Sommario del corso

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/

Tel. : 02-23993082

E-mail: attilio.citterio@polimi.it

School of Industrial and Information Engineering

Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable ChemistryA.A. 2018/2019

Attilio Citterio

Estremi del Corso

Lezioni: Martedì 12.15-15.15 (aula S.1.6)

Mercoledì 13.15-16.15 (aula B.5.5 / LAB MA1)

Venerdì 13.15-16.15 (Aula 9.0.3 / LAB MA1)

Lab. Mancinelli (Mercoledì o Venerdì)

dal 18/09/2018 al 21/12/2018 (lez.: 34(8) + 17(5) h, lab.: 12 h, Es.: 16(8).

Lucidi di PowerPoint in pdf (adobe acrobat) a:

http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/it/(Green Chemistry)

Requisiti: almeno 5 crediti di Chimica Generale (e 5 crediti di Chimica Organica).

Corso predisposto per:

Ingegneri Chimici e Ingegneri della Sicurezza (5 crediti), Ingegneri Ambientali (primo e secondo livello, 8 crediti) che sono interessati al futuro delle attività umane sul pianeta Terra.

Attilio Citterio

Localizzazione delle Aule

Complesso

Mancinelli

Aula 9.0.3

3

Aula B.5.5

Aula S.1.6

Attilio Citterio

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Attilio Citterio

Temi Affrontati nel Corso

L1 – Fondamenti di Chimica Verde (GC) e di Ingegneria Verde (GE)

L2 – Applicazione dei dodici Principi di Chimica Verde e Ingegneria

Verde

L3 – Ecologia Industriale

L4 - Tossicologia

L5 - Energia e Chimica Verde

L6 – Ottimizzazione di Processi Chimici e

Intensificazione di processo

L7 – Materie prime da Biomasse e Bioprocessi

L8 – Sicurezza Intrinseca

L9 – Esempi di problemi e soluzioni di Chimica

Verde (LCA, Riciclo, VOC, Sostituzione di

prodotti chimici)

Attilio Citterio

Sviluppo Sostenibile

La sostenibilità è una parte cruciale della presente e futura tecnologia:

‘… soddisfare le necessità del presente senza compromettere le possibilità delle future generazioni di soddisfare le loro necessità

’

Commissione Brundtland, UN Earth Summit 1992

Rio de Janeiro, Brazil

Alcune declinazioni:

Non si deve sistematicamente alterare le distribuzioni naturali dei

componenti della crosta terrestre (es. metalli pesanti)

Non si deve sistematicamente incrementare le sostanze persistenti

prodotte dalla società (DDT, CO2, CFC, ecc.)

Non si deve sistematicamente deteriorare le basi fisiche dei cicli naturali

produttivi della terra

Bisogna realizzare un uso oculato ed efficiente delle risorse rispettando il

soddisfacimento delle necessità umane.

The Natural Step (Sweden)

Attilio Citterio

9

Preoccupazioni per le Risorse Comuni

Le risorse comuni (globali) sono oggetto di attenzione nell’ecologia industriale e nell’ingegneria sostenibile perché la disponibilità limitata di queste risorse può ostacolare il progresso dovuto alla moderna tecnologia.

Esempio : Relazione tra attivitàittiche, costo e reddito.

TR = reddito totale E = livello di attività ittica MEY = max. resa economica MSY = max. resa sostenibile OA = accesso libero

“The Question of the Commons” B.J. McCay and

J.A. Acheson Eds. Tucson , 311-326, 1987

Attività ittica

Reddito Costo

EMSY EOAEMEY

TCMEY

TRMEY

Attilio Citterio

Regimi Socio-Ecologici

nella Storia Umana

uso annuale pro capite

Energia Materiali

2 A. Citterio, POLITECNICO DI MILANO – Dipartimento CMIC - Via Mancinelli, 7 – 20131 Milano

Metabolismo umano di base(immissione di biomasse via nutrizione)

3.5 GJ 1 t

Cacciatori-raccoglitori(uso incontrollato dell'energia solare)

10-20 GJ 2-3 t

Società Agricola(uso controllato dell'energia solare)

60-80 GJ 4-5 t

Società Industriale/Tecnologica (uso di energia fossile)

250 GJ 20-22 t

Attilio Citterio

11

Quantificazione della Sostenibilità

Degli obiettivi realistici e difendibili per la sostenibilità e la loro attuazione

non sono facili da stabilire in pratica, ma si possono assumere i seguenti

principi come ragionevole direttiva:

Stabilire la velocità limite nell’uso della componente ambientale,

economica o azionaria

Allocare i limiti permessi con un metodo adeguato a tutto ciò che è

influenzato da tale limite.

Confrontare l’attuale situazione con l’assegnazione consentita

Considerare le potenziali azioni correttive.

Spesso è necessario scegliere un orizzonte temporale nell’arco del quale

si deve valutare la sostenibilità. Generalmente un intervallo di 50 anni

(cioè grossomodo due generazioni umane) è considerato un periodo

ragionevole per una valutazione.

Attilio Citterio

Legare le Attività Industriali alla

Sostenibilità: i Grandi Obiettivi

Molte delle discussioni sulla sostenibilità implicano perturbazioni

ambientali ed è utile considerare come queste questioni si possano

mettere in ordine di priorità. Dalle analisi finora condotte emergono i

seguenti Grandi Obiettivi:

• Ω1 : mantenimento dell’esistenza della specie umana

• Ω2 : mantenimento della capacità per uno sviluppo sostenibile e la

stabilità dei sistemi umani

• Ω3 : mantenimento della diversità della vita

• Ω4 : mantenimento della ricchezza estetica del pianeta terra.

Stante il fatto che questi obiettivi sono universali, si deduce che per

raggiungerli esistono alcuni requisiti fondamentali da soddisfare. Per es.

il primo richiede di minimizzare la tossicità e l’uso di risorse fondamentali,

il secondo di disporre di adeguate materie prime ed energia, il terzo di

mantenere aree naturali protette, il quarto di controllare gli scarti e le

emissioni, e, in generale, di non degradare l’ambiente.

Attilio Citterio

Sviluppo Sostenibile = Bilancio tra 3

Requisiti Primari:

I tre fondamenti della Sostenibilità:

I bisogni della società

(l’obiettivo sociale)

L’impiego efficiente delle scarse

risorse (l’obiettivo economico)

La necessità di ridurre la

pressione sull’eco-sistema al

fine di mantenere le basi

naturali per la vita (l’obiettivo

ambientale).

Profitto

ECONOMICO

Bisogni

SOCIALI

EquitàEco –

efficienza

Vivibilità Rispetto

AMBIENTALE

Sostenibilità

Nella comunità economica la sostenibilità è etichettata “the triple bottom line”

Attilio Citterio

La Chimica Contribuisce su Tre Livelli allo

Sviluppo Sostenibile

La chimica può contribuire allo sviluppo sostenibile a tre diversi livelli :

1. Fornire prodotti chimici che fondano e assicurano ricchezza

sociale ed economica.

2. Conservare le risorse sviluppando:

a. Processi chimici più efficienti

b. Fonti rinnovabili di energia

c. Prodotti chimici che aumentano significativamente l’efficienza dei

processi di produzione e dei prodotti in altre aree,

d. Prodotti che permettono ai consumatori di usare le risorse più

efficientemente,

e. Una progettazione di prodotto basata sul concetto di riciclo, e

f. Prodotti che si basano su risorse rinnovabili.

3. Gestire le risorse, sostanze e materiali in maniera salubre e

ambientalmente compatibile.

M. S. Reisch, Chem. Eng. News 79(36), 17 (2001).

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

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)

Gli ATOMI nei Rifiuti non differiscono da quelli nelle Materie Prime!!!

Attilio Citterio

Terra e biosfera

Acquisizione

materie prime

Lavorazione

primaria

Materiali

ingegnerizzati

e di specialità

Produzione e

assemblaggio

Utilizzo e

assistenza

Raccolta

Trattamento

discarica

Ri-ciclo

Ri-fabbricazione

Ri-uso

Circuito

aperto

Recupero

Cicli di Produzione Integrata(Ciclo di Vita dei Prodotti, Incluse le Attività-Ri)

Scarti

Attilio Citterio

Ecologia industriale =

scienza della sostenibilità

con enfasi sull’attento uso e

riuso delle risorse

Chimica verde (per la

Sostenibilità)

scienza delle trasformazioni

chimiche a basso impatto

ambientale attenta all’uso efficiente

delle risorse e dell’energia

Ingegneria Verde (per la Sostenibilità) e Sicurezza Intrinseca =

scienza e tecnologia rivolta alla riduzione/ eliminazione dei pericoli

associati ai materiali usati e alle operazioni, con inserimento

permanente ed inseparabile nella tecnologia di processo

Ecologia

industriale

Sviluppo

sostenibile

(DfE)Progettazione

per l’ambiente

Chimica

Sostenibile

Ingegneria

sostenibile

Ecologia Industriale - Chimica per la Sostenibilità

- Sicurezza Intrinseca – Ingegneria Sostenibile

Attilio Citterio

Via allo Sviluppo Sostenibile

Approcci pratici Supporti Operativi

Obiettivo

strategico

Sviluppo

sostenibile

Chimica Verde

Ingegneria

Verde

Ecologia

Industriale

Energia

rinnovabile

Catalisi

Gestione reflui

Intensificazione di

processo, fonti

Mezzi per il

monitoraggio

Valutazione

Ciclo di vita

Metrica Verde

PAT e QdB

Attilio Citterio

CHIMICA VERDE PER LA SOSTENIBILITA'

DEFINIZIONE (“Americana”)

La Chimica Sostenibile è l’utilizzo di un insieme di principi atti a ridurre o eliminare l’uso o la generazione di sostanze pericolose nella progettazione, produzione e impiego dei prodotti chimici*.

LA CHIMICA SOSTENIBILE SI INTERESSA DI:• Minimizzazione degli scarti alla Fonte, Energia e Risorse

• Uso di Catalizzatori anziché di Reagenti

• Uso di Reagenti e Intermedi Non-Tossici

• Uso di Risorse Rinnovabili

• Riciclo dei prodotti e materiali

• Miglioramento dell’Efficienza Atomica e del parametro E

• Uso di Sistemi senza Solvente o con Solventi Riciclabili ambientalmente benigni, ….. ecc.

* Green Chemistry Theory & Practice, P T Anastas & J C Warner, Oxford University Press 1998

Attilio Citterio

Ingegneria Verde: Obiettivi dei Principi

• Fornire un contesto

Applicabile

Efficace

Appropriato

• Applicarla a tutte le discipline

Chimica, Civile, Ambientale, Meccanica, Sistemi …

• Applicarla nei vari stadi di progettazione

Architettura molecolare per costruire composti chimici

Architettura di prodotto per creare un oggetto d’uso

Architettura urbana per costruire una città

Attilio Citterio

Cosa è “Verde”?

Sostenibile

Più benigno e più compatibile per la gente e per il pianeta

La

Strada

per la

Sostenibilità

Energia pulita

Fonti rinnovabili

ProdottiPuliti

EcologiaIndustriale

EPA vision

Attilio Citterio

”Dalla nascita alla morte”

Impatti su:

• Salute umana

• Ecosistemi

• Risorse

Valutazione dell’Impatto 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 da tener presente nel prendere decisioni, per quanto

possibile, in merito a tutte le implicazioni su risorse, consumi, ambiente,

salute, socialità e economia 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 degli scarti.

Questo processo aiuta ad 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

Risorse

Rinnovabile Non rinnovabile

Energia Solare

Aria, Vento

Suolo, Piante

Acqua, Maree, Correnti

Comb. FossiliPetrolioCarbone

Gas Naturale

Minerali non metallici

SaliFosfati

Mineralimetallici

FerroRame

Alluminio

Fonti/Risorse = Materia Ottenuta dall’Ambiente

(vivente o non) per Soddisfare i Bisogni Umani

Attilio Citterio

Sostenibilità Globale delle Fonti:

Il Ciclo Globale del Rame, 1990-2000 (Kt)

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

MineraleProdotti

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

Chimica Biotech Agronomia

Industria

Petrolchimica

Agricoltura

e Foreste

Componenti

fondamentali

Prodotti

di consumo

ProduzioneRiciclo

Ingegnerizzazione

Lavorazione

Fonti (Non Rinnovabili e Rinnovabili/Verdi)

Attilio Citterio

Biotecnologia Industriale (IB) Catena del Valore

Di

massaBiocombustibili

H2

Etanolo

Zuccheri(Sotto)-

prodotti

agricoli

Biochimici Ingredienti cibo

Farmaci, Prodotti

della Chimica Fine

Biomateriali

Acido polilattico

1,3-propanediolo

PHA

Trattamento fisico

e/o enzimatico

(Micro-)organismi

biocatalisiFine

Fonte: DSM (2004): Industrial (White) Biotechnology

Attilio Citterio

Fonti Energetiche

La maggior parte dell’energia usata dall’uomo è ricavata da varie fonti,

alcune primarie, altre derivate da queste

Fonti Primarie:• Energia solare

• Energia lunare

• Energia geo

– Geotermica

– Nucleare

Fonti Derivate:

• Primo ordine

• Combustibili Fossili

• Biomasse

• Cadute d’Acqua

• Maree

• Vento

• Onde

• Secondo ordine

• Elettricità

• Animale

• Umana

Valori medi della

distribuzione dei

consumi di

energia (in TW)

Totale: 13.0 ,

U.S.A.: 3.3 ,

Italia : 0.25

(TW = Terawatt)

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

Petro

lio

Gas

Ca

rbo

ne

Idro

Bio

ma

ss

e

Rin

no

vab

ili

Nu

cle

are

4,52

2,70 2,96

0,286

1,21

0,280,828

TW

Attilio Citterio

30Sostenibilità delle Fonti Energetiche:

Potenziale del Mercato dei Combustibili

X1 : la valutazione indica un potenziale teorico per I biocombustibili fino al 9%.

X2 : questa valutazione indica un potenziale teorico per I biocombustibili fino ad

1/3 dell’attuale mercato dei combustibili.

Attilio Citterio

Biocombustibili:

Biocarburanti di Prima Generazione

Bio-etanolo

Miscela con

o sostituto

della

benzina

Zuccheri:

barbabietola da zucchero;

canna da zucchero;

Amidi: cereali

[fermentazione+]

Biodiesel

Processi di Produzione

Miscela

con o

sostituto

del diesel

Oli Vegetali:

olio di colza, di

girasole, di palma

[esterificazione+]Resa: 1,300 l/ettaro per

anno equivalente diesel

Bilancio CO2: -(40-60%)

Resa: 2,500 l/ettaro per

anno equivalente diesel

Bilancio CO2: -(30-80%)

Attilio Citterio

Riscaldamenti Alternativi (vecchi e nuovi)

Microonde bagno mantello becco

ad olio riscaldante Bunsen

Attilio Citterio

Progettazione per l’Ambiente (DfE):

Sviluppo Integrato di un Prodotto

Tecnico

EcologicoEconomico

Materie prime Produzione Uso Fine vita Materie prime Produzione Uso Fine vita

Criteri

Progettazione Azioni

Cambio obiettivo

Cambio funzione

Cambio principio

di lavorazione

Cambio progetto

Cambio materiali

Attilio Citterio

Ecosistemi Naturali e Industriali e DFE:

Metabolismo Industriale

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

• ripristino

• conservazione e controllo della popolazione

• permanenza in loco delle tossine

• funzione multiple di un organismo

Attilio Citterio

35Ecologia Industriale: Integrazioni di Fonti e Scarti:

Parchi Eco-industriali e Simbiosi Industriale

L’esempio più noto è quello del

parco di Kalundborg.

Questo implica 5 aziende:

• La centrale termica “Asnæs”,

alimentata a carbone

• La raffineria “Statoil”

• Un produttore di cartongesso,

Gyproc

• Un’azienda biotec, la Novo

Nordisk

• L’acquedotto municipale e il

teleriscaldamento

Centrale termicaImianto

produzionegesso

serre

ImpiantoFarmaceuticoEnzimi

Fattorie locali

Allevamentopesci

Cementificio

Industria acido solforico

zolfo Acqua calda

RaffineriaStayoil

vapore diprocesso

Acquacalda

ceneri

Surplusgas

gesso

condensato

Scarti chimici

fanghi

Vapore & calore

Gas ineccesso

Attilio Citterio

NOTA: VOC = composti organici volatili, TRI = inventario rilasci tossici, ODS = sostanze che riducono

l’ozono, GLW = Reflui, TOC = carbonio organico totale, BOD = richiesta biologica di ossigeno.

Processi:

Misure Usate nella Produzione Chimica

Materiale di

imballaggioKgs/Kg prodotto

Materie prime

Kgs/Kg prodotto

% rinnovabile

AcquaLitri/Kg prodotto

EnergiaEnergia (Costo/kJ)

Energia Netta (kJ/kg)

Energia Netta (kJ)

Reazioni

chimicheSeparazione e

raffinazione ProdottiEtichettatura

Venditori

Addestramento

Recuperi EnergiaSotto-prodottiKgs/kg prodotto

AtmosferaStrumenti di

controllo emissioni

Sistemi di

controllo

ScartiClassificaz.

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

Scelta del Processo:

Ossido di Propilene – vie di Sintesi Alternative

• Via Cloridrina

Quantità stechiometriche di

sale CaCl2 di scarto

• Via ARCO

Buona se MTBE si può usare

via tert-butanolo

• Via POSM

Sempre più popolare, ma co-

prodotto stirene

• Ossidazione diretta

Ancora non fattibile ma

studiata da molti aziende.

CH3CH(CH3)CH3 + O2 → (CH3)3COOH

(CH3)3COOH + CH3CH=CH2 → PO + TBA

C2H5C6H5 + O2 → Idroperossido

Idroper. + CH3CH=CH2 → PO + Stirene

CH3CH=CH2 + H2O2 → PO + H2O costi??

CH3CH=CH2 + HOCl → CH3CH(OH)CH2Cl

Ca(OH)2 → PO + CaCl2 + H2O

Ti

silicalite

PO =

O

CH3

≡ CH CH2

O

CH3

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 L

ivell

i d

i P

rev

en

zio

ne

4 L

ivell

i d

i M

itig

azio

ne

Sicurezza Intrinseca. Prevenzione/Mitigazione:

Strati di Protezione di un Impianto Chimico

Attilio Citterio

Progettazione di Reazioni e Processi:

Abilitare l'Innovazione in Chimica

Tecnologia

In silico-

Sistemi esperti

Processo

Nanotecnologia

Bio-processo

Proget.

Prodotto

Catalisi

Demand Planning

Campaign Planning

Sistemi di gestione

dei processi

Sintesi

Flessibilità

Efficienza economica

Meno scarti

-100

0 Cooling water/Air

100 D3-Gen.

200 Hot Utility D3 D6

300

400 SourceD31-Gen.

500

Enthalpy

Sink

Cold UtiliDty6-Gen.

D31

R(-20)

STem

pera

ture

[°C

]

Sintesi di

Processo

Attilio Citterio

Intensificazione di Processo:

Aspirazioni dell’Industria Chimica

Dove siamo ... ... e dove vorremmo essere

Attilio Citterio

Intensificazione di Processo:

Esempi di Apparecchiature Intensificate

Attilio Citterio

Intensificazione di Processo:

Reattore Microstrutturato per Epossidazione

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

CH CH2

O

CH3

CH CH2CH3

+H2O

2( vap) / -H

2O

TS -1> 95%

http://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/fileadmin/documents/brochures/uhde_brochures_pdf_en_10000032.pdf

Attilio Citterio

Prevenzione e Riduzione

Riciclo e Riuso

Trattamento

Smaltimento

Sostenibilità del Prodotto e del Processo:

Gerarchia nella Prevenzione dell’Inquinamento

Au

me

nto

So

ste

nib

ilit

à

Attilio Citterio

Segmento Industria Tonnellaggio Rapporto Kg

Sottoprodotti/Kg Prodotto

Raffinazione Petrolio 106 - 10

8<0.1

Chimica di Base 104 - 10

61 - 5

Chemica Fine 102 - 10

45 - 50

Farmaceutici 10 - 103

25 - 100+

R A Sheldon J. Chem. Tech. Biotechnol. 1997, 68, 381

0 20 40 60 80 100

Raffineria

Chimici di base

Chimica fine

Farmaceutici

kg rifiuto/kg prodotto

Processi: Scarti nell'Industria Chimica

Da dove provengono gli scarti?

• Le aree tradizionalmente ritenute più

sporche (raffinazione del petrolio e

produzione chimica di base) sono di

fatto più pulite (in relazione all'elevata

quantità trattata - lo devono essere

per i bassi margini economici).

• Le industrie più nuove con margini di

profitto più alto e che usano chimica

complessa scartano molto di più.

Attilio Citterio

Costi degli Scarti:

nell’Industria Chimica di Specialità

Ripartizione dei Costi di Produzione di Tipici Composti Chimici di Specialità

Materiali Lavoro

Deprezzamento Capitale Rifiuti

Energia & Servizi

Suddivisione dei Costi per i Rifiuti

Materiali

Trattamento eSmaltimento

DeprezzamentoCapitale

Lavoro

Attilio Citterio

AMFAARPAA

AJAASBCAA

ESAA-AECAFFRAA

FEAPRAIRA

NWPAACODRA/NMSPAA

FCRPAMMPAA

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

EPACTFFCACERFACRAA

PPAPPVAIEREAANTPAGLCPAABACZARAWRDAEDPOPARECACAAAGCRAGLFWRAHMTUSANEEA

SDWAASARA

BLRAERDDAAEAWANOPPAPTSAUMTRCAESAAQGANCPA

TSCAFLPMARCRANFMACZMAA

NEPAEQIACAAEPAEEAOSHAFAWRAANPAA

FRRRPASOWADPA

WSRAEARCFHSA

AQA

NAWCA

WQA

NWPA

MPRSAAARPA

HMTA

FCMHSA

NHPA

WLDAFWCAA

FWAAEA

AEPA FIFRA PAA

FAWRAMBCANPSWA

IANBRA

AARHAYA

TAFWCA

BPA

NLRAWPA

AQAFOIA

WRPAAFCA

FHSANFMUA

BLBAFWPCAMPRSA

CZMANCA

FEPCAPWSAMMPA

ESATAPA

RCRAAWLDI

APASWDA

CERCLACZMIA

COWLDAFWLCA

MPRSAA

CAAACWA

SMCRASWRCASDWAA

Nu

mero

di le

gg

i

Emissioni/scarti:

Crescita Cumulativa delle Norme Ambientali

Attilio Citterio

Ampiezza dello Spazio Chimico: Numero di

Composti Chimici (Stime EPA, 2015)

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 solo C, N,

O, o S, sono possibili più di 1060 strutture!

• Espandendo gli elementi disponibili ad altri eteroatomi (quali, P e alogeni), i

limiti al numero di possibili strutture supera l’immaginazione.

• Il tutto chiarisce quanto sia ampio lo “spazio chimico”

Attilio Citterio

Rischio = f(Pericolo, Esposizione)

Leggi e Rischio Chimico

Le leggi attuali, 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 dell’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 posizione nell’area della

ricerca e sviluppo sia nell’industria che nelle università. Molte

conferenze e riunioni si tengono ogni anno su questo tema.

Rischio = f(Pericolo, Esposizione)

Riduzione del Pericolo/Chimica per la Sostenibilità

Controllando il pericolo, non è necessario preoccuparsi dell’esposizione!

Attilio Citterio

Trattati Internazionali: Great Lakes Quality

Agreement (1978) e COP21 (Parigi - 2015)

• Accordo tra U.S. e Canada

• Creata una commissione

congiunta internazionale per stilare

norme e formulare

raccomandazioni su tutte le azioni

che producevano effetti sui Grandi

Laghi, i loro affluenti e le aree

costiere adiacenti.

• Alla conferenza sul clima di Parigi

(COP21) nel Dicembre 2015, 195

paesi hanno adottato la prima

risoluzione universale sul controllo

del clima (per non superare i 2°C).

Attilio Citterio

Trattati Internazionali: Protocollo di Montreal

• Affronta il problema della diminuzione dell’ozono

• Requisiti del Protocollo 1987:– riduzione del 50% nei livelli di produzione dei CFC del1986 entro il

1999

Blocco della produzione dell’halon ai livelli di consumo del 1986

• Emendamento di Londra (1990):

– Dismissione della produzione dei CFCs dal 2000

• Emendamenti del 1992:

– Programma accelerato di riduzione dei distruttrori dell’ozono

• Implementazione in U.S. via Title VI del Clean Air Act:– La produzione di tutte le sostanze di Classe I (CFC, halons, CCl4,

CH3CCl3) dismesse dal 2000

– La produzione di sostanze in Class II (HCFC) dismessa dal 2030

Attilio Citterio

Trattati Internazionali:

Protocollo di Kyoto e Accordo di Parigi

• Il protocollo di Kyoto Intendeva affrontare il problema delle

emissioni di gas serra, sottoscritto nel 1998 da varie

nazioni, ma non ratificato da U.S., Cina, ecc..

• Se ratificato, una nazione doveva:

– Ridurre le emissioni di gas serra (CO2, NOx e CH4) del 7% rispetto

ai livelli del 1990.

– Ridurre HCFC, CFC e HFC del 7% sotto i livelli del 1995 nel

periodo dal 2008 al 2012.

– Conteneva anche disposizioni in cui si potevano ottenere crediti

per le emissioni di gas serra ricorrendo ad attività che riducono il

carbonio, per es. riforestazione.

• Accordo di Parigi (2015) inteso a rafforzare la risposta

globale alla sfida dei cambiamenti climatici, nel contesto di

uno sviluppo sostenibile e sforzi per sradicare la povertà.

Attilio Citterio

Legislazione Europea REACh

La chimica verde è supportata da un contesto di leggi Europee che

prevede crescenti restrizioni in termini di protezione della salute umana e

dell'ambiente …

Norme per ridurre la tossicità di sostanze chimiche

REACh 2006: Regolamento su "Registration, Evaluation, Authorisation

and Restriction of Chemicals". E' entrato in vigore il 1o Giugno 2007 e le

registrazioni sono partite nel 2008, finisce nel 2018.

1999/13/CE : diminuzione delle emissioni dei Composti Organici Volatili

1999/45/CE : direttiva sui prodotti pericolosi

2004/42/CE : direttiva limitanti l’uso dei solventi nelle vernici.

In base al sistema REACh, le aziende che producono o importano più di una tonnellata di una

sostanza chimica all'anno, devono fornire informazioni sulle proprietà della sostanza, presentare

un'analisi del rischio associato all'uso della sostanza, e registrarle in una banca dati apposita presso

l'Agenzia Europea dedicata al proposito: European Chemicals Agency (ECHA English). SITO: http

://echa.europa.eu/home_en.asp

Attilio Citterio

Trattati Internazionali:

International Organization for Standards

• La “International Organization for Standards” (ISO) è una

organizzazione privata non-governativa fondata in Svizzera nel 1947.

• Promuove l’armonizzazione internazionale e lo sviluppo degli

standard di produzione, di prodotto e di comunicazione.

• Rilevante è le serie ISO 14000 – standard di gestione ambientale:

Volontaria

Standard e documenti guida sulla gestione ambientale, eco-

etichettatura, auditing, valutazione del ciclo di vita e valutazione

delle prestazioni ambientali.

Richiama le politiche ambientali che rappresentano un impegno al

rispetto ambientale e alla prevenzione dell’inquinamento.

Intende promuovere nelle organizzazioni dei sistemi efficaci si

gestione ambientale. Gli standard si propongono di fornire degli

strumenti economici che facciano uso delle migliori prassi per

organizzare e applicare le informazioni sulla gestione ambientale.

Attilio Citterio

Green Chemistry:

• P. T. ANASTAS, WILLIAMSON Green Chemistry: Frontiers in benign

chemical syntheses & processes UOP, ISBN No. 0198501706 (1990).

• P. T. ANASTAS, J.C. WARNER, Green Chemistry: Theory and Practice,

UOP, ISBN No. 0198506988 (1990).

• P.T. ANASTAS, HEINE, WILLIAMSON, Green Chemical Syntheses &

Processes, UOP ISBN 084123678x (2001).

• CANN, CONNELLY Real World Cases in Green Chemistry, ACS, ISBN

0841237336 (2000).

• Di DUNCAN, J. MACQUARRIE, J.H. CLARK, Handbook of Green Chemistry

and. Technology, Blackwell, Oxford. ISBN 0632057157 (2002).

• M. Lancaster, Green Chemistry An Introductory Text; Royal Society of

Chemistry: Cambridge, UK, 2002.

• Di V. K. Ahluwalia, M. Kidwai New Trends in Green Chemistry, Springer.

ISBN 140201872X (2004).

• A. Matlack, Introduction to Green Chemistry CRC Press (2001) ISBN

0824704118

• K.M. Doxsee, J.E. Hutchinson, Green Organic Chemistry: Strategies, Tools,

and Laboratory Experiments; Brooks/Cole, Thomson Learning Inc., 2004.

Testi sulla Chimica Verde e Sotenibie

Attilio Citterio

Testi sulla Chimica Verde e Sostenibile

• R. Sanghi, M. M. Srivastava Green Chemistry: Environment Friendly Alternatives, Alpha Science International, Ltd (2003).

• Doxsee & Hutchison, Thomson Green Organic Chemistry: Strategies, Tools, and Laboratory Experiments, 2004.

• Girard, J.E. Principles of Environmental Chemistry; Jones and Bartlett: Sudbury, MA, 2005.

• A. Perosa, F. Zecchini, P. Tundo Methods and Reagents for Green Chemistry: An Introduction, Wiley-Interscience (2007) ISBN 0471754005

• Handbook of Green Chemistry - Green Processes, III; Wiley-VCH, Weinheim(2012) ISBN 978-3-527-31576-5 .

Green Metrics: • Marco Eissen, Jürgen O. Metzger, Eberhard Schmidt and Uwe Schneidewind,

10 Years after Rio: Concepts on the Contributions of Chemistry to a Sustainable Development, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 414-436.

• Andraos, J. Org. Proc. Res. Develop. 2005, 9, 149; 404

Sustainability Ethics: • Hans Jonas, The Imperative of Responsibility: In Search of an Ethics for the

Technological Age, Univ. Chicago Press, Chicago, 1984.

Attilio Citterio

Testi sulla Ingegneria Verde

• Anastas, P. T.; Zimmerman, J. B., “Design through the Twelve Principles of Green Engineering.” Environmental Science and Technology, 37 (5): 94A-101A, 2003.

• McDonough, W.; Braungart, M.; Anastas, P.T.; Zimmerman, J.B. “Applying

the Principles of Green Engineering to Cradle-to-Cradle Design.”

Environmental Science and Technology, 37 (23): 434A-441A, 2003.

• M. Doble, A.Kumar Green Chemistry and Engineering Academic Press (2007)

ISBN 0123725321.

• Roger Arthur Sheldon, Isabel Arends, and Ulf Hanefeld Green Chemistry and

Catalysis Wiley-VCH (2007) ISBN 352730715X.

• P.T. Anastas, C.A.M. Afonso, J.P.G. Crespo Green Separation Processes:

Fundamentals and Applications Wiley-VCH, (2005) ISBN 3527309853.

• P.T. Anastas, L.G. Heine, T.C. Williamson Green Engineering (Acs

Symposium Series, 766) Oxford Univ. Press (2001), ISBN 0841236771.

• Lankey, R.L., Anastas, P.T. (Eds). Advancing Sustainability through Green

Chemistry and Engineering. Washington 2002, Oxford University Press.264 p

• http://www.greenbiz.com/enewsletter

Attilio Citterio

Letture sulla Minimizzazione dei Rifiuti

R Carlson, Silent Spring, Houghton Mifflin, 1962, New York

Freeman, H. M., Industrial Pollution Prevention Handbook, McGraw Hill, 1995.

D. Luper Chem. Eng. Prog. 1996, 92, 58.

J Aguado & D Serrano, Feedstock Recycling of Plastic Wastes, 1999, Royal

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C Christ, Production-Integrated Environmental protection and Waste Management

in the Chemical Industry, Wiley-VCH, 1999, Weinheim

Storia dello sviluppo dei detergenti e relativi problemi ambientali

www.chemistry.co.nz/detergenthistory.htm

Bishop, P.E., Pollution Prevention: Fundamentals and Practice, McGraw Hill,

2000.

Air Pollution Prevention and Control: Bioreactors and Bioenergy (C. Kennes, M.

C. Veiga (Eds) Wiley, 2013.

Waste Management and Valorization: Alternative Technologies, (E. C. Rada Ed.)

Apple Academic Press, 2016.

J.P. Chen, L.K. Wang, M.S. Wang, Y. Hung, N.K. Shammas: Remediation of

Heavy Metals in the Environment,, CRC Press, 2016.

Attilio Citterio

Informazioni sulla Chimica Verde e

Sostenibile

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Real-world Cases in GC (M.C. Chann, M.E. Connelly)

http://academic.scranton.edu/faculty/CANNM1/greenchemistry.html

Attilio Citterio

Riferimenti Vari

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