Sommario del corso

Sommario del corso

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

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

Tel. : 02-23993082

School of Industrial and Information Engineering Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry A.A. 2019/2020

Estremi del Corso

Lezioni

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 17/09/2019 al 20/12/2019 (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.

Localizzazione delle Aule

Complesso Mancinelli

Aula 9.0.3

3

Aula B.5.5

Aula S.1.6

Sito del Corso :

http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/

Scegliere per

accedere ai dettagli del corso

Sito del Corso :

http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/general-introduction/

Scegliere per

vedere i link alla sequenza delle

lezioni

Pagina del Corso con i file pdf:

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

Scegliere i simboli per vedere i files pdf delle lezioni

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 - Materie prime da Biomasse Verde L6 – Bioprocessi e Biotecnologia

L7 –Energia e Chimica e Chimica/Ingegneria Verde

L8 - Ottimizzazione di Processi Chimici e Intensificazione di processo

L9 – Sicurezza intrinseca

L10 – 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 ma è un termine ambiguo. Comune definizione:

‘… sviluppo che soddisfa le necessità delle presenti generazioni 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 (Svezia)

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 influenzare negativamente 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

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

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

Reddito Costo

E_MSY E_OA

E_MEY TC_MEY

TR_MEY

Regimi Socio-Ecologici nella Storia Umana

uso annuale pro capite Energia Materiali

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

11

Quantificazione della Sostenibilità

Degli obiettivi realistici e difendibili per la sostenibilità e la loro attuazione non sono facili da stabilire in pratica, ma principi con cui si può procedre sono ragionevolmenti semplici. Essi sono:

 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’allocazione consentita

 Considerare le potenziali azioni correttive.

Spesso è necessario scegliere un orizzonte temporale su cui si deve valutare la sostenibilità. Generalmente un intervallo di 50 anni (cioè grossomodo due generazioni umane) è considerato un periodo

ragionevole per la valutazione.

Legare le Attività Industriali (Ecologia

Industriale) 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.

Sviluppo Sostenibile = Bilancio tra 3 Requisiti Primari:

I tre fondamenti della Sostenibilità:

 I bisogni della società (obiettivo sociale)

 L’impiego efficiente delle scarse risorse (obiettivo economico)

 La necessità di ridurre la

pressione sull’eco-sistema al fine di mantenere le basi

naturali per la vita (obiettivo ambientale).

Profitto ECONOMICO

Bisogni SOCIALI

Equità Eco –

efficienza

Vivibilità

Rispetto AMBIENTALE Sostenibilità

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. Progettare prodotti basati sul concetto di riciclo, e

f. Sviluppare prodotti basati su risorse rinnovabili e cicli biologici.

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

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

1 2

3

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

Risorse Illimitate

Componente Ecosistema

Degradazione illimitata a scarto

Tipo I

Scarti Limitati

Componente Ecosistema Componente

Ecosistema

Componente Ecosistema

Energiae Risorse Limitate

Tipo II

Componente Ecosistema Componente

Ecosistema

Componente Ecosistema

Energia e Risorse Limitate

Tipo III

Ecologia Industriale (Tipi di Regimi Industriali)

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

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 (Economia Circolare)

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

Scarti

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

Percorso allo Sviluppo Sostenibile

Approcci pratici Supporti Operativi

Obiettivo strategico

Sviluppo sostenibile

Chimica Verde

Ingegneria Verde

Ecologia Industriale

Energia rinnovabile

Catalisi

Gestione reflui Metabolismo

Intensificazione di processo, fonti

Mezzi per il monitoraggio

Valutazione Ciclo di vita

Metrica Verde PAT e QdB Bio-imitazione

Bio-sostenibilità

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

”Dalla nascita alla morte”

Impatti su:

• Salute umana

• Ecosistemi

• Risorse

Valutazione dell’Impatto del Ciclo di Vita

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..

Risorse

Rinnovabile Non rinnovabile

Energia Solare Aria, Vento

Suolo, Piante Acqua, Maree, Correnti

Comb. Fossili Petrolio Carbone Gas Naturale

Minerali non metallici

FosfatiSali

Minerali metallici

Ferro AlluminioRame

Fonti/Risorse = Materia Ottenuta dall’Ambiente (vivente o non) per Soddisfare i Bisogni Umani

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 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

Chimica Biotech Agronomia

Industria Petrolchimica

Agricoltura e Foreste

Componenti fondamentali

Prodotti di consumo

Produzione Riciclo

Ingegnerizzazione

Lavorazione

Fonti (Non Rinnovabili e Rinnovabili/Verdi)

Biotecnologia Industriale (IB) Catena del Valore

Bulk

Biocombustibili

H₂ Etanolo

Composti chimici di base (Sotto)-

prodotti agricoli forestali

Biochimici

Ingredienti cibo Farmaci, Prodotti della Chimica Fine

Biomateriali Acido polilattico 1,3-propanediolo

PHA

Trattamento fisico e/o enzimatico

(Micro-)organismi biocatalisi

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:

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

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Petrolio Gas Carbone Idro Biomasse Rinnovab Nucleare

4,52

2,70 2,96

0,286 1,21

0,280,828 TW

Sostenibilità delle Fonti Energetiche: 30

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.

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%)

Riscaldamenti Alternativi (vecchi e nuovi)

Microonde bagno mantello becco ad olio riscaldante Bunsen

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 d’obiettivo Cambio di funzione Cambio del principio

di lavorazione Cambio di progetto Cambio dei materiali

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: 35

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 termica Imianto

produzione gesso serre

Impianto Farmaceutico Enzimi Fattorie locali

Allevamento pesci Cementificio

Industria acido solforico

zolfo Acqua calda

Raffineria Stayoil

vapore di processo

Acqua calda

ceneri

Surplus gas

gesso

condensato

Scarti chimici fanghi

Vapore &

calore Gas in

eccesso

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 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

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 = ^≡

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 Livelli di Prevenzione4 Livelli di Mitigazione

Sicurezza Intrinseca. Prevenzione/Mitigazione:

Strati di Protezione di un Impianto Chimico

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)

S^Temp

erature[°C]

Sintesi di Processo

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

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

> 95%

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

Prevenzione e Riduzione

Riciclo e Riuso

Trattamento

Smaltimento

Sostenibilità del Prodotto e del Processo:

Gerarchia nella Prevenzione dell’Inquinamento

Aum ento So st enibilit à

Segmento Industria Tonnellaggio 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+

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.

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

ARPAAAMFA ASBCAAAJA ESAA -AECA FFRAA FEAPRA NWPAAIRA 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 FFCACERFA CRAA PPAPPVA IEREA ANTPA GLCPA ABACZARA WRDAEDP OPARECA CAAAGCRA GLFWRA HMTUSA NEEA

SDWAA SARA BLRAERDDAA EAWANOPPA PTSAUMTRCA ESAAQGA NCPA TSCAFLPMA RCRANFMA CZMAA NEPAEQIA CAAEPA EEAOSHA FAWRAA NPAA FRRRPA

SOWADPA

WSRAEA RCFHSA

AQA

NAWCA

WQA

NWPA

MPRSAA ARPA

HMTA

FCMHSA

NHPA WLDA FWCAA AEAFWA

AEPA FIFRA PAA

FAWRA NPS MBCA

WA IA NBRA RHA AA

YA

FWCATA BPA

NLRAWPA

FOIAAQA

WRPAAFCA

NFMUAFHSA FWPCABLBA MPRSA CZMANCA FEPCA MMPAPWSA

TAPAESA RCRAA APA WLDI

CERCLASWDA CZMIA COWLDA FWLCA MPRSAA

CAAACWA SMCRA SWRCA SDWAA

Numero di leggi

Emissioni/scarti:

Crescita Cumulativa delle Norme Ambientali

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”

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.

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

• 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!

Trattati Internazionali: Great Lakes Quality Agreement (1978) e COP21 (Parigi - 2015)

Great Lakes Water Quality Agreement

• 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.

COP21 (Parigi 2015)

• 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).

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

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, NO_x 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.

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 1^o Giugno 2007 e le registrazioni sono partite nel 2008. Finito 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

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.

Chimica Verde:

• 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).

• H. W. Roesky (Editor), D. Kennepohl (Editor), J.-M. Lehn (Foreword by),

Experiments in Green and Sustainable Chemistry, Wiley-VCH 2009 ISBN: 978-3- 527-32546-7

• Andrew P. Dicks, Green Organic Chemistry in Lecture and Laboratory, Editor: CRC Press, University of Toronto, Ontario, Canada, Publication Date: August 29, 2011.

• 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.

• 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

Testi sulla Chimica Verde – Testi introduttori

Testi sulla Chimica Verde –

Livello Superiore Laurea e Laurea Magistrale

• B. Torok T. Dransfield, Green Chemistry, Elsevier, 2017.

• M. Lancaster, Green Chemistry An Introductory Text; (3^rd Ed.) Royal Society of Chemistry (RCS): Cambridge, UK, 2010.

• K. Sankaranarayanan, H. J. van der Kooi, J. de Swaan Arons Efficiency and

Sustainability in the Energy and Chemical Industries: Scientific Principles and Case Studies, II Ed.,, CRC Press, May 24, 2010.

• A. Matlack, Introduction to Green Chemistry (2^nd Ed), Un. Delaware, Newark, USA

• R. A. Sheldon, Green Solvents for Sustainable Organic Synthesis: State of the Art, (Critical Review from Green Chem., 2005, 7, 267-278.

• D. M. Mousdale, Introduction to Biofuels, Beocarta Ltd., Glasgow, Scotland.

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

• 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.

Testi di Chimica Verde – Argomenti Scelti Speciali

• P. T. Anastas, J. B. Zimmerman, Eds: Innovations in Green Chemistry and Green Engineering; Selected Entries from the Encyclopedia of Sustainability Science and Technology; Springer, 2013 edition.

• P. Wexler, J. van der Kolk, A. Mohapatra, R. Agarwal, (Eds.) Chemicals, Environment, Health: A Global Management Perspective, CRC Press, 2011.

• Cann, Connelly, Real World Cases in Green Chemistry, ACS, (2000) ISBN 0841237336

• Di Duncan, J. MacQuarrie, J.H. Clark, Handbook of Green Chemistry and.

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

• N. E. Leadbeater, Ed. Microwave Heating as a Tool for Sustainable Chemistry, University of Connecticut, Storrs, USA, Publication Date: September 02, 2010.

• Di V. K. Ahluwalia, M. Kidwai New Trends in Green Chemistry, Springer. ISBN 140201872X (2004).

• S. K. Sharma, Ed., Green Chemistry for Environmental Sustainability, India; (2010).

• M. C. Newman, Fundamentals of Ecotoxicology, 3^rd Ed.,, College of William & Mary, Gloucester Point, Virginia, USA., 2009.

• J.H. Clark, et al., Green Chemistry Series, RCS (DOI: 10.1039/1757-7047) 2005-2018

Testi sulla Chimica Verde - argomenti

Metrica Verde:

• 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.

• Andraos, J. Reaction Green Metrics: Problems, Exercises, and Solutions CRC Press, 2018 - ISBN 9781138388949

• A. P. Dicks, A. Hent, Green Chemistry Metrics, Springer, 2015.

• P. Anastas, Ed. Green Metrics, Vol 11, Wiley, 2018 (ISBN: 9783527326440).

• R. A. Sheldon, Metrics of Green Chemistry and Sustainability: Past, Present, and Future, ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 1, 32-48.

Etica della Sostenibilità:

• Hans Jonas, The Imperative of Responsibility: In Search of an Ethics for the Technological Age, Univ. Chicago Press, Chicago, 1984.

• https://www.icsi.edu/media/webmodules/PP-EGAS-2016%20-

%20Full%20Book%20(2)%2002feb2016.pdf

• https://www.cce.ufl.edu/wp-

content/uploads/2012/08/Ethics%20of%20Sustainability%20Textbook.pdf

• Kingsolver, Barbara, Camille Kingsolver, and Steven Hopp. 2008. Animal, Vegetable, Mineral: A Year of Food Life. New York: Harper Perennial.

Testi sulla Ingegneria Verde

• P.T. Anastas, L.G. Heine, T.C. Williamson Green Engineering (Acs Symposium Series, 766) ACS (2000), ISBN 0841236771.

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

• Lankey, R.L., Anastas, P.T. (Eds). Advancing Sustainability through Green Chemistry and Engineering. Washington 2002, Oxford University Press.264 p

• 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.

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

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

• 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.

• http://www.greenbiz.com/enewsletter

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 Society of Chemistry, Cambridge.

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.

Informazioni sulla Chimica Verde e Sostenibile

http://www.chemistry.org/portal/a/c/s/1/acsdisplay.html?

DOC=greenchemistryinstitute\index.html http://www.chemsoc.org/networks/gcn/

http://www.rsc.org/science/esef.html http://www.gscn.net/indexE.html

http://www.epa.gov/greenchemistry/index.html http://web.chem.monash.edu.au/GreenChem/

http://eco-web.com/

Presidential Green Chemistry Challenge Awards -Winners and nominations: http://www.epa.gov/greenchemistry/

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

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

Riferimenti Vari

• Adams, D.J., Dyson, P.J. & Tavener, S.T. Chemistry in Alternative Reaction Media. Chichester 2004, John Wiley & Sons Ltd. 251 p.

• Aresta, M. & Tommasi, I. Carbon dioxide utilization in the chemical industry. Energy Conversion Management 38(1997) p. S373-S378.

• Armor, N. Important Targets in Environmental Catalysis. Res. Chem. Int.. 24(1998) 2, p. 105-113.

• Centi, G., Perathoner, S. & Rak, Z.S. Reducing of greenhouse gas emissions by catalytic processes.

Applied Catalysis B: Environmental 41(2003) p. 143-155.

• Ehfeld, W., Hessel, V. & Löwe, H. Microreactors, New technology for modern chemistry. Weinheim 2000, Wiley- VCH Verlag GmbH. 288 p.

• Halmann, M.M. & Steinberg, M. Greenhouse gas carbon dioxide mitigation. New York 1999, Lewis Publishers. 568 p.

• Kara, M. & Pipatti, R. CO₂-poistoteknologia. Ilmansuojelu 2(1997) p. 28-33.

• Paul, J. & Pradier, C.-M. 1994. Carbon Dioxide Chemistry: Environmental Issues. Cambridge, 406 p.

• Wolsky, A.M., Caniels, E.J. & Jody, B.J. Environmental Progress 13(1994)3, p. 214-219.

• Anderson, N.G. 2000. Practical process research & development. New York, Academic Press. 354 p.

• Bisio, A. 1997. Catalytic process development: A process designer’s point of view, Catalysis Today 36, 367-374.

• Butner, R.S. 1999. A heuristics design advisor for incorporating pollution prevention concepts in chemical process design. Clean Products and Processes 1, 164-169.

• Cropley, J.B. 1990. Development of optimal fixed bed catalytic reaction systems. Chemical Engineering Progress 86, 2, 32-39.

• Fu, Y., Diwkar, M., Young, D. & Cabezas, H. 2000. Process design for the environment: A multi- objective framework under uncertainty. Clean Products and Processes 2, 92-107.

• Pennington, D.W. 1999. Chemical process design using heuristics in the context of pollution prevention. Clean Products and Processes 1, 170-179.