Scienza e tecnologia per l'ambiente

L'industria e gli impatti

L'industria si riferisce in particolar modo alle attività produttive del settore secondario. Lo scopo è produrre il bene richiesto al maggior rapporto beneficio/costo. Lo sviluppo sostenibile deve soddisfare i bisogni umani, garantendo la conservazione della qualità ambientale. La nostra velocità di consumo è superiore alla velocità di rigenerazione, questo è dovuto anche a un cattivo utilizzo delle risorse.

Strategie di prevenzione dell'impatto ambientale

• Ridurre al minimo la formazione di sottoprodotti non vendibili (scelta preferita)
• Evitare di combinare flussi di rifiuto senza considerare gli impatti. Ciascun flusso deve essere analizzato alla fonte.
• Riciclare
• Recuperare energia dai rifiuti (in genere i rifiuti hanno un buon contenuto energetico, e si bruciano per sfruttarlo)
• Trattare il rifiuto prima di immetterlo nell'ambiente
• Smaltimento sicuro (conversione totale dei rifiuti in CO₂, H₂O e minerali non tossici).

Esempio: Produzione della carta

Può avvenire partendo da due materie prime diverse:

• Cellulosa vergine: per ottenere la carta bianca bisogna togliere la lignina dal legno, ad esempio trattandolo con soda.
• Carta riciclata: la carta da macero viene bagnata e si forma un impasto, viene lavorata ed in seguito drenata.

La preferenza per questi processi è quella di usare cicli chiusi, in cui l'acqua viene riutilizzata.

Principali aspetti ambientali di una cartiera

• Uso di risorse idriche, energia, additivi
• Scarico di acque reflue
• Riutilizzo secondario
• Gestione ottimale di materie prime

Il macero va trattato chimicamente perché ha troppi contaminanti plastici, che possono essere mandati allo smaltimento o possono essere bruciati direttamente. Tuttavia, in questo caso viene bruciata anche H₂O che sottrae energia.

Opportunità

• Ottimizzazione dell'uso di materie prime
• Riduzione del consumo di acqua fresca
• Riduzione costi di smaltimento dei rifiuti
• Sviluppo di sistemi di controllo integrati

Per una cartiera, le acque reflue contribuiscono al 4,25% dei costi, mentre l'acqua fresca solo allo 0,75%. Il costo sulla gestione degli scarti è quello su cui c'è più margine di miglioramento. Nelle industrie si sta cercando di andare verso la formazione di cicli chiusi, e se converto tutto in maniera lineare i pozzi non riescono a rigenerare le materie prime. Molte aziende, invece di abbattere gli inquinanti, hanno scelto di convertirli (esempio di trattamento sostenibile).

Esempio: Birrificio

In ingresso ho malto, luppolo, lievito, H₂O, e mi serve energia. Nei paesi poveri l'energia è prodotta dal carbone, e il processo usa circa 8-10% dei nutrienti del grano e richiede circa 10 L di acqua per ogni L di birra prodotto.

In uscita ho:

• Trebbie (orzo, riso e luppolo): sono proteine vegetali, vengono convertite in proteine animali e usate come mangime per polli
• Lievito esausto: usato come base per la coltivazione di funghi
• Acqua
• Energia
• CO₂: riversata in bacini di acqua alcalina per la coltivazione dell'alga spirulina.

Caratteristiche degli impatti

Gli impatti che derivano da un processo dipendono da:

• Aspetti qualitativi: caratteristiche delle sostanze emesse.
• Aspetti quantitativi: quantità delle sostanze emesse.
• Di emissione: modalità di emissione delle sostanze.

Esempio: SO₂ e NO_X trasportati in atmosfera sono la causa delle piogge acide. Un impatto zero non è realizzabile. Più ragionevolmente un'industria può esistere se rispetta dei criteri. Contaminazione vs inquinamento: ad esempio, se SO₂ e NO_X rimangono localizzate stanno contaminando, ma quando vengono trasportati dal vento diventano inquinanti; quindi, l'inquinamento si verifica quando si ha trasporto di sostanze che vengono successivamente convertite in sostanze pericolose.

Esempio: Inquinamento di Hg nel golfo di Trieste

Un processo per fare acetaldeide usava Hg come catalizzatore, e questo è entrato nell'ambiente come CH₃Hg, tossico perché entra negli organismi marini che vengono mangiati. Prima causa: giacimenti minerari in Slovenia, dove si estraeva cinabro (HgS) e Hg nativo. HgS è insolubile quindi si accumula in sedimenti, pesci, molluschi. Qui l'agente di trasporto è l'acqua. Attività antropiche peggiorano ancora di più la situazione: presenza di un impianto cloro-soda a cella di Hg, proprio per questo fu chiuso nel 2008, successivamente nel 2017 l'impianto è stato sostituito con un impianto a membrana.

Incidente di Seveso

Il 2,4,6-triclorofenolo era un fungicida. Step della produzione industriale:

• Si otteneva 2,4,5-triclorofenato sodico per trattamento con soda di 1,2,4,5-tetraclorobenzene.
• Successiva idrolisi del sale con HCl per ottenere il 2,4,6-triclorofenato.

Si usava un doppio solvente: il glicol solubilizzava la soda, mentre lo xilene solubilizzava il TCB e il prodotto finale. Il disastro è legato alla produzione/emissione di 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina. La produzione della diossina era nota ma alla temperatura di processo (160°C) se ne formava in piccolissime quantità. Il problema è che se non si controlla la temperatura si innescano reazioni parassite. Inoltre, se aggiungo un reagente troppo velocemente, mi può innescare reazioni localizzate, e si ottengono più sottoprodotti.

Il reattore era di tipo batch. I problemi che si possono avere sono:

• Trasferimento di materia: problema di accumulo di reagente quando questo viene aggiunto troppo velocemente e può determinare elevate concentrazioni locali. Per risolvere si fanno prima degli studi in laboratorio sulla velocità di agitazione adeguata a non avere un accumulo di reagente nell'impianto. La cinetica dovrebbe essere indipendente dalla velocità di agitazione. (legato ai costi)
• Trasferimento di calore: In reazioni esotermiche il calore va smaltito, se non succede questo innesca reazioni a cascata detta run-away. (legato alla sicurezza)

Calore trasferito:

• A= area dello scambio termico
• U= coefficiente di trasferimento del calore (costante)

Possibili conseguenze nello scale-up:

• Tempi più lunghi per raffreddamento/riscaldamento di reattori industriali e risposte lente alle variazioni di temperatura esterna
• Problemi su rese e selettività su scala più ampia per reazioni che in scala di laboratorio sono lente → controllo dell’esotermicità mediante aggiunta di solvente, da usare come magazzino termico. Però ambientalmente non è la scelta migliore perché comporta aggiunta di materiale che va smaltito in seguito.

Come migliorare lo scambio termico

• Aumentare A (con aggiunta di serpentine di risc/raffr) → possibili problemi di dead spots, con scarsa miscelazione.
• Aumentare U (vapore con p più alta o riscaldamento con oli) → possibili problemi di sicurezza a seguito dell’attivazione di possibili reazioni indesiderate.

Procedura operativa corretta

Il processo era condotto a 160°C nel seguente modo:

• Caricamento
• Reazione
• Distillazione del solvente
• Raffreddamento veloce

Procedura operativa nel giorno dell'incidente:

Venne distillato tutto lo xilene, ma solo il 15% del glicol (invece del 50%), fu chiusa l'immissione di vapore, tolto il vuoto per introduzione di aria e dopo 15 minuti fu fermata l'agitazione, senza raffreddare la miscela di reazione. Dopo 7 ore e mezzo dalla fermata dell'agitazione, è avvenuta la rottura del disco di scoppio, con emissione all'aria del contenuto del reattore. Dopo 4 ore e mezza si misura una T di 200°C, e facendo delle stime si pensa che abbia raggiunto i 400°C successivamente. Era rimasto troppo glicol etilenico nel reattore, non c'è stato raffreddamento e gli operatori se ne sono andati. C'è stato anche un problema nell'agitazione, che può provocare un surriscaldamento localizzato, e portare a reazioni indesiderate. Questo è più importante anche del parametro raffreddamento, perché per una reazione esotermica l'agitazione è fondamentale.

Parametro decomposizione glicol: parametro 1

Parametro raffreddamento: parametro 2

Parametro agitazione: parametro 3

Il disco di rottura è stato installato non in funzione di possibili reazioni esotermiche, ma solo per proteggere dall’eventuale sovrappressione dovuta all’uso di azoto per travasare la miscela di reazione in un altro serbatoio.

Inoltre, non era prevista una zona di contenimento, quindi il gas venne riversato in aria, e tramite l’aria come agente di trasporto il TCCD venne distribuito in varie zone.

Motivazioni per spiegare il problema principale

• Surriscaldamento
• Decomposizione del solvente in presenza di soda (lente a 160°C, molto più veloci dai 200°C in poi). Il solvente era in eccesso perché non era stato distillato, e questo mi spiega come mai si è avuta una reazione fortemente esotermica.

Un altro problema principale è che l'azienda minimizzò. La direzione del vento sud-ovest ha distribuito il TCDD a circa 4 m/s. La zona di bianco è quella non toccata dalle problematiche di inquinamento e usata come riferimento.

Effetti sull'uomo: cloracne, tumori, effetti teratogeni, alterazioni del sistema endocrino, aumento di mortalità per malattie circolatorie, malattie croniche dei polmoni ecc.

Cosa si sarebbe dovuto fare

• Raffreddare immediatamente la massa di reazione
• Sistema alternativo di agitazione
• Presenza di blow-down, torce, assorbimento su carbone attivo, scrubber.

In fase di valutazione delle criticità, possiamo attuare uno schema del genere:

Il livello più basso è il fondo, mentre a un livello superiore troviamo una situazione che definiamo di contaminazione. A un livello ancora superiore, troviamo una situazione di inquinamento, in cui la presenza di un certo fattore è superato in determinati lavori che si ritengono non accettabili per gli organismi viventi. Come parametri di riferimento per definire in che livello mi trovo in un certo momento, devo confrontarmi con aspetti normativi che stabiliscono i valori di soglia da non superare.

Chimica ambientale

Il carbone, che contiene zolfo come FeS₂, viene estratto dalla litosfera. Lo zolfo si ossida a SO₂, un inquinante atmosferico. SO₂ si ossida ancora a H₂SO₄, responsabile delle piogge acide. La precipitazione acida influisce su piante, pesci, materiali e acqua. H₂SO₄ e i suoi sali possono finire nell'acqua o nel terreno, rilasciando ad esempio. Al contenuto nelle rocce.

Sfere ambientali e cicli bio-geochimici

Per mettere in relazione le sfere ambientali si considerano i cicli bio-geochimici degli elementi essenziali (C, O, N, S, P). Il carbonio è presente nella geosfera come materia organica e inorganica, nell'idrosfera è presente come CO₂ disciolta e come sali.

Ciclo dell'ossigeno: O₂ si lega chimicamente a CO₂ a seguito di processi di respirazione degli organismi e combustione, e si lega ad H₂ come acqua.

Ciclo dell'azoto: l'elevata stabilità di N₂ rende difficoltosa la sua ricombinazione con altri elementi.

Ciclo dello zolfo: emissioni di H₂S e SO₂ nell'atmosfera derivano da attività antropiche o fonti naturali nella litosfera.

Ciclo del fosforo: non partecipa ai meccanismi dell'atmosfera, ma è un elemento importante per la vita. Non si devono mai superare certi limiti, perché ciò che è utile può diventare un problema. Un eccesso di fosforo è legato a problemi di accumulo di alghe.

Ad esempio, per una centrale che va a carbone, quali sono i processi da seguire per abbattere gli inquinanti?

Chimica tossicologica

Si occupa di studiare la relazione tra la natura chimica delle sostanze tossiche e i loro effetti sugli esseri viventi. Xenobiotici: possono provocare effetti più o meno seri a seconda dell'attività biologica che hanno. Possono avere affinità per i lipidi.

• Esposizione acuta: su un breve periodo di tempo
• Esposizione cronica: implica esposizioni a livelli più bassi, ma su periodi più lunghi di tempo.

C'è sempre un'attenzione più elevata verso la tutela dei lavoratori relativamente a problematiche di sicurezza.

• Esposizione locale: relativa a un punto preciso
• Esposizione sistemica: se la sostanza si diffonde nell'organismo (ad esempio avvelenamento da CO con formazione di COHb. L'ossigeno, non essendo scambiato e trasportato, dà problemi in tutto l'organismo).

Siti di ingresso

• Esposizione polmonare
• Esposizione dermica
• Esposizione orale

Siti di distribuzione

• La via polmonare e quella dermica consentono l'accesso diretto delle sostanze tossiche al sistema sanguigno e linfatico.
• L'ingestione di sostanze tossiche prevede l'assorbimento nell'intestino tenue e il trasporto nel fegato, dove possono dare accumulo e trasporto (esposizione sistemica)

Siti di accumulo

• Le ossa e il tessuto adiposo sono i principali siti di stoccaggio.

Siti di eliminazione

• Polmoni
• Intestino
• Reni

Relazione dose-risposta

Il grafico dose-risposta è una delle relazioni più importanti in tossicologia, ottenuto sottoponendo una popolazione uniforme ad una certa dose e osservando la risposta. Nello specifico, la tossicità viene riferita alla dose che provoca la morte del 50% dei soggetti del test (LD-50). Quando ci confrontiamo con un inquinante bisogna considerare l'LD-50 come parametro di riferimento. Più è basso questo parametro, più pericoloso è il composto di interesse.

Per inquinanti apolari, l'organismo tende a trasformarli in qualcosa di polare, cioè idrosolubile (reazione di fase 1), che può essere smaltito meglio dall'organismo, ad esempio da benzene si passa a fenolo. Nelle reazioni di fase 2 si usano enzimi. Entrambe le reazioni hanno sia una fase cinetica che una fase dinamica.

Effetti sul sistema immunitario

• Immunosoppressione
• Ipersensibilità: sovrastimolazione autodistruttiva del sistema immunitario.

Danni al sistema endocrino

• Gli xenoestrogeni sono presenti nelle acque reflue

Atmosfera

• Troposfera
• Stratosfera
• Mesosfera
• Termosfera

Classificazione in base alla composizione

• Omosfera, fino a 90 km: i moti convettivi sono importanti, e consentono un rimescolamento per mantenere la composizione costante
• 1 strato: foto dissociazione dell'ossigeno. Contiene prevalentemente azoto.
• 2 strato: contiene prevalentemente ossigeno
• 3 strato: arricchito in Elio
• 4 strato: arricchito in idrogeno

Fonti di provenienza naturale dei gas in atmosfera

• N₂: emissioni dalla terra
• O₂, fotosintesi
• CO₂ e CO: attività vulcaniche…
• O₃: ossidazione fotochimica ossigeno

Attività umane che influenzano l'atmosfera

• Attività industriali
• Combustione combustibili fossili
• Trasporti
• Diminuzione vegetale
• Incendi foreste
• Agricolture

Effetti

• Piogge acide
• Produzione di inquinanti ossidanti (smog fotochimico)
• Aumento di gas che assorbono radiazioni IR
• Diminuzione strato O₃ protettivo

Circolazione aria e temperatura

Inversione termica: le masse d'aria calda ristagnano sopra quelle più fredde e questo porta ad un accumulo di inquinanti negli strati bassi. È osservabile in inverno, in condizioni di scarsa circolazione di aria, o per forte riflessione della luce solare. Nella stratosfera, l'inversione termica è causata dall'assorbimento degli UV da parte di altre molecole come ozono, che assorbono i raggi UV e riscaldano la zona. Gli oceani funzionano come pozzo di CO₂, e mitigano i problemi di emissione, il problema è che la CO₂ deve sciogliersi e per scendere in profondità ci mette tanto tempo; quindi, le emissioni non sono compensate dalle immissioni. Parte della luce riflessa dalla terra (IR) viene assorbita dai gas serra, che emettono di nuovo. Senza i gas serra la temperatura media della terra sarebbe di -18°C. Ma se le emissioni sono elevate, ci sono troppi gas serra che assorbono e che aumentano la temperatura. L'ozono è un forte inquinante secondario che si forma tramite processi fotochimici in presenza di inquinanti primari come gli ossidi di azoto. Anche il vapor acqueo assorbe nell'IR.

Spostamento di aria da zone calde a fredde. Lo scambio di calore deve avvenire a livello dell'equatore, e viene ceduto man mano che si va ai poli (Gradiente termico)

Combustione → porta ad emissioni gassose e di particolato.

Vulcani → emissioni di particolato

• Particelle primarie: generate per azione meccanica del vento, quali aerosol marino e polveri prodotte da risospensione di materiale fine depositato a terra.
• Le polveri aerodisperse sono composte da carbonio, metalli di varia natura, nitriti e solfati (che danno acidità). Sono porosi ad elevata area superficiale, possono adsorbire quindi composti acidi. Possono coagulare e precipitare a terra, possono rimanere disperse nell'aria o possono reagire con l'acqua e fare qualcosa

Risentono dei moti dei venti

Idrosfera

L'acqua di tutto il pianeta al 97,25% è salata. La restante acqua dolce è per la maggior parte intrappolata in ghiacciai e falde. Solo lo 0,1% è a disposizione dell'uomo, il problema principale è che non è distribuita in modo uniforme. La molecola di acqua forma una struttura tetraedrica con angoli di 105°, tra le proprietà più importanti vi è il dipolo elettrico che...