nutritivo, provoca l’eutrofizzazione di bacini idrici.
Attilio Citterio
Principio 9
9. Ci si deve sforzare di unificare i materiali in prodotti multi-componenti per promuovere lo smontaggio e la conservazione del valore. (minimizzare la diversità dei materiali) I progettisti di automobili stanno riducendo il numero di plastiche
sviluppando forme diverse di polimeri con nuove caratteristiche che facilitino lo smontaggio e la riciclabilità. Questa tecnologia si applica correntemente alla progettazione di componenti multistrato, quali porte e pannelli. Tramite l’uso di questa progettazione mono-
materiale, non risulta più necessario smontare la porta o lo strumento per recuperare e riciclare.
No adhesives required
Polyolefin Skin
Polypropylene Foam Polypropylene Substrate
Attilio Citterio
Principi 10, 11 e 12
• La progettazione di processi e sistemi deve includere l’integrazione e l’interconnettività con i flussi disponibili di energia e materiali.
• La valutazione delle “prestazioni” include la progettazione anche sul “dopo vita” commerciale.
• La progettazione si deve basare su risorse rinnovabili e rapidamente disponibili.
Vapore di processo in uscita, 30°C
Vapore di processo freddo in ingresso 50°C, 2 kg/s
Vapore caldo di processo in ingresso 200°C 1 kg/s
Vapore caldo di processo in uscita, 200°C
30 kJ di raffreddamento (per es., acqua di raffred.)
160 kJ di riscaldamento (e.g., vapore ausiliario)
60°C
120°C
Esempio: integrazione di calore
Attilio Citterio
Esempio del Principio 12
Da una cooperazione tra Mitsui Chemicals Inc. e Cargill-Dow, LLC, SANYO nel 2003 si è realizzato il primo disco ottico in bio-plastica (acido polilattico). Si è usato il mais come materia prima per ottenere l’acido polilattico con le adatte proprietà ottiche e struttura. Circa 85 semi di mais sono necessari per fare un disco e una pannocchia di mais per fare 10 dischi. La produzione mondiale di mais è circa 600 milioni di tonnellate, meno di 0.1% è richiesto per fare 10 miliardi di dischi (attuale richiesta mondiale annuale).
Attilio Citterio
LCA delle Reazioni Chimiche: un approccio molto semplificato ma indicativo (EcoScale)*
L'analisi è semplificata mediante sei parametri caratterizzanti la reazione: 1) resa, 2) prezzi dei componenti, 3) sicurezza, 4) struttura tecnica, 5) temperatura e tempo, 6) lavorazione e purificazione.
Per ognuno di questi parametri, si associano specifici punti di penalità per situazioni particolari. Si attribuisce il punteggio ideale a una reazione ideale in cui un composto A (substrato) reagisce con (o in presenza di) composti economici B per dare il prodotto desiderato C in resa del 100% a temperatura ambiente con un minimo rischio per l'operatore e un minimo impatto per l'ambiente. Si calcola quindi il punteggio EcoScale reale abbassando il punteggio ideale dal 100 con queste penalità. (> 75 buono, 50 -75 medio, < 50 non accettabile)
*Van Aken, K.; Strekowski, L.; Patiny, L. EcoScale, a semi-quantitative tool to select an organic preparation based on economical and ecological parameters. Beilstein J. Org. Chem. 2006, 2. Dash, R.; Song, J.J.; Roschangar, F.; Samstag, W.; Senanayake, C.H. The eight criteria defining a good manufacturing process. Org. Process Res. Dev. 2012, 16, 1697–1706.
Attilio Citterio
Punti di Penalità Usati nella EcoScale
Parametri Punti di Penalità Resa (100 – Resa effettiva)/2 Prezzo dei componenti di reazione (per dare 10 mmol) Economico (< 10 US$) 0 Costoso (tra 10 e 50 US$) 3 Molto costoso (> 50 US$) 5 Sicurezza (adattato secondo le norme vigenti per i prodotti chimici) GHS09 (pericoloso per l'ambiente) 5 GHS06 (tossico) 5 GHS02 (infiammabile) 5 GHS01 (esplosivo) 10 GHS07, GHS08 (estremamente tossico) 10
Attilio Citterio
Punti di Penalità Usati nella EcoScale (cont.)
Parametri Punti di Penalità Assetto Tecnico Assetto comune 0 Strumenti per l'aggiunta controllata (tramogge, ecc.) 1 Tecniche di attivazione non convenzionali (microonde, ecc.) 2 Apparecchiature in pressione > 1 atm 3 Altra vetreria aggiuntiva speciale 1 Atmosfera di gas (Inerte) 1 Glove box 3 Temperatura/tempo Temperatura ambiente, < 1 h 0 Temperatura ambiente, < 24 h 1 Riscaldamento < 1 h 2 Riscaldamento > 1 h 3 Raffreddamento a 0°C 4 Raffreddamento < 0°C 5
Attilio Citterio
Punti di Penalità Usati nella EcoScale (cont.)
Parametri Punti di Penalità Lavorazione/Purificazione Nessuna 0 Raffreddamento a temperatura ambiente 0 Aggiunta di solvente 0 Semplice filtrazione 0 Rimozione del solvente con b.p. < 150 °C 0 Cristallizzazione e filtrazione 1 Rimozione del solvente con b.p. > 150 °C 2 Estrazione in fase solida 2 Distillazione 3 Sublimazione 3 Estrazione liquido-liquido 3 Cromatografia classica 10
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Estrazione delle materie prime
Progettazione e produzione
confezionamento e distribuzione
Uso e manutenzione
Riuso e riciclo Riciclo materiali
e componenti
Incenerimento e discariche
recupero
riuso
* *
*
*
*
*
*
*
Sicurezza, salute e ambiente
*
Attenzione ai cicli di vita (scarti–rifiuti) e Sicurezza/salute/ambiente
Attilio Citterio
Rifiuti e Industria Chimica
Da dove provengono gli scarti? Quantificati per settore industriale:
• Le aree tradizionalmente ritenute sporche (raffinazione del petrolio e produzione chimica di base) sono relativamente pulite (rispetto alle quantità trattate - lo devono per i bassi margini per ogni Kg).
• Le industrie più nuove con margini di profitto più alto e che usano chimica più complessa producono relativamente molti più scarti. R A Sheldon J. Chem. Tech. Biotech. 1997, 68, 381
0 20 40 60 80 100
Raffineria
Chimica di base
Chimica fine
Farmaceutica
kg scarti / kg prodotto
Segmento Industria Ton/anno Rapporto Kg Sottoprodotti/Kg Prodotto
Raffinazione Petrolio 106 - 108 <0.1 Chimica di Base 104 - 106 1 - 5
Chemica Fine 102 - 104 5 - 50 Farmaceutici 10 - 103 25 - 100+
Attilio Citterio
Rifiuti nel Passato
• 1,000 milioni di kg di composti chimici pericolosi rilasciati nell’aria, nell’acqua e nel suolo (in base a stime della US Environmental Protection Agency (EPA)).
• 69% nell’aria; 13% nel suolo; 3% acque superficiali; 15% acque sotterranee
• 2,000 milioni di kg trasferite altrove per riciclaggio, risanamento (incluso il recupero energetico), trattamento e smaltimento (spesso per combustione)
• 5 dei 10 più rilevanti composti chimici rilasciati o smaltiti sono solventi o composti organici volatili (VOC), inclusi MeOH, toluene, xileni, metiletilchetone, e diclorometano.
• Si è di conseguenza assistito ad una proliferazione crescente di norme ambientali per combattere tali rilasci.
Attilio Citterio
Costi degli Scarti nell’Industria Chimica di Specialità
Ripartizione dei Costi in Tipiche Aziende di Prodotti Chimici di Specialità
Materiali LavoroDeprezzamento Capitale RifiutiEnergia e Servizi
Costi Smaltimento Rifiuti
Materiali
Gestione
Deprezzamentocapitale
Lavoro
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Capex EoP 26%
Capex IP 9%
Opex 65%
Capex EoP
Capex IP
Opex
0500
10001500200025003000350040004500
1997 1994
Euro
(m)
Spese dell'Industria UK sul Controllo Ambientale
OpexCapex IPCapex EoP
2007 Totale Euro 2300 m
1997 Totale Euro 1250 m
1994 Totale Euro 747 m
M Lancaster Green Chemistry, 2000, 2, G65
Costi del Controllo Ambientale
Capex EoP: spese per tecnologie di fine linea Capex IP: spese per tecnologie di processo integrate Opex: spese di funzionamento
Attilio Citterio
AMFA ARPAA
AJA ASBCAA
ESAA - AECA FFRAA
FEAPRA IRA
NWPAA CODRA/NMSPAA
FCRPA MMPAA
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
EPACT FFCA CERFA CRAA
PPA PPVA IEREA ANTPA GLCPA ABA CZARA WRDA EDP OPA RECA CAAA GCRA GLFWRA HMTUSA NEEA
SDWAA SARA BLRA ERDDAA EAWA NOPPA PTSA UMTRCA ESAA QGA NCPA TSCA FLPMA RCRA NFMA CZMAA
NEPA EQIA CAA EPA EEA OSHA FAWRAA NPAA
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WRPA AFCA FHSA
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BLBA FWPCA MPRSA
CZMA NCA
FEPCA PWSA MMPA
ESA TAPA
RCRAA WLDI
APA SWDA
CERCLA CZMIA
COWLDA FWLCA
MPRSAA CAAA CWA
SMCRA SWRCA SDWAA
Num
ero
di le
ggi
Crescita Cumulativa delle Norme Ambientali (US)
Attilio Citterio
Rischio = f(Pericolo, Esposizione)
Leggi e Rischio Chimico
Queste leggi, con poche eccezioni, riguardano l’inquinamento dopo che è stato prodotto. In generale si focalizzano su trattamenti o abbattimenti dell’inquinamento e sono note come leggi di “imposizione e controllo”. In molti casi esse pongono limiti sull’inquinamento e tempistiche di adeguamento con poca attenzione alla possibilità che scienza/tecnologia possano raggiungere tali obiettivi e con scarso riguardo all’economicità. Il Rischio associato ai composti chimici tossici è una funzione del Pericolo e dell’Esposizione. Le leggi “end of the pipe” tentano di controllare il Rischio operando sulla prevenzione dell’Esposizione ai composti chimici dannosi e tossici. Purtroppo piuttosto spesso la prevenzione basata sull’Esposizione ha fallito.
Attilio Citterio
Ciclo della Gestione del Rischio e Informazioni Eco-tossicologiche sui Prodotti Chimici
Tecnosfera
Ambiente
Sostanza
Sostanza + Prodotti di trasformazione
Influenza
Decisioni
Profilo di rischio
Organismi
Bioaccumulazione Ricerche su
Rischio
Incertezza
Intervallo spazio-temporale
Rilascio
Attività Biologica
Attilio Citterio
• La chimica verde, anziché limitare il Rischio controllando l'Esposizione ai composti chimici pericolosi, tenta di ridurre e preferenzialmente eliminare il Pericolo evitando la necessità di controllare l’Esposizione. Essa si fonda sul principio che se non si usano o producono sostanze pericolose allora il Rischio è zero, e non ci si deve preoccupare di trattare le sostanze dannose o limitare la nostra esposizione ad esse.
• La chimica verde ha guadagnato un forte appoggio nei settori della ricerca e sviluppo sia nell’industria che nelle università per la sua attenzione alla prevenzione. Molte conferenze si tengono ogni anno su tale tema.
Rischio = f(Pericolo, Esposizione)
Focalizzazione sull'Eliminazione del Pericolo!
Controllando il pericolo non ci si deve preoccupare dell’esposizione!
Attilio Citterio
Principio di Precauzione
Asserisce che “si trae vantaggio” nel seguire un approccio cautelativo e conservativo negli interventi umani sull’ambiente naturale tutte le volte che la nostra comprensione sulle possibili conseguenze sia limitata o esistano evidenze di danni seri o irreversibili ai sistemi e processi naturali.
Fisher, E., J. Jones, R. von Schomberg (eds).
Implementing the Precautionary Principle: Perspectives and Prospects, Cheltenham, UK : Edward Elgar (2006)
AEA – Agenzia europea dell’ambiente (2001), Late Lessons
From Early Warnings: The Precautionary Principle 1896- 2000, Environmental issue report No 22.
Ref: http://habitat.igc.org/agenda21/rio-dec.html
Attilio Citterio
Leggi EU sui Composti Chimici
65. . . .70. . . .75. . . .80. . . .85. . . .90. . . .95. . . .00. . . . 05 . . .
Restrizioni di commercializzazione e uso di certi composti chimici / preparazioni: 76/769/EEC
Valutazione pericolo: 67/548/EEC
Classificazione, confezionamento &
etichettatura sostanze pericolose
lista EINECS Valutazione del rischio: 93/67/EEC (nuove sostanze)
Reg 793/93 (sostanze esistenti)
Direttiva sulle Sostanze pericolose
1999/45/EEC Notificazione di nuove sostanze
92/32/EEC – 7^ Amendment
Proposta pubblicazione regolamento REACH
Libro bianco
REACH attivo
Attilio Citterio
Tempistica REACH (EU)
Fine esenzione POP PCB Fine test animali
per cosmetici Obiettivo ELV 95%
Raccolta scarti WEEE
Obiettivo riciclaggio WEEE
REACH > 1000 ton
Convenzione di Stoccolma
distruzione dei PCB
Lista Biocidi completa
REACH > 100 ton
Bando materiali RoHS
Obiettivo ELV 85%
REACH > 1 ton
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
http://www.ec.europa.eu/environment/chemicals/reach/reach_intro.htm EC 1907/2006
Prodotti Chimici : Registrazione Valutazione Autorizzazione
Attilio Citterio
SMALTIRE
TRATTARE & SMALTIRE
PREVENIRE
1900 2000
Costo dei Rifiuti
Incidenza della Legislazione sui Rifiuti
Trattamento dei Rifiuti e Gerarchia nella Prevenzione dell’Inquinamento
Prevenzione e Riduzione
Riciclo e Riuso
Tratta-mento
Smalt-mento
Attilio Citterio
Tecniche di Minimizzazione dei Rifiuti
• Prevenire è meglio che curare • Adottare tale criterio già in fase di R&D • Chimici e ingegneri non hanno tutte le risposte! • Le risposte arrivano da gruppi multi-disciplinari
chimici ingegneri chimici produzione economisti specialisti di salute, sicurezza, ambiente ingegneri di controllo, scienziati ambientali, consulenti/ ecc.
Attilio Citterio
Chimica Ing. Chim. Produzione SHE Economia
Resa Schema di flusso
Operabilità Emissioni Costo di produzione
Purezza Trasferimenti massa/calore
Convenienza per modifiche
Trattamenti dei reflui g/l/s
Costi di smaltimento
Selettività Costi di processo
Sicurezza operatori
Rispetto Norme Legisl.
Confezion. prodotto
Identificazione sottoprodotti
Scelta delle attrezzature
Manipolazio-ne materiali
Sicurezza sito produttivo
Garanzie prodotto
Meccanismo Isolamento prodotto
Qualità del prodotto
Ruolo del Team nello Sviluppo della Scelta di un Nuovo Processo
Attilio Citterio
Produzione e Rifiuti
Produzione
Prodotti Scarichi
(trattamenti)
Riciclo
Emissioni nell’atmosfera
Co-prodotti e Sotto-prodotti per il riuso altrove
Ingressi: reagenti solventi ausiliari
(impurezze)
Mercato
Emissioni in acqua
Emissioni nel suolo
Attilio Citterio
Materie prime: reagenti solventi ausiliari
(impurezze) Produzione
Prodotti
Co-prodotti e Sotto-prodotti per il riuso altrove
Mercato Scarti
(trattamenti)
Riciclo
Emissioni nell’atmosfera
Emissioni in acqua
Emissioni nel suolo
Possibilità di Riduzione dei Rifiuti
Attilio Citterio
Possibilità di Riduzione dei Rifiuti
• Ingressi solventi eco-compatibili, reagenti ad alta purezza, ausiliari
riciclabili, materiali meno pericolosi • Produzione
variazione tempi, T e P, tipi di reattori, mescolamento, trasferimento di calore
nuove vie, appropriata purificazione • Scarti
ridurre il volume di acqua, migliorare gli assorbitori, disinquinare le acque di scarico, mineralizzare i composti organici
• Sottoprodotti e coprodotti Massimizzarne l’uso, R&D, commercializzazione, integrazione nei
siti produttivi.
Attilio Citterio
RISPOSTA DELLA COMUNITA’ ALL’EMERGENZA
RISPOSTA ALL’EMERGENZA DI IMPIANTO
PROTEZIONE FISICA (BARRIERE)
PROTEZIONE FISICA (DISPOSITIVI DI SOCCORSO)
AZIONI AUTOMATICHE SIS
ALLARMI CRITICI, OPERATORE SUPERVISIONE & INTERVENTI
CONTROLLI DI BASE, ALLARMI DI PROCESSO, OPERATORE AZIONI
Progettazione Di Processo
CHIMICA
5 Li
velli
di P
reve
nzio
ne
4 Li
velli
di M
itiga
zion
e
Prevenzione/Mitigazione: Strati di Protezione di un Impianto Chimico
Attilio Citterio
Andamento nell’Impiego di Materie Prime (1900-2000)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Mili
oni d
i met
ri cu
bi Materiali da costruzione
Minerali industriali
Metalli secondari
Metalli primari
Organici non comb.
Carta riciclata
Carta primaria
Legno
Agricoltura
Fonte: US Geological Survey
Attilio Citterio
Analisi del Flusso di Sostanze o Materiali: Il Ciclo Globale del Rame, 1990-2000
Confini del Sistema (Sistema Chiuso): "STAF World"
Nuovi Scarti 580
Catodo
1,550
Ritagli, Scorie
250
10,710
Lit. - 10,710
Ritagli rilavorati
11,550
1,360
680
Minerale Prodotti
11,650
Vecchi Scarti
Discarica, dissipati
1,810
Rifiuti
3,850
Riserve +3,110
2,040
Trattamento Reflui
Produzione laminatoi, fonderie, raffinaz.
Uso 7,800
Fabbricazione e produzione
Riserve
200
Riserve
Attilio Citterio
Ecosistemi Naturali e Industriali: Metabolismo Industriale
L’analogia tra sistemi industriali e sistemi naturali: entrambi hanno cicli di energia e nutrienti/materiali. strategie della natura per far fronte alla sostenibilità:
• riciclaggio/decomposizione • rinnovamento • conservazione e controllo della popolazione • presenza di tossine • funzione multiple di un organismo
Attilio Citterio
Chimica Biotec Agronomia
Industria Petrolchimica
Agricoltura e Foreste
Componenti fondamentali
Prodotti di consumo
Produzione Riciclo
Ingegnerizzazione Lavorazione
Fonti Rinnovabili di Composti Chimici
Attilio Citterio
Eco efficienza
Applicabilità economica
Accettabilità sociale
Efficienza ambientale
Tipi di prodotti
Servizi
Consumo
Non commer- cializzabile
Scenario del ciclo
di vita Inventari fino al necessario
Ottimizzazione Il più rapidamente possibile
Valutazione dell’impatto
Per effetti irreversibili
Indicatori ambientali
marchi e
certificazioni ambientali
Produzione Chimica: Prodotti - Eco-efficienza – Ciclo di Vita
Attilio Citterio
Progettazione per l’ambiente (DfE): Sviluppo Integrato di un Prodotto
Tecnico
Ecologico Economico
Materie prime Produzione Uso Fine vita Materie prime Produzione Uso Fine vita
Criteri
Progettazione Azioni
Cambio di obiettivo
Cambio di funzione Cambio del principio
di lavorazione Cambio del progetto
Cambio dei materiali
Attilio Citterio
Aspirazioni dell’Industria Chimica sulla Sostenibilità
Dove siamo ... ... e dove vorremmo essere
Attilio Citterio
Alcuni Esempi di Apparecchiature Intensificate
Attilio Citterio
Miglioramento di Processo vs. Innovazione
Obiettivo Fuoco Interdisciplinarità Ottimizzazione Miglioramento Modello, Debole di Processo prestazioni di metodi num. concetti esistenti Cinetica/Term. Ingegneria Integrazione multi-scala Modello, Modesta Sistemi di Processo di concetti esistenti/nuovi software intensificazione Sviluppo di nuovi Esperimenti, Forte di processo concetti di processo, fenomeni Chimica/Catalisi, stadi e apparecchiature interfase fisica applicata PAT, QdB scienza materiali, elettronica
Attilio Citterio
Reattore Microstrutturato per Epossidazioni
Reazione (microstrutturato)
Mescolamento (microstrutturato)
evaporazione H2O2 (microstrutturato)
Modello di Sintesi :
Peculiarità:
• Modulare (operazioni unitarie, capacità)
• Multi-funzione (catalisi e reazione)
• Reazione sotto pressione • Reazioni in regimi
esplosivi Degussa
CH CH2
O
CH3
CH CH2CH3
+H2O2( vap) / -H2O
TS-1> 95%
Attilio Citterio
Economia Circolare (CE): Strategie Circolari nella Catena di Produzione, in Ordine di Priorità
Economia Circolare
Economia lineare
R8 Riciclare Applicazioni utili di
materiali
Regola: maggiori livelli di
circolarità = Minori risorse
naturali e meno pressione
ambientale
R0 Rifiutare Uso e
produzione di prodotti
più adeguati
R2 Ridurre
R3 Ri usare
R4 Riparare Estensione della vita di prodotti e loro parti
R5
R6 Riprodurre
R7 Riadattare
Rendere un prodotto ridondante abbandonandone la funzione o offrendo la stessa funzione con un prodotto differente Rendere l'uso di un prodotto più intensivo (per. es. tramite la condivisione o offrendo l prodotti multi-funzionali) Aumentare l'efficienza nella produzione o uso consumando minori risorse e materiali naturali.
Ri-uso da parte di un altro consumatore di prodotti scartati che sono ancora in buone condizioni per la funzione originale;
Riparare e mantenere i prodotti con difetti in modo da usarli per la funzione originaria:
Ripristinare un vecchio prodotto e rimetterlo a nuovo
Usare parti del prodotto smaltito in un nuovo prodotto con la stessa funzione Usare il prodotto scartato o le sue parti in un nuovo prodotto con una diversa funzione Trattare i materiali per ottenere la stessa qualità (alto livello) o una più bassa (basso livello)
R1 Ripensare Incremento circolarità
R9 Recuperare Incenerimento dei materiali con recupero di energia
Fonte: RLI 2015; editore PBL
Strategie
Attilio Citterio
Strategie di Circolarità e Ruolo degli Attori nell'Ambito della Catena di Produzione
Fonte: PBL
Catena del Prodotto
Uso e produzione di prodotti adeguati :
Ro: Riusare R1: Ripensare R2: Ridurre
R8: Riciclaggio
R6: Riproduzione R7: Rimpiego
Prodotto scartato
R9: Recupero Energetico
Ridurre l'immissione di risorse o fuoruscita di scarti passando a economia critica.
Processo / attori della catena
Raccolta per la (ri)lavorazione
Industria Manifatturiera
Produzione di materiali (incluso il ricicli)
Catene di Distribuzione
Riparare Seconda mano Retail
Consumatori
Prodotto scartato
Incenerimento (e discarica)
R3: Ri-uso (ricarica)
R6: Ristrutturato
R5: Ri-uso
R5: Ri-paro
Risorse Naturali
Attilio Citterio
Tre Tipi di Innovazione nella Catena del Prodotto
Le transizioni CE possono richiedere innovazione e cambi socio-istituzionali. L'innovazione può risiedere nella tecnologia, nella progettazione del prodotto o modelli di reddito. I cambi socio-istituzionali implicano revisioni scritte/non scritte regole, tradizionali o credute.
1. Le transizioni CE, in cui l'emersione di specifiche tecnologie radicalmente nuove è centrale, modula la transizione. Ciò richiede innovazioni radicali nella tecnologia di base, cioè quelle specifiche per un prodotto. Per dare un posto nella società alla nuova tecnologia, sono necessari i cambi socio-istituzionali.
2. Le transizioni CE in cui il cambio socio-istituzionale è centrale e dove l'innovazione tecnologica gioca un ruolo secondario (innovazione incrementale nella tecnologia di base). Un buon esempio, forse un po' estremo è quello dei negozi senza confezioni.
3. Le transizioni CE in cui i cambi socio-istituzionali sono centrali, ma sono facilitati dalle tecnologie abilitanti. Un esempio è la transizione a quella che è nota come economia di scambio (sharing economy). Tale transizione dal possesso di un prodotto all'acquisto dei sui servizi implica primariamente dei cambi socio-istituzionali, ma ciò non è possibile senza la tecnologia dell'informazione per connettere i fornitori del servizio e gli utenti.
Attilio Citterio
Questioni Diagnostiche per Misurare il Progresso del Processo e gli Effetti della Transizione CE
Questioni Diagnostiche M
ezzi
Mobilizzazione dei mezzi - Sono attivamente implicati tutti i soggetti rilevanti della catena del prodotto nel realizzare le soluzioni CE? - Ci sono sufficienti fondi per realizzare le soluzioni CE? - Ci sono mezzi fisici specifici che limitano la realizzazione delle soluzioni CE?
Sviluppo delle conoscenze - Possono le conoscenza disponibili bastare a sviluppare le soluzioni CE (con riferimento a tecnologia, brevettazione, comportamenti di consumatori e attori della catena)?
Atti
vità
Scambio di conoscenze - Il livello di scambio di conoscenze sulle soluzioni CE è sufficiente nella catena del prodotto?
Sperimentazioni da parte degli imprenditori - Gli imprenditori sperimentano a sufficienza le soluzioni CE e i modelli di reddito? - L'ampiamento di scala delle soluzioni CE ha già avuto luogo?
Orientare la ricerca (visione, aspettative di governi e attori chiave, normative) - C'è una visione chiara, tra i partner della catena, delle strategie circolari perseguite? - I partner della catena del prodotto condividono a fondo questa strategia di circolarità? - Questa strategia di circolarità struttura le attività dei partner della catena del prodotto?
Apertura sui Mercati - I partner della catena sono attivi nel creare la fiducia dei consumatori sulle soluzioni CE? - Le aziende investono sufficientemente? - I governi hanno politiche aggiuntive, e aiutano nell'aprire i mercati?
Attilio Citterio
Questioni Diagnostiche per Misurare il Progresso del Processo e gli Effetti della Transizione CE (2)
Questioni Diagnostiche S
ucce
ssi
Progettazione CE - Qual è l'attuale vita di un prodotto e è aumentato dal valore iniziale? - I prodotti sono diventati più facili da disassemblare? - La progettazione prevede l'uso di materiali riciclati? - I componenti si progettano per il riciclo di alto livello (senza incremento della pressione ambientale)?
Produzione - Il consumo complessivo (primario e secondario) di materiali da parte dell'azienda diminuisce? - Le aziende usano meno sostanze pericolose per la salute dell'uomo e degli ecosistemi? - La produzione si sta spostando verso livelli inferiori di generazione di scarti? - Le aziende si convertono a modelli di reddito con riuso di prodotti e componenti, o modelli basati sulla fornitura di servizi piuttosto che su offerta di prodotti?
Consumi - Il consumo dei prodotti CE sta aumentando (in confronto ai prodotti convenzionali)? - I prodotti CE hanno una vita più lunga o si usano più intensivamente? - Il riuso dei prodotti porta a meno scarti?
Scarti - Il volume dei materiali inviati in discarica è diminuito a favore dell'incenerimento? - Con quanto attenzione si applica il riciclo di alto livello? - Quanto è efficace il riciclo per quanto riguarda i costi e l'ambiente?
Attilio Citterio
Questioni Diagnostiche per Misurare il Progresso del Processo e gli Effetti della Transizione CE (3)
Questioni Diagnostiche E
ffetti
Circolarità (efficienza delle risorse) - Il consumo delle materie prime sta diminuendo (in kg per unità funzionale di prodotto)? - Il consumo delle materie prime sta diminuendo per l'intero settore (in kg)? - I consumi energetici in MJpr per il riciclo sono inferiori a quelli cumulativi in MJpr?
Ambiente Per tutti i gruppi di prodotto (sull'intero ciclo di vita di un prodotto): - Il consumo energetico cumulativo in MJpr per unità funzionale di prodotto sta diminuendo? - Il consumo energetico cumulativo in MJpr per l'intero settore sta diminuendo? La pressione ambientale causato dagli specifici gruppi di prodotto (sull'intero ciclo di vita): - La pressione ambientale cumulativa per unità funzionale di prodotto sta diminuendo? - La pressione ambientale cumulativa per l'intero settore sta diminuendo?
Economia - Il valore aggiunto dei prodotti e servizi di prodotto stanno aumentando? - I livello di impiego nella catena del prodotto sta aumentando?
Fonti: EEA (2016) http://www.eea.europa.eu/data-andmaps/indicators#c5=&c0=10&b_start=0 ; Hekkert M, de Boer S and Eveleens C. (2011). Analysis of innovation system for policy analysists. A manual (in Dutch). Utrecht University, Utrecht.(2011); Huijbregts et al. Is Cumulative Fossil Energy Demand a Useful Indicator for the Environmental Performance of Products? Environmental Science & Technology, 40(3), 641-648(2006)
Attilio Citterio
Cos’è “Verde”?
Sostenibile Più benigno e più compatibile per le popolazioni e per il pianeta
EPA vision
