The challenges and the limitations in Life Cycle Impact Assessment for metal oxide nanoparticles, a case study on nano- TiO2

Life Cycle Assessment (LCA) is a chain-oriented tool to evaluate the environment performance of products focussing on the entire life cycle of these products: from the extraction of resources, via manufacturing and use, to the final processing of the disposed products. Through all these stages consumption of resources and pollutant releases to air, water, soil are identified and quantified in Life Cycle Inventory (LCI) analysis. Subsequently to the LCI phase follows the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) phase; that has the purpose to convert resource consumptions and pollutant releases in environmental impacts. The LCIA aims to model and to evaluate environmental issues, called impact categories. Several reports emphasises the importance of LCA in the field of ENMs. The ENMs offer enormous potential for the development of new products and application. There are however unanswered questions about the impacts of ENMs on human health and the environment. In the last decade the increasing production, use and consumption of nanoproducts, with a consequent release into the environment, has accentuated the obligation to ensure that potential risks are adequately understood to protect both human health and environment. Due to its holistic and comprehensive assessment, LCA is an essential tool evaluate, understand and manage the environmental and health effects of nanotechnology. The evaluation of health and environmental impacts of nanotechnologies, throughout the whole of their life-cycle by using LCA methodology. This is due to the lack of knowledge in relation to risk assessment. In fact, to date, the knowledge on human and environmental exposure to nanomaterials, such ENPs is limited. This bottleneck is reflected into LCA where characterisation models and consequently characterisation factors for ENPs are missed. The PhD project aims to assess limitations and challenges of the freshwater aquatic ecotoxicity potential evaluation in LCIA phase for ENPs and in particular nanoparticles as n-TiO2.

Dinamica dell’intrusione salina nella costa ravennate: aspetti idrogeochimici ed evoluzione attesa

Nell’ambito del progetto multidisciplinare “Coastal Salt Water Intrusion”, che si propone di indagare “l’Intrusione salina nella costa ravennate con i conseguenti impatti territoriali-ambientali, connessi al previsto innalzamento del livello marino per cause climatiche e di subsidenza”, si inserisce il presente studio con l’obiettivo di fornire una caratterizzazione idrogeochimica delle acque di falda e superficiali e un modello geochimico generale sui processi di salinizzazione o desalinizzazione in atto nella falda freatica costiera della costa ravennate. E’ stato fatto un confronto fra tre metodiche di estrazione del complesso di scambio della matrice solida dell’acquifero che utilizzano rispettivamente acetato di ammonio, cloruro di bario e argento-tiourea. Sono stati posizionati 5 transetti perpendicolari alla linea di costa per un totale di 44 punti di campionamento con due campagne di prelievi, al termine della primavera e al termine dell’estate. La caratterizzazione dei processi di mixing e scambio ionico con la matrice solida dell’acquifero è avvenuta mediante analisi dei cationi ed anioni fondamentali, determinazione della CEC sulla matrice solida dell’acquifero, modellizzazione mixing/scambio ionico, modellizzazione della composizione teorica della frazione scambiabile in funzione della composizione acqua all’equilibrio e interpolazione geostatistica dei dati raccolti e costruzione di mappe geochimiche (curve di iso-concentrazione). La metodologia di estrazione che utilizza il bario-cloruro è risultata la più affidabile. Le acque prelevate dalla falda superficiale evidenziano miscelazione in varie proporzioni acqua marina/acqua dolce, scambi ionici per interazione acqua/sedimento, dissoluzione di CaSO4.2H2O. I processi di salinizzazione e/o addolcimento mostrano una significativa variabilità nello spazio (variabilità legata alla distanza dalla costa, al profilo topografico e alla distribuzione dei corpi sabbiosi litoranei) e nel tempo (variabilità legata alla piovosità e alla gestione delle acque superficiali e del sottosuolo). La complessa variabilità spazio-temporale dei processi in atto nella falda superficiale non consente di evidenziare una complessiva prevalenza di fenomeni di salinizzazione rispetto a quelli di addolcimento.

Alla ricerca della sostenibilità: lo sviluppo dell'agricoltura dall'Unità d'Italia alla Green Economy

L’elaborato finale presentato per la tesi di Dottorato analizza e riconduce a unitarietà, per quanto possibile, alcune delle attività di ricerca da me svolte durante questi tre anni, il cui filo conduttore è l'impatto ambientale delle attività umane e la promozione dello sviluppo sostenibile. Il mio filone di ricerca è stato improntato, dal punto di vista di politica economica, sull'analisi storica dello sviluppo del settore agricolo dall'Unità d'Italia ai giorni nostri e dei cambiamenti avvenuti in contemporanea nel contesto socio-economico e territoriale nazionale, facendo particolare riferimento alle tematiche legate ai consumi e alla dipendenza energetica ed all'impatto ambientale. Parte della mia ricerca è stata, infatti, incentrata sull'analisi dello sviluppo della Green Economy, in particolare per quanto riguarda il settore agroalimentare e la produzione di fonti di energia rinnovabile. Enfasi viene posta sia sulle politiche implementate a livello comunitario e nazionale, sia sul cambiamento dei consumi, in particolare per quanto riguarda gli acquisti di prodotti biologici. La Green Economy è vista come fattore di sviluppo e opportunità per uscire dall'attuale contesto di crisi economico-finanziaria. Crisi, che è strutturale e di carattere duraturo, affiancata da una crescente problematica ambientale dovuta all'attuale modello produttivo, fortemente dipendente dai combustibili fossili. Difatti la necessità di cambiare paradigma produttivo promuovendo la sostenibilità è visto anche in ottica di mitigazione del cambiamento climatico e dei suoi impatti socio-economici particolare dal punto di vista dei disastri ambientali. Questo punto è analizzato anche in termini di sicurezza internazionale e di emergenza umanitaria, con riferimento al possibile utilizzo da parte delle organizzazioni di intervento nei contesti di emergenza di tecnologie alimentate da energia rinnovabile. Dando così una risposta Green ad una problematica esacerbata dall'impatto dello sviluppo delle attività umane.

Il risparmio delle risorse alla scala abitativa e di insediamento. Tecnologie non convenzionali e valutazione ambientale attraverso metodologia LCA.

Nel corso del mio lavoro di ricerca mi sono occupata di identificare strategie che permettano il risparmio delle risorse a livello edilizio e di approfondire un metodo per la valutazione ambientale di tali strategie. La convinzione di fondo è che bisogna uscire da una visione antropocentrica in cui tutto ciò che ci circonda è merce e materiale a disposizione dell’uomo, per entrare in una nuova era di equilibrio tra le risorse della terra e le attività che l’uomo esercita sul pianeta. Ho quindi affrontato il tema dell’edilizia responsabile approfondendo l’ambito delle costruzioni in balle di paglia e terra. Sono convinta che l’edilizia industriale abbia un futuro molto breve davanti a sé e lascerà inevitabilmente spazio a tecniche non convenzionali che coinvolgono materiali di semplice reperimento e posa in opera. Sono altresì convinta che il solo utilizzo di materiali naturali non sia garanzia di danni ridotti sull’ecosistema. Allo stesso tempo ritengo che una mera certificazione energetica non sia sinonimo di sostenibilità. Per questo motivo ho valutato le tecnologie non convenzionali con approccio LCA (Life Cycle Assessment), approfondendo gli impatti legati alla produzione, ai trasporti degli stessi, alla tipologia di messa in opera, e ai loro possibili scenari di fine vita. Inoltre ho approfondito il metodo di calcolo dei danni IMPACT, identificando una carenza nel sistema, che non prevede una categoria di danno legata alle modifiche delle condizioni idrogeologiche del terreno. La ricerca si è svolta attraverso attività pratiche e sperimentali in cantieri di edilizia non convenzionale e attività di ricerca e studio sull’LCA presso l’Enea di Bologna (Ing. Paolo Neri).

Il cambiamento climatico in Italia. Istituzioni scientifiche, politica e discorso pubblico (1988-2012)

La tesi di dottorato ivi presentata si pone come obbiettivo la ricostruzione come questo sapere scientifico (la scoperta del cambiamento climatico antropico sostanziata dalla comunità scientifica di 190 paesi) ha influenzato la ricerca, la politica e il discorso pubblico nel nostro paese, l'italia. Il titolo è indicativo quando riassuntivo: Il cambiamento climatico in Italia. Istituzioni scientifiche, politica e discorso pubblico (1988-2012). Esso definisce in maniera puntuale i temi che si tratteranno: una genealogia di fenomeni storici, politici, culturali nati in nuce alla scoperta di questo cambiamento che influenzerà in maniera determinante il modo in cui viviamo, l'ambiente intorno a noi, i modelli di sviluppo, la sicurezza del nostro abitare, la forma delle nostre città. In ogni paese questa complessa scoperta ha avuto impatti differenti, un portato differente sulla ricerca e sullo sviluppo economico. Quello che in queste pagine si tenta di analizzare è come l'Italia ha assimilato il discorso del cambiamento climatico , in continua evoluzione date le sue infinite ramificazioni, e come ha reagito a livello politico e di ricerca.

Approccio multidisciplinare per le valutazioni ambientali: Problematiche e sinergie in un uso combinato delle metodologie life cycle assessment (lca) e risk assessment (ra)

In questo lavoro di tesi si è elaborato un quadro di riferimento per l’utilizzo combinato di due metodologie di valutazione di impatti LCA e RA, per tecnologie emergenti. L’originalità dello studio sta nell’aver proposto e anche applicato il quadro di riferimento ad un caso studio, in particolare ad una tecnologia innovativa di refrigerazione, basata su nanofluidi (NF), sviluppata da partner del progetto Europeo Nanohex che hanno collaborato all’elaborazione degli studi soprattutto per quanto riguarda l’inventario dei dati necessari. La complessità dello studio è da ritrovare tanto nella difficile integrazione di due metodologie nate per scopi differenti e strutturate per assolvere a quegli scopi, quanto nel settore di applicazione che seppur in forte espansione ha delle forti lacune di informazioni circa processi di produzione e comportamento delle sostanze. L’applicazione è stata effettuata sulla produzione di nanofluido (NF) di allumina secondo due vie produttive (single-stage e two-stage) per valutare e confrontare gli impatti per la salute umana e l’ambiente. Occorre specificare che il LCA è stato quantitativo ma non ha considerato gli impatti dei NM nelle categorie di tossicità. Per quanto concerne il RA è stato sviluppato uno studio di tipo qualitativo, a causa della problematica di carenza di parametri tossicologici e di esposizione su citata avente come focus la categoria dei lavoratori, pertanto è stata fatta l’assunzione che i rilasci in ambiente durante la fase di produzione sono trascurabili. Per il RA qualitativo è stato utilizzato un SW specifico, lo Stoffenmanger-Nano che rende possibile la prioritizzazione dei rischi associati ad inalazione in ambiente di lavoro. Il quadro di riferimento prevede una procedura articolata in quattro fasi: DEFINIZIONE SISTEMA TECNOLOGICO, RACCOLTA DATI, VALUTAZIONE DEL RISCHIO E QUANTIFICAZIONE DEGLI IMPATTI, INTERPRETAZIONE.

Sviluppo di metodologie innovative di supporto decisionale alla progettazione basate su indicatori di prestazione

Il progetto di ricerca è finalizzato allo sviluppo di una metodologia innovativa di supporto decisionale nel processo di selezione tra alternative progettuali, basata su indicatori di prestazione. In particolare il lavoro si è focalizzato sulla definizione d’indicatori atti a supportare la decisione negli interventi di sbottigliamento di un impianto di processo. Sono stati sviluppati due indicatori, “bottleneck indicators”, che permettono di valutare la reale necessità dello sbottigliamento, individuando le cause che impediscono la produzione e lo sfruttamento delle apparecchiature. Questi sono stati validati attraverso l’applicazione all’analisi di un intervento su un impianto esistente e verificando che lo sfruttamento delle apparecchiature fosse correttamente individuato. Definita la necessità dell’intervento di sbottigliamento, è stato affrontato il problema della selezione tra alternative di processo possibili per realizzarlo. È stato applicato alla scelta un metodo basato su indicatori di sostenibilità che consente di confrontare le alternative considerando non solo il ritorno economico degli investimenti ma anche gli impatti su ambiente e sicurezza, e che è stato ulteriormente sviluppato in questa tesi. Sono stati definiti due indicatori, “area hazard indicators”, relativi alle emissioni fuggitive, per integrare questi aspetti nell’analisi della sostenibilità delle alternative. Per migliorare l’accuratezza nella quantificazione degli impatti è stato sviluppato un nuovo modello previsionale atto alla stima delle emissioni fuggitive di un impianto, basato unicamente sui dati disponibili in fase progettuale, che tiene conto delle tipologie di sorgenti emettitrici, dei loro meccanismi di perdita e della manutenzione. Validato mediante il confronto con dati sperimentali di un impianto produttivo, si è dimostrato che tale metodo è indispensabile per un corretto confronto delle alternative poiché i modelli esistenti sovrastimano eccessivamente le emissioni reali. Infine applicando gli indicatori ad un impianto esistente si è dimostrato che sono fondamentali per semplificare il processo decisionale, fornendo chiare e precise indicazioni impiegando un numero limitato di informazioni per ricavarle.

Il modello Positive Energy Districts. Approcci innovativi e strumenti operativi per la transizione verso città clima-neutrali

Ad oggi le città europee si configurano come i principali centri di cultura, innovazione e sviluppo economico. Tuttavia, ospitando circa il 75% della popolazione e consumando quasi l’80% dell’energia prodotta, a causa delle significative emissioni di gas serra esse contribuiscono in modo rilevante ai cambiamenti climatici e, allo stesso tempo, ne subiscono gli effetti più intensi. La Comunità Europea ha preso atto della necessità di intraprendere un’azione sinergica che adotti strategie di mitigazione climatica e preveda misure di adattamento per far fronte agli impatti climatici ormai inevitabili. L'orientamento dei Programmi europei di Ricerca e Innovazione sul tema delle città smart e clima-neutrali sposta l'attenzione dalla dimensione urbana verso la scala di distretto. In questa prospettiva, i Positive Energy Districts (PEDs) si configurano come distretti di nuova edificazione, ma anche come soluzioni ambiziose per la riqualificazione di quartieri esistenti che gestiscono in modo attivo il fabbisogno energetico con un bilancio nullo di emissioni e un surplus di energia prodotta da rinnovabili. La ricerca di dottorato focalizza l’indagine sul modello PEDs esplorandone il potenziale di applicabilità nel contesto urbano consolidato. Nello specifico, la tesi lavora allo sviluppo di due contributi di ricerca originali: il PED-Portfolio e il PED-Toolkit. Tali contributi propongono un approccio sistemico, attraverso il quale intraprendere un percorso di conoscenza e sperimentazione del modello PEDs in una prospettiva di riduzione del fabbisogno energetico, ma anche in un’ottica di migliore accessibilità, vivibilità e resilienza di questi distretti. Al fine di verificare l’applicabilità dei risultati della ricerca, gli strumenti sviluppati vengono testati su un’area pilota e gli esiti di tale sperimentazione sono poi messi a confronto con il quadro dello stato dell’arte e con le principali linee di ricerca internazionali sul tema PEDs, affinando gli esiti del progetto di dottorato in un processo di ricerca-sperimentazione-ricerca.

Sustainability in buildings and waste sector: metrics, challanges, and opportunities

Nowadays, the scientific community has devoted a consistent effort to the sustainable development of the waste management sector and resource efficiency in building infrastructures. Waste is the fourth largest source sector of emissions and the municipal solid waste management system is considered as the most complex system to manage, due to its diverse composition and fragmentation of producers and responsibilities. Nevertheless, given the deep complexity that characterize the waste management sector, sustainability is still a challenging task. Interestingly, open issues arise when dealing with the sustainability of the waste sector. In this thesis, some recent advances in the waste management sector have been presented. Specifically, through the analysis of four author publications this thesis attempted to fill the gap in the following open issues: (i) the waste collection and generation of waste considering the pillars of sustainability; (ii) the environmental and social analysis in designing building infrastructures; (iv) the role of the waste collection in boosting sustainable systems of waste management; (v) the ergonomics impacts of waste collection. For this purpose, four author publications in international peer – reviewed journals were selected among the wholly author's contributions (i.e., final publication stage).

L'edilizia residenziale nell'era dell'economia circolare. Modelli e paradigmi per la rigenerazione delle periferie urbane

Il patrimonio residenziale italiano ammonta a 12,2 milioni di edifici, di cui il 57,5% ha più di 50 anni ed è stato costruito in assenza di normative specifiche, in termini di sicurezza sismica, resistenza al fuoco, efficienza energetica e accessibilità, e manifesta un’avanzata obsolescenza. Agire su questo patrimonio significa operare tramite le due macro categorie di intervento: demolizione/ricostruzione o riqualificazione energetica. Questa ricerca dottorale vuole indagare la demolizione/ricostruzione di comparti urbani periferici, costruiti tra 1945-1965, quale strategia di rigenerazione urbana, integrandola in un modello edilizio basato sui criteri dell’economia circolare. Vengono definite le caratteristiche costruttive e i principi di questo modello di progettazione ecosistemica, denominato Integrho, che coniuga i criteri di ecodesign nel ciclo di vita (Building in Layers, Design for Disassembly e il Design out Waste) con quelli di bioclimaticità e di adattabilità funzionale. Il lavoro è stato improntato secondo due livelli gerarchici, scala urbana e scala edilizia, tra loro correlate mediante quella intermedia dell’isolato, al fine di ottenere un obiettivo di natura metodologica: definire uno strumento di supporto decisionale, capace di indirizzare tra le categorie di intervento attraverso parametri oggettivi, valutati con analisi comparative speditive. Tale metodologia viene applicata al contesto di Bologna, e si fonda sulla creazione di un’approfondita base conoscitiva attraverso la catalogazione delle 8.209 pratiche edilizie di nuova costruzione presentate tra 1945 e il 1965. Tale strumento georeferenziato, contenente informazioni tipologiche, costruttive ecc., è impiegato per valutare in modo quantitativo e speditivo i consumi energetici, i materiali incorporati, gli impatti ambientali e i costi economici dei differenti scenari di intervento nel ciclo di vita. Infine, l’applicazione del modello edilizio Integrho e del paradigma Ri-Costruire per Ri-Generare ad uno degli isolati periferici selezionati, è impiegata come esemplificazione dell’intero processo, dalla fase conoscitiva a quella strumentale, al fine di verificarne l’attendibilità e l’applicabilità su larga scala.

Transition Matters. Il ruolo del designer nella transizione sostenibile e circolare dei materiali polimerici

La ricerca indaga il ruolo del designer nella transizione sostenibile e circolare all’uso di materiali polimerici. Nel contesto contemporaneo la plastica è utilizzata in quasi ogni settore merceologico ma la sua futura applicazione è messa in forte discussione a causa dei visibili impatti ambientali del suo uso irresponsabile. Un passaggio netto dalla totale dipendenza alla liberazione dei polimeri è difficile; è necessario un periodo di transizione che permetta di coesistere responsabilmente con i polimeri in attesa di trovare dei validi sostituti. L’obiettivo della ricerca è lavorare su questo periodo ponendo il designer e le sue competenze come soggetti chiave del movimento. La tesi di ricerca propone un approccio per calare le pratiche del Transition Design nella progettazione di sistemi-prodotto, nutrendosi degli attributi anticipatori dell’Advanced Design e puntando agli obiettivi del Circular Design, lavorando a partire dalle merci più critiche nel contesto contemporaneo: quelle in polimero fossile non riciclabile. Contributo della tesi è la figura del Transition Matter Designer, un progettista di transizioni dei materiali che prevede metamorfosi di sistemi-prodotto nel tempo grazie alle sue competenze a diverse scale del progetto: forma l’utente agli atteggiamenti circolari e sostenibili, caratterizza i materiali per individuarne nuovi usi, seleziona i processi produttivi adatti a prevenire scarti e ne anticipa i cicli di vita nei prodotti. I Knitted Fasteners sono il risultato della simulazione del lavoro del Transition Matter Designer nel tessile: un sistema di elementi di fissaggio, personalizzabili dallo stilista e integrati negli abiti a maglia, che permettono di eliminare l’uso di fashion fasteners in plastica e metallo, elementi che rendono difficile il riciclo dei capi. Dalla sperimentazione è emerso il modello concettuale della Transindustrial Production: un lavoro di collaborazione fra Transition Matter Designer e creativo per dare identità ai materiali polimerici circolari attraverso l’ibridazione fra artigianato e industria, tipico del Made in Italy.