Analisi del ciclo di vita per il recupero di plastiche bromurate

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(1)

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Chimica

Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e

Scienze dei Materiale

TESI DI LAUREA

Analisi del ciclo di vita per il recupero di

plastiche bromurate

Relatori

Controrelatore

Prof. Dott. Luigi Petarca

Dott. Ing. Giovanni Polacco

Prof. Ing. Cristiano Nicolella

Candidata

Stefania Cipriano

(2)

Indice

I

NTRODUZIONE

______________________________________1

1.

A

PPARECCHIATURE

E

LETTRICHE ED

E

LETTRONICHE

,

T

RATTAMENTO A

F

INE

V

ITA

__________________________4

1.1 BFRs ( Brominated Flame Retardants) _____________________4

1.1.1 Ritardanti di fiamma bromurati di tipo additivo ______________________ 6 1.1.2 Ritardanti di fiamma bromurati di tipo reattivo _______________________ 7 1.1.3 Cenni sul meccanismo di estinzione della fiamma ____________________ 8

1.2

Plastiche in apparecchiature elettriche ed elettroniche ________9

1.2.1 Materiali plastici nelle WEEE ____________________________________ 9 1.2.2 Gestione dei rifiuti provenienti da EEE ____________________________ 11 1.2.3 Metalli nelle WEEE ___________________________________________ 12 1.2.4 Ritardanti di fiamma nelle WEEE ________________________________ 12 1.2.5 Smaltimento di schede elettroniche e WEEE _______________________ 14

1.3

Potenziali tecniche di riciclaggio del Bromo ________________18

1.3.1 Abbattimento di HBr e HCl nei fumi______________________________ 18 1.3.2 Recupero del Bromo __________________________________________ 19

I Distillazione di soluzioni acquose HCl/HBr ___________________________ 19 II Ossidazione con Cl2______________________________________________ 19 III Trattamento mediante Perossido ____________________________________ 19 IV Applicazioni dirette ______________________________________________ 19

1.4

Riferimenti normativi __________________________________20

2.

I

MPIANTI E

P

ROCESSI DI

T

RATTAMENTO

C

ONSIDERATI

__22

2.1 Impianto di co-combustione Tamara _____________________22

2.1.1 Composizione dei rifiuti testati __________________________________ 22 2.1.2 Descrizione impianto Tamara ___________________________________ 23 2.1.3 Sintesi dei risultati delle sperimentazioni sull’impianto Tamara_________ 24

2.2 Impianto di pirolisi e gassificazione Pyromaat ______________27

2.2.1 Composizione dei rifiuti testati __________________________________ 27 2.2.2 Descrizione impianto PYROMAAT ______________________________ 28 2.2.3 Risultati delle sperimentazioni sull’impianto Pyromaat _______________ 30

(3)

Indice

2.3 Recupero e Produzione di Bromo ________________________35

2.3.1 Possibili processi di recupero bromo da impianti di trattamento WEEE __ 36 2.3.2 Produzione di Bromo da soluzioni acquose_________________________ 38

I Produzione da salamoia da produzione sali di potassio __________________ 40 II Produzione da acqua marina _______________________________________ 42 III Produzione da salamoia di falda (Arkansas) ___________________________ 43 IV Produzione da salamoia di falda (altri siti) e da salamoia di scarto della

produzione di NaCl _____________________________________________ 43

3.

D

ESCRIZIONE

M

ETODOLOGIA

LCA___________________44

3.1

Le origini dell’LCA ____________________________________44

3.2

La struttura dell’LCA__________________________________45

3.2.1 Definizione scopi e obiettivi ____________________________________ 46 3.2.2 Analisi d’inventario ___________________________________________ 48 3.2.3 Valutazione impatti ___________________________________________ 49 3.2.4 Interpretazione e miglioramento _________________________________ 50

3.3

Metodi per l’analisi dell’impatto ambientale _______________51

3.3.1 Caratterizzazione _____________________________________________ 52 3.3.2 Valutazione dei danni _________________________________________ 52 3.3.3 Normalizzazione _____________________________________________ 53 3.3.4 Pesatura ____________________________________________________ 53

3.4

Eco-indicator 99 ______________________________________53

3.4.1 Valutazione dell’impatto _______________________________________ 57

I Caratterizzazione ________________________________________________ 57 II Valutazione dei Danni ____________________________________________ 59 III Normalizzazione _________________________________________________ 60 IV Pesatura _______________________________________________________ 60

3.4.2 Incertezza ___________________________________________________ 61

3.5

Altri metodi per la valutazione dell’impatto________________63

3.5.1 CML 1992 v 2.03_____________________________________________ 63 3.5.2 Eco-Indicator 95 v2.1 _________________________________________ 64 3.5.3 Ecopoints 97 ________________________________________________ 65 3.5.4 CML 2 baseline 2000__________________________________________ 66 3.5.5 EPS 2000 ___________________________________________________ 67

(4)

Indice

3.5.7 IPCC 2001 GWP 100a v 1.02 ___________________________________ 69 3.5.8 CUMULATIVE ENERGY DEMAND v1.1 ________________________ 69 3.5.9 IMPACT 2002+ ______________________________________________ 69

4.

S

IMA

P

RO

7.0

PER VALUTAZIONE

LCA_________________71

4.1

Descrizione del software ________________________________71

4.1.1 Obiettivi ed Ambito ___________________________________________ 71 4.1.2 Inventario ___________________________________________________ 73

I Definizione processi ______________________________________________ 73 II Fasi del prodotto ________________________________________________ 76

4.1.3 Valutazione dell’impatto _______________________________________ 77

I Metodi ________________________________________________________ 77 II Funzioni di calcolo_______________________________________________ 77

4.1.4 Interpretazione _______________________________________________ 80

5.

V

ALUTAZIONE

LCA:

E

LABORAZIONE

D

ATI SUI

P

ROCESSI

C

ONSIDERATI

_____________________________________81

5.1 Tamara plant _________________________________________81

5.1.1 Elaborazione Flow – Sheet (Co-combustione) ______________________ 81 5.1.2 Dati ricavati dalla sperimentazione sull’impianto pilota _______________ 87 5.1.3 Dati ricavati da letteratura e database _____________________________ 88 5.1.4 Ipotesi______________________________________________________ 89 5.1.5 Risultati dei bilanci ___________________________________________ 91

5.2

Pyromaat ____________________________________________93

5.2.1 Elaborazione Flow – Sheet (Pirolisi e Gassificazione) ________________ 93 5.2.2 Dati ricavati dalla sperimentazione sull’impianto di laboratorio_________ 96 5.2.3 Dati ricavati da letteratura e database _____________________________ 97 5.2.4 Risultati dei bilanci ___________________________________________ 97

5.3 Recupero bromo: analisi di vari processi___________________98

5.3.1 Recupero da soluzioni degli scrubber _____________________________ 98 5.3.2 Recupero da salamoia dalla produzione di sali potassici______________ 100 5.3.3 Produzione da acqua marina ___________________________________ 102 5.3.4 Produzione da salamoia di falda (Arkansas)_______________________ 102

(5)

Indice

5.3.4 Produzione da salamoia di falda (altri siti) e da salamoia di scarto della produzione di NaCl _______________________________________________ 103

6.

A

NALISI

A

MBIENTALE DI

P

ROCESSI DI

S

MALTIMENTO DI

WEEE _________________________________________104

6.1

Obiettivo e ambito ____________________________________104

6.1.1 Unità funzionale_____________________________________________ 104 6.1.2 Database utilizzati ___________________________________________ 105 6.1.3 Confini del sistema __________________________________________ 105

6.2

Metodo di valutazione dell’impatto ______________________106

6.2.1 Modifiche al metodo Ecoindicator 99 ____________________________ 106 6.2.2 Modifiche al metodo Impact 2002+______________________________ 108

6.3

Valutazione dell’impatto (Ecoindicator 99) _______________109

6.3.1 Definizione dei processi_______________________________________ 109

I Co-combustione organico – WEEE mix 1 ____________________________ 109 II Pirolisi e gassificazione, WEEE mix 1 _______________________________ 111 III Co-combustione organico – TV backplates 1__________________________ 113 IV Pirolisi e gassificazione, TV backplates 1 ____________________________ 115 V Processo di recupero bromo ______________________________________ 117 VI Processi di produzione di bromo___________________________________ 117 VII Processo di produzione mista mondiale di bromo ______________________ 118

6.3.2 Analisi di inventario (LCI) ____________________________________ 119 6.3.3 Network ___________________________________________________ 120 6.3.4 Valutazione dell’impatto ______________________________________ 123 6.3.5 Diagramma triangolare _______________________________________ 127 6.3.6 Contributo processi __________________________________________ 129 6.3.7 Analisi di incertezza__________________________________________ 131

6.4

Interpretazione ______________________________________135

6.5

Valutazione dell’impatto (Impact 2002+) _________________140

(6)

Indice

C

ONCLUSIONI

_____________________________________142

Bibliografia _____________________________________________144

Indice delle tabelle _______________________________________150

Indice delle figure________________________________________153

(7)

Introduzione

I

I

I

I

NTRODUZIONE

NTRODUZIONE

NTRODUZIONE

NTRODUZIONE

La crescente domanda di apparecchiature elettriche ed elettroniche (EEE, Electric and

Electronic Equipment) è legata all’espansione del mercato, allo sviluppo di nuove

tipologie di apparecchiature ed alla sostituzione sempre più rapida delle tecnologie antiquate. L’aumento più marcato si riscontra nei settori più innovativi come l’Informatica e le Telecomunicazioni. Inoltre i materiali plastici rappresentano una parte sempre più importante di tali apparecchiature, ed all’interno di questa categoria particolare rilevanza hanno i ritardanti di fiamma, che contengono forti percentuali di elementi alogeni. Questo crea notevoli disagi dal punto di vista ambientale: volumi sempre maggiori di rifiuti derivanti da apparecchiature elettriche ed elettroniche (WEEE, Waste from Electric and Electronic Equipment) devono essere smaltiti, tenendo conto delle problematiche connesse all’emissione di sostanze cancerogene (diossine e furani) da eventuali trattamenti termici di recupero di energia e materia.

Lo scopo del presente lavoro è quello di esaminare il fine vita di apparecchiature

elettriche ed elettroniche contenenti resine epossidiche bromurate, attraverso il metodo dell’analisi del ciclo di vita (LCA, Life Cycle Assesment) ed utilizzando il software SimaPro 7.0.

Il lavoro si inserisce in un progetto più ampio finanziato dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca che viene catalogato nei “Programmi di ricerca scientifica di rilevante interesse nazionale” (cofinanziato in base al DM n°30 del 12 febbraio 2004) [1]. All’Università di Pisa spetta la “Analisi sperimentale dei processi di degradazione termica di antifiamma bromurati e sviluppo di metodi LCA per l’analisi della sostenibilità dello smaltimento di plastiche bromurate”.

Lo smaltimento di WEEE e l’eventuale recupero di materia / energia deve essere attentamente valutato in relazione alla compatibilità e sostenibilità ambientale dei processi adottati. In tale ambito si inserisce il presente lavoro che in particolare si è rivolto a valutare la possibilità di utilizzo di processi di trattamento termico di rifiuti consistenti in plastiche bromurate. Il contributo del progetto si intende inserito in un

(8)

Introduzione

contesto più ampio di life cycle assessment, che tenga conto non solo dello smaltimento ma anche della produzione e utilizzo di tali materiali (approccio dalla culla alla tomba). Una analisi preliminare ha riguardato la ricerca di processi ed impianti che trattino questo tipo di rifiuto, in modo da disporre di dati utili da inserire nell’analisi LCA secondo SimaPro 7.0.

L’ente EBFRIP (European Brominated Flame Retardant Industry Panel) [2] ha individuato due possibili processi per il trattamento delle plastiche provenienti da apparecchiature elettriche ed elettroniche:

 la co-combustione con rifiuti organici;

 la pirolisi / gassificazione.

Il primo processo è stato sperimentato nell’impianto pilota Tamara Plant [3], che opera a Karlsruhe (Germania) con una capacità di 200-250 kg/h di rifiuto. Il secondo è stato studiato nell’impianto di laboratorio Pyromaat [4] sito a Petten (Paesi Bassi) della ECN (Netherlands Energy Research Foundation) Biomass con una capacità di 5 kg/h di resina smaltita.

In questo lavoro si sono studiati i due processi di smaltimento, alimentati con due miscele di WEEE con diversa composizione. In particolare sono stati effettuati i bilanci di materia e di energia che hanno fornito i dati necessari all’analisi ambientale, realizzata tramite il software SimaPro. Nel corso del lavoro è emersa la carenza di dati omogenei riguardanti sia le apparecchiature presenti negli impianti pilota (tipologia di apparecchiature, dimensioni, efficienze e fabbisogni energetici), sia le emissioni solide, liquide e gassose. E’ stato quindi necessario svolgere una ricerca bibliografica su dati operativi e formulare diverse ipotesi per poter stilare i bilanci materiali ed entalpici. Le due tipologie di impianto esaminate sono entrambe finalizzate al recupero non solo di energia ma anche di materia. In entrambi i casi infatti le soluzioni di lavaggio dei fumi contengono percentuali notevoli di bromo (da 3% a 11%), spesso superiori alle concentrazioni riscontrate nelle più comuni salamoie utilizzate per la produzione di questo materiale. E’ chiaro quindi che queste correnti non costituiscono semplicemente un refluo da smaltire, come avviene comunemente per i termovalorizzatori di rifiuti solidi urbani, ma possono essere una importante risorsa da sfruttare [3].

(9)

Introduzione

Per poter valutare il vantaggio ambientale legato al recupero di bromo dai reflui degli impianti descritti, è stato necessario calcolare il risparmio di risorse e la differenza di emissioni che questo comporta rispetto alla produzione dello stesso materiale a partire dalle materie prime tradizionali. Per questo motivo è stata effettuata l’analisi non solo dei processi di riciclo del bromo a partire dalle soluzioni di lavaggio dei fumi, ma anche dei diversi processi di produzione utilizzati attualmente in tutto il pianeta.

La fase di analisi ambientale dei processi col supporto del software SimaPro non è da intendersi successiva alla stesura dei bilanci: la comprensione della tecnica dell’analisi del ciclo di vita e della sua attuazione per mezzo del programma è risultata infatti fondamentale nella fase di modellazione dei processi e di raccolta dei dati. Per questo motivo il lavoro è iniziato con lo studio approfondito delle potenzialità del software SimaPro 7.0 e dei database da esso utilizzati, in particolare Ecoinvent.

Questo esposto ha portato a strutturare ed organizzare la redazione dell’attività svolta in:

• una prima parte che tratta il problema generale dei materiali in gioco;

• una seconda parte che analizza processi e dati da utilizzare ed elaborare nella fase di valutazione LCA;

• una parte finale incentrata sull’utilizzo del programma SimaPro 7.0.

(10)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

1.

1.

1.

1.

A

A

A

A

PPARECCHIATURE

PPARECCHIATURE

PPARECCHIATURE

PPARECCHIATURE

E

E

E

E

LETTRICHE ED

LETTRICHE ED

LETTRICHE ED

LETTRICHE ED

E

E

E

E

LETTRONICHE

LETTRONICHE

LETTRONICHE

LETTRONICHE

,,,,

T

T

T

T

RATTAMENTO A

RATTAMENTO A

RATTAMENTO A

RATTAMENTO A

F

F

F

F

INE

INE

INE

INE

V

V

V

V

ITA

ITA

ITA

ITA

1111.1

.1

.1

.1 BFRs ( Brominated F

BFRs ( Brominated F

BFRs ( Brominated Flame Reta

BFRs ( Brominated F

lame Reta

lame Reta

lame Retardant

rdant

rdant

rdantssss))))

I ritardanti di fiamma (flame retardants) sono sostanze che vengono aggiunte ai materiali infiammabili per migliorarne la resistenza alla fiamma [5, 6, 7, 8].

Si tratta di un vasta gamma di composti organici ed inorganici. Tra questi, i composti bromurati (brominated flame retardants, BFRs) sono quelli più utilizzati fino ad ora nel campo delle apparecchiature elettroniche, dal momento che hanno progressivamente sostituito le vecchie formulazioni clorurate, per motivi legati al processo di produzione ed in presenza di possibili scenari incidentali.

La Tabella 1.1 , stilata nel 1996, mostra i dati relativi al mercato mondiale dei ritardanti di fiamma alogenati, da cui risulta evidente come la produzione dei composti bromurati sia percentualmente cresciuta nel periodo esaminato più di quella dei composti clorurati; gli incrementi sono rispettivamente del 30% e del 10%.

Produzione (103.tonn)

Area geografica Ritardanti di fiamma

1989 1995 Bromurati 28.0 32.5 Europa Occidentale Clorurati 19.6 22.7 Bromurati 28.7 38.5 Giappone Clorurati 5.85 5.25 Bromurati 50.0 65 Stati Uniti Clorurati 16 17 Bromurati 106.7 136 Totale Clorurati 50.55 55.95

Tabella 1.1: Confronto della produzione mondiale di ritardanti di fiamma clorurati e bromurati [9]

(11)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita Inorganici; 27% Cloro; 6% Melammine; 4% Fosforo; 24% Bromo; 39%

Figura 1.1 Mercato mondiale dei ritardanti di fiamma (1998) [10]

I composti bromurati hanno un ruolo preponderante tra i ritardanti di fiamma, in quanto risultano i più efficaci, ovvero, a parità di resistenza alla combustione, ne occorrono quantità inferiori rispetto agli altri composti. Inoltre non influenzano apprezzabilmente le performance meccaniche del polimero.

Per le loro caratteristiche gli antifiamma bromurati trovano varie applicazioni, ma il settore principale è quello dell’industria elettrica ed elettronica che copre il 56% del mercato dei BFRs (Figura 1.2).

Trasporti; 6% Tessile; 7% Edilizia; 31% Elettrico e elettronico; 56%

(12)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

In base al tipo di legame che gli antifiamma bromurati formano con la matrice nella quale sono inseriti si possono distinguere :

• ritardanti di fiamma additivi; • ritardanti di fiamma reattivi.

I primi vengono miscelati al polimero di cui devono essere migliorate le proprietà di resistenza al fuoco, i secondi reagiscono chimicamente con la matrice generando un polimero ben definito.

Tra i più importanti rappresentanti dei BFRs additivi si trovano i difenileteri polibromurati (PBDE, prodotti a 10, 8 e 5 atomi di bromo per molecola) e l'esabromociclododecano (HBCD). I principali ritardanti di fiamma bromurati di tipo reattivo sono invece il tetrabromobisfenolo A (TBBA) e l'anidride tetrabromoftalica (TBPA).

In base alla struttura molecolare, i ritardanti di fiamma possono essere classificati in aromatici (TBBA, TBPA e PBDE) o in alifatici (HBCD).

1.1.1 Ritardanti di fiamma bromurati di tipo additivo

Come detto in precedenza a questa categoria appartengono i difenileteri polibromurati e l'HBCD.

I PBDE (Polybrominated diphenyl ethers) sono ritardanti di fiamma molto efficaci e sono utilizzati in vari campi, tra i quali quello dei rivestimenti, degli adesivi e del tessile. A causa delle elevate quantità di composti pericolosi rilasciatie da queste sostanze per degradazione termica, a partire dagli anni '80, si è verificato un brusco crollo sia della produzione che del consumo.

L’HBCD (1,2,5,6,9,10-esabromociclododecano) è invece un ritardante di fiamma attualmente molto utilizzato in schiume polistireniche ed anche all’interno di ABS (resina Acrilonitrile Butadiene Stirene), poliesteri insaturi, high impact polistirene. L’instabilità termica ne costituisce il principale problema dal momento che la decomposizione inizia già a 150°C e ne ha limitato per molti anni l’utilizzo ad applicazioni quali schiume polistireniche e industria tessile.

(13)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

In molte applicazioni l'uso di stabilizzanti risulta indispensabile.

1.1.2 Ritardanti di fiamma bromurati di tipo reattivo

L'anidride tetrabromoftalica (TBPA) è un ritardante di fiamma di tipo reattivo utilizzato in poliesteri insaturi e come precursore di altri ritardanti di fiamma. La principale limitazione di questo composto è dovuta alla scarsa stabilità fotochimica dei polimeri dei quali fa parte.

Altri ritardanti di fiamma di tipo reattivo esistenti sono il dibromo-neopentilglicol (DBNPG), il dibromostirene e i fenoli bromurati (di- e tribromofenolo) [5].

Il TBBA (Tetrabromobisfenolo) è, in ogni caso, il più utilizzato. Può essere usato anche come additivo, per esempio nei polimeri ABS, ma il suo impiego principale è come ritardante di fiamma reattivo all’interno di resine epossidiche, cui conferisce proprietà di resistenza al fuoco.

La struttura del TBBA (4,4-isopropilidene bis (2,6-dibromofenolo)) è la seguente:

Br

Br

HO

Br

Br

OH

CH

3

CH

3

Figura 1.3: Struttura del TBBA

(14)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

1.1.3 Cenni sul meccanismo di estinzione della fiamma

Determinati materiali solidi bruciano con meccanismi che comportano anche, essenzialmente,un processo di devolatilizzazione. In tal caso la combustione è un fenomeno che coinvolge pressoché esclusivamente la fase gassosa [5]. Per un generico polimero, il processo di combustione ha in genere come stadio preliminare una fase di decomposizione termica: la produzione di composti gassosi a basso peso molecolare alimenta la combustione che a sua volta fornisce calore che devolatilizza il materiale di partenza. Il processo di combustione dei gas generati da un generico substrato polimerico si mantiene essenzialmente grazie all’azione delle specie radicaliche. Tra queste un’azione decisiva è data dalle specie •OH, •H ed •O•.

L’azione principale dei ritardanti di fiamma alogenati in generale, e di quelli bromurati in particolare, è la neutralizzazione di queste specie radicaliche responsabili della propagazione delle reazioni di combustione:

HBr + •OH → H2O + Br• H• + HBr → H2 + Br• HBr + •O• → HO• + Br• •O• + Br2 → BrO• + Br• •O• + Br• → BrO• Br• + H• + M → HBr + M

La presenza di radicali alogeni porta ad un aumento delle reazioni di terminazione della catena, e quindi esse destabilizzano la fiamma, poiché diminuisce la concentrazione di specie radicaliche. Se la quantità di bromo è sufficiente, la fiamma tende ad estinguersi. Dal meccanismo sopra riportato emerge anche una problematica ambientale dei ritardanti di fiamma bromurati: la presenza di bromo può infatti portare alla formazione di HBr, Br2 ed anche di composti organici bromurati tossici, in particolare

(15)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

Figura 1.4: Struttura chimica della tetrabromodibenzodiossina (TBDD) e del tetrabromodibenzofurano

(TBDF)

1111....2

2

2

2 Plastiche in apparecchiature elettriche ed elettroniche

Plastiche in apparecchiature elettriche ed elettroniche

Plastiche in apparecchiature elettriche ed elettroniche

Plastiche in apparecchiature elettriche ed elettroniche

La definizione di apparecchiature elettriche ed elettroniche è data nella direttiva 2002/96/EC su Waste electrical and electronic equipment [11], nella quale vengono definite come “tutti gli strumenti che, per il loro corretto funzionamento, dipendono da correnti elettriche o campi elettromagnetici e che utilizzano voltaggi non superiori a 1000 V per corrente alternata e fino a 1500 V per corrente continua”. La definizione include fili e cavi che fanno parte delle EEE (Electrical and Electronic Equipment) ma non i cavi di trasmissione.

1.2.1 Materiali plastici nelle WEEE

La produzione dei EEE [3] sta crescendo rapidamente a causa dell’espansione del mercato, dello sviluppo di nuove apparecchiature e della sostituzione delle tecnologie antiquate. I materiali plastici rappresentano una parte sempre più importante delle apparecchiature elettriche ed elettroniche (Figura 1.5), infatti negli ultimi dieci anni la quantità media è aumentata dal 12% al 20% in peso e si prevedono ulteriori aumenti. L’aumento più marcato si riscontra nei settori più innovativi come l’Informatica e le Telecomunicazioni.

(16)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Anno C o n s u m o ( m ig li a ia d i to n n e ll a te )

Figura 1.5: Consumo di plastica nel settore elettrico ed elettronico [3]

I prodotti elettrici ed elettronici hanno una vita relativamente lunga, quindi i relativi rifiuti generati oggi sono funzione dei livelli di produzione di molti anni fa e della durata delle apparecchiature.

Come mostrato in Figura 1.6, nel 1999 le plastiche provenienti da WEEE costituivano il 3.1% del totale delle plastiche raccolte nell’Europa occidentale.

Domestici; 67.8% Elettrica ed elettronica; 3.1% Autoveicoli; 3.6% Distribuzione; 21.3% Agricoltura; 1.4% Edilizia; 2.8%

(17)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

I polimeri che più comunemente si trovano nelle plastiche delle apparecchiature elettriche ed elettroniche sono mostrati in Tabella 1.2.

Categoria di prodotto PE PP PVC PS ABS PC PA PET

Grandi elettrodomestici Piccoli elettrodomestici Apparecchiature informatiche Televisori Apparecchiature di telecomunicazione Apparecchiature elettriche Equipaggiamento da ufficio Apparecchiature mediche Cavi

Tabella 1.2: Polimeri comunemente usati nei vari tipi di EEE [3]. PE (polietilene); PP (polipropilene);

PVC (polivinilcloruro); PS (polistirene); ABS (resina acrilonitrile butadiene stirene); PC (policarbonato); PA (poliammide); PET (polietilentereftalato).

Alcuni esempi dei tipi di prodotti inclusi nelle varie categorie sono: • Grandi elettrodomestici: frigoriferi e lavatrici;

• Piccoli elettrodomestici: aspirapolvere e tostapane;

• Apparecchiature informatiche: personal computer, periferiche, processori; • Televisori

• Apparecchiature di telecomunicazione: telefoni e fax;

• Attrezzature da ufficio: fotocopiatrici e macchine da scrivere elettriche; • Apparecchiature mediche: apparecchiature per radioterapia e per dialisi.

Quando queste apparecchiature devono essere smaltite, le frazioni plastiche in genere subiscono trattamenti meccanici di separazione, di triturazione e raffinazione prima si essere inviate al recupero.

1.2.2 Gestione dei rifiuti provenienti da EEE

Attualmente il 96% delle plastiche provenienti da WEEE sono inviate in discarica. Le ricerche attuali mirano a trovare scenari alternativi, per uno smaltimento

(18)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita Riciclo meccanico; 3.0% Recupero di energia ; 1.0% Smaltimento in discarica; 96.0%

Figura 1.7: Smaltimento di plastiche da WEEE in Europa Occidentale (1999, TOT: 733000 t) [3]

1.2.3 Metalli nelle WEEE

Oltre al contenuto di plastiche gli EEE sono costituiti anche da una combinazione di vari materiali inclusi diversi metalli ferrosi e non ferrosi. Un sostanziale numero di metalli pesanti, specialmente rame, zinco, stagno, sono presenti come metalli puri o come leghe.

Prima di qualsiasi recupero del contenuto plastico delle WEEE, la frazione metallica deve essere efficientemente separata. La quantità di metalli nella frazione plastica delle WEEE dipende dal tipo di apparecchiatura e dal periodo in cui sono state prodotte. I rifiuti plastici di oggi contengono una quantità di metalli comparabile a quella tipicamente riscontrata nei Rifiuti Solidi Urbani (RSU). Data l’evoluzione dei materiali coloranti ed additivi utilizzati, le WEEE del futuro ne conterranno una quantità molto inferiore.

1.2.4 Ritardanti di fiamma nelle WEEE

L’uso dei ritardanti di fiamma nei componenti plastici delle apparecchiature elettriche ed elettroniche è essenziale per la sicurezza e per essere in accordo con le normative.

(19)

Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

In media il 30% delle plastiche utilizzate nelle EEE contiene ritardanti di fiamma alogenati o non alogenati. La Figura 1.8 seguente mostra dati riguardanti la composizione per l’anno 2000 e la proporzione dei due tipi di ritardanti di fiamma.

Plastiche con FR alogenati; 186000 t Plastiche non FR; 1030000 t Plastiche con FR non alogenati; 264000 t Plastiche con FR; 450000 t

Figura 1.8: Consumo dei vari tipi di plastiche nei EEE (2000, Europa Occidentale) [3]

I ritardanti di fiamma bromurati sono utilizzati in vari componenti elettrici ed elettronici, principalmente nelle schede elettroniche (PWB, Printed Wiring Boards) e negli elettrodomestici. Informatica e telecomunicazioni; 53% Apparecchiature domestiche; 2% Apparecchiature elettriche industriali; 7% Televisori; 22% Altre apparecchiature elettriche; 16%

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% Peso Televisori Informatica e

telecomunicazioni Schede elettroniche

Resine (HIPS, ABS, Epoxy) 81.5 77.5 40

Deca - BDE 11.5

TBBA 14 15

Triossido di antimonio 3.5 4.5

Altri 3.5 4 45

Contenuto medio di bromo 8 8 10

Tabella 1.3: Utilizzo di diversi FR nei EEE [2]

1.2.5 Smaltimento di schede elettroniche e WEEE

Le schede elettroniche, così come le WEEE, a fine vita rappresentano un rifiuto costituito da materiale complesso e vengono normalmente inviate in impianti specifici di dismissione e trattamento [5, 12].

Negli ultimi anni si è registrato un notevole incremento della quantità di apparecchiature elettriche ed elettroniche dismesse, tale quantità è destinata ad aumentare ancora in considerazione del fatto che la produzione e la vendita di apparecchiature elettroniche è in continua crescita, mentre la loro vita utile, con il rapido rinnovo della tecnologia elettronica, al contrario diminuisce. La principale conseguenza di ciò è che il problema dello smaltimento delle schede elettroniche e delle WEEE è emerso in tutta la sua importanza. Si è quindi imposta la raccolta differenziata delle apparecchiature elettriche ed elettroniche a cui deve seguire un opportuno trattamento che, oltre a realizzare il recupero dei materiali di interesse, riduca la pericolosità e l’impatto ambientale come prescritto dalla Direttiva Europea in materia di rifiuti elettrici (2002/96/EC).

Come tutti i rifiuti, le schede elettroniche possono essere sottoposte a tre principali procedure di trattamento: riuso, riciclaggio e smaltimento in discarica.

La via del riutilizzo può essere possibile solo per alcune parti delle schede elettroniche, come per certi componenti elettronici, ma di fatto si scontra con molti problemi pratici e cioè: la separazione selettiva dei componenti di interesse senza danneggiarli, la verifica

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dell’effettivo funzionamento, la garanzia degli standard di qualità sul prodotto riutilizzato, ecc.

Il riciclaggio tende invece a recuperare energia e materia. Il recupero energetico è condotto, in genere, attraverso un processo termico, volto a liberare energia disponibile. Il recupero di materia tende in linea teorica alla separazione, al fine del riutilizzo come materie prime, di tutte le sostanze presenti nel rifiuto; tuttavia, la molteplicità di sostanze anche molto diverse, contenute in una scheda elettronica è tale che un recupero completo non è economicamente conveniente. Il recupero di materia è pertanto sempre parziale.

Il recupero di materia è attuabile attraverso trattamento termico e trattamento meccanico o di una loro combinazione.

Il trattamento meccanico è finalizzato al recupero di materia e alla separazione di componenti. Teoricamente l’ obiettivo del processo di riciclaggio può essere il recupero di qualunque frazione presente nelle schede elettroniche; ad esempio, si può mirare a separare la frazione metallica contenente metalli preziosi, metalli ferrosi e non ferrosi dalla matrice plastica. Di fatto la maggior parte dei processi esistenti su scala industriale e gli studi intrapresi su piccola scala sono rivolti, essenzialmente per motivi economici al recupero della sola frazione metallica (materiali metallici pregiati).

Tutti i processi prevedono una prima fase di disassemblaggio selettivo, generalmente manuale, per rimuovere alcune parti contenenti sostanze pericolose (batterie, componenti con mercurio, circuiti integrati, ecc.).

Successivamente il materiale viene macinato in frammenti di dimensioni massime dai 10 ai 3 mm; durante questa operazione avviene il distacco di gran parte dei componenti installati sulla scheda e di parte del rame delle piste conduttrici, rendendo così libera una buona percentuale di frazione metallica.

Le tecniche di trattamento meccanico consentono una elevata efficienza dei successivi processi di recupero dei materiali ferrosi e preziosi, evitando la formazione di sostanze pericolose e separando la frazione plastica, che contiene anche la totalità del bromo presente nella scheda elettronica. Tale frazione può essere destinata allo smaltimento in

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discarica, a un processo di trattamento termico o all’uso, previa ulteriore macinazione, come carica per materiali plastici destinati a pavimentazioni e rivestimenti.

Per i materiali termoplastici contenenti ritardanti di fiamma bromurati (ABS, oligomeri bromurati, DBDE), sono state studiate tecnologie di riciclaggio meccanico che prevedono la fusione del materiale seguita da processi di estrusione o stampaggio a iniezione per ottenere nuovi prodotti. Secondo quanto risulta dalle prove sperimentali effettuate, il materiale, dopo vari cicli di riciclaggio, non perde significativamente le proprie caratteristiche meccaniche e le proprietà antifiamma. La necessità di riscaldamento connessa al processo può portare però a produrre sostanze pericolose. Si tratta di tecnologie in sviluppo, non ancora applicate su larga scala o su impianti pilota, ma che risultano non attuabili per le resine termoindurenti utilizzate nella maggioranza delle schede elettroniche.

Nell’ambito delle tecnologie di trattamento meccanico, sono state studiate anche metodologie di smontaggio automatizzato.

Lo smontaggio automatizzato può seguire due strategie. La prima è lo smontaggio selettivo pezzo per pezzo: dopo aver identificato le posizioni dei componenti da smontare, un congegno automatico scalda le saldature e li raccoglie con un apposito attrezzo. Di fatto questo è esattamente l’inverso del processo di produzione della scheda.

La seconda strategia è lo smontaggio simultaneo: tutte le saldature vengono scaldate contemporaneamente e staccate dalla scheda; in un passo successivo, i componenti vengono selezionati con metodi che sfruttano criteri geometrici o fisici. Con questo metodo la possibilità di danneggiamento dei componenti è maggiore, precludendone in generale il riuso.

La facilità di distacco di un componente della scheda dipende da molti fattori: numero di connettori, presenza di colla, presenza di connettori piegati, modalità di riscaldamento delle saldature (aria calda o liquido caldo), tecnica con cui viene fornita la forza per il distacco (gravità, forza centrifuga, inerzia da vibrazione, utensile con cui vengono afferrati i componenti, ecc.).

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Il trattamento termico presenta diversi vantaggi: una forte riduzione del volume dei rifiuti, una azione di termodistruzione applicabile in generale ai vari tipi di schede , la possibilità di grandi potenzialità degli impianti di trattamento e, in genere, costi di processo non elevati.

La termodistruzione delle schede elettroniche e delle WEEE contenenti ritardanti di fiamma prevede anche il recupero energetico dai fumi, ma presenta anche notevoli problematiche di impatto ambientale legate alla possibilità di formazione di diversi composti pericolosi, quali diossine e furani bromurati, oltre che alogeni e acidi alogenidrici. L’impatto ambientale può comunque essere notevolmente ridotto se il processo di combustione avviene in condizioni operative ottimali e se è presente una adeguata tecnologia di trattamento degli effluenti gassosi generati nel processo.

In genere, questa metodologia produce anche una corrente solida da smaltire, contenente materiali ceramico-vetrosi non recuperati.

Negli ultimi anni sono state studiate soluzioni tecnologiche di trattamento termico, tra le quali meritano attenzione le seguenti [2, 12]:

Incenerimento, ovvero una vera e propria combustione completa, che prevede il

recupero energetico tramite il passaggio dei fumi attraverso una caldaia a vapore ad alta pressione e il successivo lavaggio per il recupero del cloro e del bromo presenti nell’alimentazione;

Co-combustione, in cui l’incenerimento dei rifiuti plastici viene realizzato in

termovalorizzatori di rifiuti solidi urbani previa miscelamento tra opportune quantità di WEEE e RSU;

Pirolisi, attraverso riscaldamento a 550°C circa in difetto di ossigeno, con la

conseguente produzione di frazioni solide, liquide e gassose;

Gassificazione, in cui il calore necessario al processo viene fornito dalla parziale

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Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

1.3

1.3

1.3

1.3

Potenziali tecniche di riciclaggio del Bromo

Potenziali tecniche di riciclaggio del Bromo

Potenziali tecniche di riciclaggio del Bromo

Potenziali tecniche di riciclaggio del Bromo

1.3.1 Abbattimento di HBr e HCl nei fumi

Il Bromo e il Cloro presenti nei WEEE vengono rilasciati durante i trattamenti termici essenzialmente come HBr e HCl. Una consistente frazione di bromo elementare può essere presente. Per evitare eccessive emissioni è necessario un lavaggio in un primo scrubber dei fumi che rende disponibile una soluzione di HBr/HCl (o sali di bromo e cloro). In presenza di Bromo occorre prevedere un secondo scrubber ove una soluzione di solfito riduce il bromo a ione bromuro. Questi ultimi possono essere trattati in modo da fornire prodotti che abbiano un certo interesse economico. I possibili trattamenti sono illustrati in Figura 1.10 [2, 3, 12].

Processi termici: - incenerimento - co-combustione - pirolisi / gassificazione HBr / HCl Distillazione HBr 40-45% Applicazioni industriali HCl 30-35% Applicazioni industriali Processo con perossido Steaming Distillazione Essiccamento Bromo Ossidazione con cloro Steaming Distillazione Bromo Neutralizzazione a NaBr / NaCl Applicazioni dirette: - biocida - antigelo

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1.3.2 Recupero del Bromo

Il Bromo (Figura1.10) può essere recuperato sotto varie forme:

I Distillazione di soluzioni acquose HCl/HBr

E’ possibile distillare la soluzione acquosa del primo scrubber contenente HBr e HCl. A causa dell’elevato contenuto di acqua non è economicamente vantaggioso trasportare la soluzione proveniente dagli scrubber per lunghe distanze, è previsto dunque che l’unità di distillazione sia vicina all’ impianto di trattamento termico.

II Ossidazione con Cl2

Il bromo può essere recuperato come Br2 tramite ossidazione con cloro e strippaggio

con vapore. La miscela liquida prodotta viene separata per decantazione e il bromo viene purificato per distillazione. Questo processo è conveniente nel caso in cui il Cl2

sia disponibile in loco.

III Trattamento mediante Perossido

La terza alternativa è di miscelare la soluzione di HBr con perossido di idrogeno (H2O2)

e successivamente strippare il Br2 formato. Per distillazione si separa il Br2 dal Cl2 e da

altri basso bollenti. La corrente di Br2 viene essiccata tramite H2SO4.

IV Applicazioni dirette

La soluzione acida una volta neutralizzata con NaOH può essere utilizzata in diverse applicazioni come biocida e antigelo.

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Capitolo 1 Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, Trattamento a fine vita

1.

1.

1.

1.4

4

4

4 Riferimenti normativi

Riferimenti normativi

Riferimenti normativi

Riferimenti normativi

La normativa di riferimento per i rifiuti da apparecchiature elettriche ed elettroniche (WEEE) è costituita essenzialmente da due direttive europee:

 La Direttiva 2002/95/EC del Parlamento Europeo e del Consiglio sulle restrizioni sull’uso di alcune sostanze pericolose nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche del 27 Gennaio 2003 tesa a limitare l’uso di sostanze

pericolose e inquinanti durante le fasi di lavorazione [13].

La prima Direttiva si propone di uniformare le leggi degli Stati Membri riguardo le restrizioni nell’uso di sostanze pericolose nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche, così da contribuire alla protezione della salute umana , al recupero e allo smaltimento, in un’ottica di tutela ambientale, dei rifiuti derivati da tali apparecchiature. La strategia è quella di promuovere la sostituzione con sostanze più sicure.

Le sostanze pericolose considerate e le eventuali esenzioni per certe applicazioni sono oggetto di aggiornamento (almeno ogni 4 anni), a fronte del progresso tecnico e scientifico in materia.

Per quanto riguarda il campo specifico delle schede elettroniche è da rilevare come questa direttiva venga ad impedire definitivamente l’impiego di polibromodifenili (PBD) e polibromodifenileteri (PBDE), usati in passato come antifiamma nelle resine; il piombo, invece, può ancora ritrovarsi in certe saldature presenti nelle schede elettroniche.

Le fasi di lavorazione dei circuiti stampati sono state oggetto negli ultimi anni di diverse restrizioni da parte degli enti preposti alla tutela ambientale.

Negli USA, ad esempio, l’agenzia per la protezione dell’ambiente (EPA) ha stilato un documento con tutte le norme ambientali che le industrie produttrici di circuiti stampati devono rispettare in fase di produzione.

In questo documento sono stati riportati anche i limiti massimi per le

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 La Direttiva 2002/96/EC del Parlamento Europeo e del Consiglio sui rifiuti da apparecchiature elettriche ed elettroniche del 27 Gennaio 2003 riguardante lo

smaltimento delle WEEE, con particolare attenzione alla raccolta differenziata e al trattamento dei medesimi [11];

La seconda Direttiva si propone di prevenire la produzione di rifiuti da EEE e disporre il riutilizzo, il riciclaggio e altre forme di recupero di tali rifiuti, promuovendo o agevolando la raccolta differenziata dei WEEE, affinché essi non si ritrovino tra i rifiuti urbani non selezionati. I WEEE così raccolti devono essere trattati con le migliori tecnologie disponibili di trattamento, recupero e riciclo nel rispetto dell’ ambiente e della sicurezza; la strategia preferenziale deve essere il riuso.

La direttiva dispone anche che gli Stati Membri assicurino che gli utilizzatori di WEEE siano adeguatamente informati sulla raccolta differenziata di tali rifiuti, le vie per compierla, il loro ruolo nella procedura, le implicazioni ambientali e di sicurezza di tali operazioni, e siano comunque posti in grado di partecipare attivamente ad esse.

La direttiva copre un’ampia gamma di rifiuti da EEE. Per quanto riguarda il campo delle schede elettroniche, queste sono esplicitamente citate tra i componenti da separare in fase di trattamento come “circuiti stampati di telefoni mobili in generale e di altri dispositivi se la superficie del circuito stampato eccede i 10 cm2”; la separazione è richiesta anche per “plastiche contenenti ritardanti di fiamma bromurati”. Per queste tipologie di rifiuto è prescritta la separazione dal resto dell’apparecchiatura durante la fase di trattamento meccanico delle WEEE.

figura

Tabella 1.1: Confronto della produzione mondiale di ritardanti di fiamma clorurati e bromurati [9]

Tabella 1.1:

Confronto della produzione mondiale di ritardanti di fiamma clorurati e bromurati [9] p.10
Figura 1.1  Mercato mondiale dei ritardanti di fiamma (1998) [10]

Figura 1.1

Mercato mondiale dei ritardanti di fiamma (1998) [10] p.11
Figura 1.2 Consumo di BFR nei vari settori (1999) [10]

Figura 1.2

Consumo di BFR nei vari settori (1999) [10] p.11
Figura 1.3: Struttura del TBBA

Figura 1.3:

Struttura del TBBA p.13
Figura  1.4:  Struttura  chimica  della  tetrabromodibenzodiossina  (TBDD)  e  del  tetrabromodibenzofurano

Figura 1.4:

Struttura chimica della tetrabromodibenzodiossina (TBDD) e del tetrabromodibenzofurano p.15
Figura 1.6: Plastica nei rifiuti in Europa Occidentale nel 1999 (TOT: 19 milioni di tonnellate) [3]

Figura 1.6:

Plastica nei rifiuti in Europa Occidentale nel 1999 (TOT: 19 milioni di tonnellate) [3] p.16
Figura 1.5: Consumo di plastica nel settore elettrico ed elettronico [3]

Figura 1.5:

Consumo di plastica nel settore elettrico ed elettronico [3] p.16
Tabella  1.2:  Polimeri  comunemente  usati  nei  vari  tipi  di  EEE  [3].  PE  (polietilene);  PP  (polipropilene);

Tabella 1.2:

Polimeri comunemente usati nei vari tipi di EEE [3]. PE (polietilene); PP (polipropilene); p.17
Figura 1.7: Smaltimento di plastiche da WEEE in Europa Occidentale (1999, TOT: 733000 t) [3]

Figura 1.7:

Smaltimento di plastiche da WEEE in Europa Occidentale (1999, TOT: 733000 t) [3] p.18
Figura 1.9: Utilizzo dei ritardanti di fiamma (2000) [3]

Figura 1.9:

Utilizzo dei ritardanti di fiamma (2000) [3] p.19
Figura 1.8: Consumo dei vari tipi di plastiche nei EEE (2000, Europa Occidentale) [3]

Figura 1.8:

Consumo dei vari tipi di plastiche nei EEE (2000, Europa Occidentale) [3] p.19
Tabella 1.3: Utilizzo di diversi FR nei EEE [2]

Tabella 1.3:

Utilizzo di diversi FR nei EEE [2] p.20
Figura 1.10: Recupero del bromo da trattamenti termici di WEEE

Figura 1.10:

Recupero del bromo da trattamenti termici di WEEE p.24

Riferimenti

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