School of Industrial and Information Engineering Course (095857) Introduction to Green and Sustainable Chemistry A.A.

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School of Industrial and Information Engineering Course (095857) Introduction to Green and Sustainable Chemistry A.A. 2017/2018 Sommario del corso Prof. Dipartimento CMIC Giulio Natta

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School of Industrial and Information Engineering Course (095857) Introduction to Green and Sustainable Chemistry A.A. 2017/2018 Sommario del corso Prof. Dipartimento CMIC Giulio Natta Tel. : Estremi del Corso Lezioni: Tuesday (Room D.3.2) Wednesday (Room B.5.5/LAB MA1) Friday (Room B.6.1/LAB MA1) Lab. Mancinelli (Wednesday or Friday) dal 19/09/2017 al 22/12/2017 (lect.: 34(8) + 17(5) h, lab.: 12 h, Es.: 16(8). Lucidi di PowerPoint in pdf (adobe acrobat) a: Chemistry) Requisiti: almeno 5 crediti di Chimica Generale (e 5 crediti di Chimica Organica). Corso predisposto per: Ingegneri Chimici, Ingegneri della Sicurezza (5 crediti) e Ingegneri Ambientali (primo e secondo livello, 8 crediti) che sono interessati al futuro delle attività umane sul pianeta Terra. Localizzazione delle Aule 3 Complesso Mancinelli Aula D23 Aula B6.1 Aula B.5.5 Sito del Corso : Scegliere per accedere ai dettagli del corso Sito del Corso : Scegliere per vedere i link alla sequenza delle lezioni Pagina del Corso con i file pdf: Sciegliere i simboli per vedere i files pdf 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) 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 Alcune declinazioni: Rio de Janeiro, Brazil 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, CO 2, 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) Preoccupazioni per le Risorse Comuni 9 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 attività ittiche, costo e reddito. TR = reddito totale E = livello di attività ittica MEY = max. resa economica MSY = max. resa sostenibile OA = accesso libero Reddito TR MEY Costo The Question of the Commons B.J. McCay and J.A. Acheson Eds. Tucson, , 1987 TC MEY E MEY E MSY E OA Attività ittica Regimi Socio-Ecologici nella Storia Umana uso annuale pro capite Energia Materiali Metabolismo umano di base (immissione di biomasse via nutrizione) Cacciatori-raccoglitori (uso incontrollato dell'energia solare) Società Agricola (uso controllato dell'energia solare) Società Industriale/Tecnologica (uso di energia fossile) 3.5 GJ 1 t GJ 2-3 t GJ 4-5 t 250 GJ t 2 A. Citterio, POLITECNICO DI MILANO Dipartimento CMIC - Via Mancinelli, Milano Quantificazione della Sostenibilità 11 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 nel cui arco si deve valutare la sostenibilità. Generalmente un intervallo di 50 anni (cioè grossomodo due generazioni umane) è considerato un periodo ragionevole per una valutazione. 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: Ω 1 : mantenimento dell esistenza della specie umana Ω 2 : mantenimento della capacità per uno sviluppo sostenibile e la stabilità dei sistemi umani Ω 3 : mantenimento della diversità della vita Ω 4 : 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. 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). Equità Bisogni SOCIALI Profitto ECONOMICO Sostenibilità Vivibilità Eco efficienza Rispetto AMBIENTALE Nella comunità economica la sostenibilità è etichettata the triple bottom line 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). Nuova Sensibilità 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 Non si deve dimenticare la nostra impronta chimico-ecologica Ecologia Industriale (Obiettivi) Tipo I Tipo II Tipo III Risorse Illimitate Energia e Risorse Limitate Energia e Risorse Limitate Componente Ecosistema Componente Ecosistema Componente Ecosistema Degradazione illimitata a scarto Componente Ecosistema Componente Ecosistema Componente Ecosistema Componente Ecosistema Scarti Limitati Gli ATOMI nei Rifiuti non differiscono da quelli nelle Materie Prime!!! Cicli di Produzione Integrata (Ciclo di Vita dei Prodotti, Incluse le Attività-Ri) Ri-fabbricazione Ri-ciclo Produzione e assemblaggio Recupero Materiali ingegnerizzati e di specialità Lavorazione primaria Acquisizione materie prime Scarti Terra e biosfera Utilizzo e assistenza Raccolta Trattamento discarica Ri-uso Circuito aperto Ecologia Industriale - Chimica per la Sostenibilità - Sicurezza Intrinseca Ingegneria Sostenibile 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 Chimica Sostenibile Ingegneria sostenibile Ecologia industriale (DfE) Progettazione per l ambiente Sviluppo sostenibile 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 Via allo Sviluppo Sostenibile Approcci pratici Supporti Operativi Obiettivo strategico Sviluppo sostenibile Chimica Verde Ingegneria Verde Ecologia Industriale Catalisi Gestione reflui Intensificazione di processo, fonti Energia rinnovabile Mezzi per il monitoraggio Valutazione Ciclo di vita Metrica Verde PAT e QdB 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 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 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 Prodotti Puliti Ecologia Industriale EPA vision Valutazione dell Impatto del Ciclo di Vita Dalla nascita alla morte Impatti su: Salute umana Ecosistemi Risorse 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 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.. Fonti/Risorse = Materia Ottenuta dall Ambiente (vivente o non) per Soddisfare i Bisogni Umani Risorse Rinnovabile Non rinnovabile Energia Solare Aria, Vento Comb. Fossili Petrolio Carbone Gas Naturale Minerali metallici Ferro Rame Alluminio Acqua, Maree, Correnti Suolo, Piante Minerali non metallici Sali Fosfati Sostenibilità Globale delle Fonti: Il Ciclo Globale del Rame, Minerale 10,710 Produzione laminatoi, fonderie, raffinaz. 200 Riserve Catodo 11,550 Fabbricazione e produzione Prodotti 11,650 Uso 7,800 Riserve Rifiuti 3,850 Trattamento Reflui 250 Ritagli, Scorie Ritagli rilavorati 1,550 Nuovi Scarti 580 1, Vecchi Scarti 2,040 Discarica, dissipati 1,810 Lit. - 10,710 Riserve +3,110 Confini del Sistema (Sistema Chiuso): STAF World Fonti (Non Rinnovabili e Rinnovabili/Verdi) Chimica Biotec Agronomia Agricoltura Industria e Foreste Petrolchimica Ingegnerizzazione Produzione Componenti fondamentali Prodotti di consumo Lavorazione Riciclo Biotecnologia Industriale (IB) Catena del Valore Biocombustibili H 2 Etanolo Di massa (Sotto)- prodotti agricoli Zuccheri Biomateriali Acido polilattico 1,3-propanediolo PHA Trattamento fisico e/o enzimatico (Micro-)organismi biocatalisi Biochimici Ingredienti cibo Farmaci, Prodotti della Chimica Fine Fine Fonte: DSM (2004): Industrial (White) Biotechnology Fonti Energetiche La maggior parte dell energia usata dall uomo è ricavata da varie fonti, alcune primarie, altre derivate da queste Valori medi della distribuzione dei consumi di energia (in TW) Totale: 13.0, U.S.A.: 3.3, Italia : 0.25 (TW = Terawatt) Fonti Primarie: Energia solare Energia lunare Energia geo Geotermica Nucleare 5,00 4,00 3,00 TW 2,00 1,00 0,00 4,52 Petrolio 2,70 2,96 Gas Carbone 0,286 Idro 1,21 Biomasse 0,28 0,828 Rinnovabili Nucleare Fonti Derivate: Primo ordine Combustibili Fossili Biomasse Cadute d Acqua Maree Vento Onde Secondo ordine Elettricità Animale Umana Sostenibilità delle Fonti Energetiche: Potenziale del Mercato dei Combustibili 30 X 1 : la valutazione indica un potenziale teorico per I biocombustibili fino al 9%. X 2 : questa valutazione indica un potenziale teorico per I biocombustibili fino ad 1/3 dell attuale mercato dei combustibili. Biocombustibili: Biocarburanti di Prima Generazione Oli Vegetali: olio di colza, di girasole, di palma [esterificazione+] Processi di Produzione Biodiesel Resa: 1,300 l/ettaro per anno equivalente diesel Bilancio CO 2 : -(40-60%) Miscela con o sostituto del diesel [fermentazione+] Zuccheri: barbabietola da zucchero; canna da zucchero; Amidi: cereali Bio-etanolo Resa: 2,500 l/ettaro per anno equivalente diesel Bilancio CO 2 : -(30-80%) Miscela con o sostituto della benzina Riscaldamenti Alternativi (vecchi e nuovi) Microonde bagno mantello becco ad olio riscaldante Bunsen Progettazione per l Ambiente (DfE): Sviluppo Integrato di un Prodotto Cambio obiettivo Progettazione Cambio funzione Cambio principio di lavorazione Cambio progetto Cambio materiali Azioni Criteri Materie prime Produzione Uso Fine vita Ecologico Economico Tecnico Materie prime Produzione Uso Fine vita 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 Ecologia Industriale: Integrazioni di Fonti e Scarti: Parchi Eco-industriali e Simbiosi Industriale 35 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 Industria acido solforico Allevamento pesci Cementificio Acqua calda ceneri Fattorie locali zolfo fanghi Gas in eccesso Raffineria Stayoil Centrale termica Acqua calda vapore di processo Vapore & calore Impianto Farmaceutico Enzimi gesso condensato Scarti chimici serre Surplus gas Imianto produzione gesso Processi: Misure Usate nella Produzione Chimica Materiale di imballaggio Kgs/Kg prodotto Materie prime Kgs/Kg prodotto % rinnovabile Acqua Litri/Kg prodotto Altri: Responsible Care Compliance Incident Documentation Worst-Case Scenarios Environmental Audits Illness and Injury Frequencies Employee Wellness Employee Training Percento riusabile, riciclabile, biodegradabile Reazioni chimiche Strumenti di controllo emissioni Rese Primo-passo prima-qualità Resa finale Ottim. processo Recuperi Energia Energia Energia (Costo/kJ) Energia Netta (kj/kg) Energia Netta (kj) Separazione e raffinazione Scarti Classificaz. Pericolosi e Nonpericolosi Atmosfera Prodotti Etichettatura Sotto-prodotti Kgs/kg prodotto Kgs. Scarto non pericoloso/kg. prodotto Kgs. Scarto pericoloso /kg. prodotto Emissioni particolato Emissioni VOC Emissioni TRI Emissioni ODS Emissioni GLW Emissioni piogge acide Venditori Addestramento Discariche Incenerimento Trattamento Reflui al sistema idrico Condizione acque Sistemi di controllo TOC, BOD, Kgs/kg prodotto 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. Scelta del Processo: Ossido di Propilene vie di Sintesi Alternative CH 3 CH=CH 2 + HOCl CH 3 CH(OH)CH 2 Cl Ca(OH) 2 PO + CaCl 2 + H 2 O Via Cloridrina Quantità stechiometriche di sale CaCl 2 di scarto CH 3 CH(CH 3 )CH 3 + O 2 (CH 3 ) 3 COOH (CH 3 ) 3 COOH + CH 3 CH=CH 2 PO + TBA Via ARCO Buona se MTBE si può usare via tert-butanolo C 2 H 5 C 6 H 5 + O 2 Idroperossido Idroper. + CH 3 CH=CH 2 PO + Stirene Via POSM Sempre più popolare, ma coprodotto stirene CH 3 CH=CH 2 + H 2 O 2 PO + H 2 O Ti silicalite costi?? Ossidazione diretta Ancora non fattibile ma studiata da molti aziende. PO = O O HC CH 2 H 3 C H 3 C Sicurezza Intrinseca. Prevenzione/Mitigazione: Strati di Protezione di un Impianto Chimico 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 CHIMICA Progettazione Di Processo 5 Livelli di Prevenzione 4 Livelli di Mitigazione Progettazione di Reazioni e Processi: Abilitare l'innovazione in Chimica Proget. Prodotto Sintesi Bio-processo Processo STemperature [ C ] Catalisi Sintesi di Processo Source D31-Gen. 300 Sink D Hot Utility D3 D6 Cold UtiliDty6-Gen. 100 D3-Gen. 0 Cooling water/air R(-20) Enthalpy -100 Flessibilità Efficienza economica Meno scarti Tecnologia In silico- Sistemi esperti Sistemi di gestione dei processi Nanotecnologia Demand Planning Campaign Planning Intensificazione di Processo: Aspirazioni dell Industria Chimica Dove siamo e dove vorremmo essere Intensificazione di Processo: Esempi di Apparecchiature Intensificate Intensificazione di Processo: Reattore Microstrutturato per Epossidazione C H 3 Modello di Sintesi : CH CH 2 +H 2 O 2 ( vap) / -H 2 O TS - 1 95% H 3 C O HC CH 2 Reazione (microstrutturato) Mescolamento (microstrutturato) evaporazione H 2 O 2 (microstrutturato) Peculiarità: Modulare (operazioni unitarie, capacità) Multi-funzione (catalisi e reazione) Reazione sotto pressione Reazioni in regimi esplosivi Sostenibilità del Prodotto e del Processo: Gerarchia nella Prevenzione dell Inquinamento Aumento Sostenibilità Prevenzione e Riduzione Riciclo e Riuso Trattamento Smaltimento Processi: Scarti nell'industria Chimica Da dove provengono gli scarti? Segmento Industria Tonnellaggio Rapporto Kg Sottoprodotti/Kg Prodotto Raffinazione Petrolio 0.1 Chimica di Base Chemica Fine Farmaceutici 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. Farmaceutici Chimica fine Chimici di base Raffineria kg rifiuto/kg prodotto R A Sheldon J. Chem. Tech. Biotechnol. 1997, 68, 381 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 e Smaltimento Deprezzamento Capitale Lavoro Emissioni/scarti: Crescita Cumulativa delle Norme Ambientali Numero di leggi YA RHA WA NBRA IA AA NPS TA FWCA BPA MBCA AMFA ARPAA AJA ASBCAA ESAA - AECA FFRAA FEAPRA IRA NWPAA CODRA/NMSPAA FCRPA MMPAA FHSA NFMUA AEPA FIFRA PAA FCMHSA WLDA FWCAA FWA AEA FRRRPA SOWA DPA WSRA EA RCFHSA NLRA WPA FAWRA APA SWDA CERCLA CZMIA COWLDA FWLCA MPRSAA CAAA CWA SMCRA SWRCA SDWAA AQA FOIA WRPA AFCA BLBA FWPCA MPRSA CZMA NCA FEPCA PWSA MMPA ESA TAPA RCRAA WLDI HMTA NHPA ARPA NWPA AQ A NAWCA WQA MPRSAA 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 Ampie
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