Environmental assessment of industrial chemical and primary sector processes from a life cycle perspective

During the PhD program in chemistry at the University of Bologna, the environmental sustainability of some industrial processes was studied through the application of the LCA methodology. The efforts were focused on the study of processes under development, in order to assess their environmental impacts to guide their transfer on an industrial scale. Processes that could meet the principles of Green Chemistry have been selected and their environmental benefits have been evaluated through a holistic approach. The use of renewable sources was assessed through the study of terephthalic acid production from biomass (which showed that only the use of waste can provide an environmental benefit) and a new process for biogas upgrading (whose potential is to act as a carbon capture technology). Furthermore, the basis for the development of a new methodology for the prediction of the environmental impact of ionic liquids has been laid. It has already shown good qualities in identifying impact trends, but further research on it is needed to obtain a more reliable and usable model. In the context of sustainable development that will not only be sector-specific, the environmental performance of some processes linked to the primary production sector has also been evaluated. The impacts of some organic farming practices in the wine production were analysed, the use of the Cereal Unit parameter was proposed as a functional unit for the comparison of different crop rotations, and the carbon footprint of school canteen meals was calculated. The results of the analyses confirm that sustainability in the industrial production sector should be assessed from a life cycle perspective, in order to consider all the flows involved during the different phases. In particular, it is necessary that environmental assessments adopt a cradle-to-gate approach, to avoid shifting the environmental burden from one phase to another.

Nuovo copoliestere multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico contenente sequenze PEG-like per la realizzazione di film compostabili per il packaging flessibile ecosostenibile

La società civile pone oggi particolare attenzione al tema della sostenibilità ambientale, di qui la crescente necessità di progettare e sviluppare imballaggi ecosostenibili e/o biodegradabili con elevate prestazioni. I materiali polimerici, in particolare i poliesteri, presentano sicuramente una valida soluzione. Un monomero proveniente da fonti rinnovabili che consente la realizzazione di polimeri dalle eccellenti proprietà meccaniche e barriera è l'acido 2,5-furandicarbossilico. Tuttavia, i poliesteri furan-based non possiedono le caratteristiche di biodegradabilità desiderate, inoltre sono materiali duri e fragili e quindi non idonei per l’imballaggio flessibile. In tale contesto si inserisce il presente lavoro di tesi che ha come scopo la realizzazione di un nuovo poli(estere uretano) multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico, caratterizzato da proprietà migliorate rispetto all’omopolimero di partenza (poli(esametilene 2,5-furanoato)), il quale presenti una maggiore velocità di degradazione, combinata con un comportamento meccanico elastomerico, e eccellenti proprietà barriera. Per questo sono state prese in considerazione due diverse unità copolimeriche: una cosiddetta “hard” il poli(esametilene 2,5-furanoato) e l’altra “soft” il poli(trietilene 2,5-furanoato). L’alternanza di queste due porzioni ha permesso di realizzare un copolimero tenace, con un’elevata temperatura di fusione (dovuta all’elevato grado di cristallinità del segmento hard), e con un basso modulo elastico ed un elevato allungamento a rottura (tipici invece del segmento soft). I risultati ottenuti hanno evidenziato come la copolimerizzazione abbia aumentato la flessibilità del materiale, la velocità di degradazione, entrambi grazie al ridotto grado di cristallinità. Infine il copolimero presenta eccellenti proprietà barriera, grazie alla presenza di una fase bidimensionale ordinata (mesofase).

Studio di fattibilità ed implementazione della tecnologia MBR per l'impianto di depurazione acque presso Caviro-Extra (Faenza-RA)

Caviro Extra è un’azienda con sede a Faenza, impegnata nella lavorazione dei sottoprodotti derivanti dalla vinificazione e nella produzione di energia sostenibile ottenuta sia dai propri scarti di lavorazione che da rifiuti agroalimentari di aziende terze. Lo stabilimento svolge autonomamente il trattamento dei reflui abbattendo le sostanze inquinanti e permettendo così lo scarico in pubblica fognatura. Lo scopo della tesi è quello di studiare la fattibilità, tramite lo studio bibliografico, dell’implementazione di un bioreattore aerobico a membrana (MBR) come soluzione impiantistica atta a fronteggiare l’alto carico idraulico ed ammoniacale gestito durante il periodo della campagna di vinificazione. In un’ottica di sostenibilità ambientale si è presentato un secondo scopo , cioè quello di andare a recuperare le acque reflue tramite osmosi inversa. Dallo studio di letteratura scientifica riguardo la capacità di nitrificazione del bioreattore a membrana si hanno risultati favorevoli. Indicando tale sistema come una soluzione efficiente e stabile che può essere applicata nella nitrificazione di acque reflue contenenti un’alta concentrazione di azoto ammoniacale. L’integrazione di un sistema MBR con un’osmosi inversa ha, altresì, dimostrato miglioramenti ulteriori della qualità dell'acqua trattata; dimostrando di fornire un’alta reiezione di nitrato come di cloruri e di solfati ad alta concentrazione iniziale come nel caso in esame e di poter essere la soluzione impiantistica per alleggerire il carico ammoniacale al settore biologico e allo stesso tempo recuperare acqua riducendo la necessità di emungimento da pozzi artesiani. L’azienda verificherà mediante l’attività di testing la reale fattibilità in termini di potenziale miglioramento di depurazione, costi operativi e semplicità di gestione attraverso l’implementazione di impianti pilota sia sulla tecnologia analizzata (MBR+RO) sia su un processo MBBR di tipo ibrido fango attivo/biomassa adesa.

Strategies for lowering the environmental impact of different electrochemical energy storage system

The continuous growth of global population brings an exponential increase on energy consumption and greenhouse gas emission in the atmosphere contributing to the increase of the planet temperature. Therefore, it is mandatory to adopt renewable energy production systems like photovoltaic or wind power: unfortunately, the main limit of these technologies is the natural intermittence of the energy sources that limits their applicability. The key enabling technology for a widespread usage of clean power sources are electrochemical energy storage systems, most commonly known as batteries. Batteries will enable the storage of energy during overproduction period and the release during low production period stabilizing the power outcome, allowing the connection to the main grid and increasing the applicability of renewable energy sources. Despite the high number of benefits that the widespread use of batteries will bring, starting from the reduction of CO2 emitted in the atmosphere, it is necessary also to take care of the environmental impact of processes and materials used for the production of electrochemical storage systems. In addition, there are many different battery systems, with different chemistries and designs that require specific strategies. Nowadays, the most part of the materials and chemicals used for battery production are toxic for humans and the environment. For this reason, this Ph.D. thesis addresses the challenging scope of lowering the environmental impact of manufacturing processes of different electrochemical energy storage systems using natural derived or low carbon footprint materials while increasing the performances with respect to commercial devices. The activities carried out during my Ph.D. cover a high number of different electrochemical storage systems involving a wide range of electrochemical processes from capacitive to faradic. New materials, different production processes and new battery design, all in view of sustainability and low environmental impact, increased the innovative and challenging aspects of this work.

Study of materials and interphases for electrochemical energy storage from renewable sources

Batteries should be refined depending on their application for a future in which the sustainable energy demand increases. On the one hand, it is fundamental to improve their safety, prevent failures, increase energy density, and reduce production costs. On the other hand, new battery materials and architecture are required to satisfy the growing demand. This thesis explores different electrochemical energy storage systems and new methodologies to investigate complex and dynamic processes. Lithium-ion batteries are described in all their cell components. In these systems, this thesis investigates negative electrodes. Both the development of new sustainable materials and new in situ electrode characterization methods were explored. One strategy to achieve high-energy systems is employing lithium metal anodes. In this framework, ammonium hexafluorophosphate is demonstrated to be a suitable additive for stabilizing the interphase and preventing uncontrolled dendritic deposition. Deposition/stripping cycles, electrochemical impedance spectroscopy, in situ optical microscopy, and operando confocal Raman spectroscopy have been used to study lithium metal-electrolyte interphase in the presence of the additive. Redox Flow Batteries (RFBs) are proposed as a sustainable alternative for stationary applications. An all-copper aqueous RFB (CuRFB) has been studied in all its aspects. For the electrolyte optimization, spectro-electrochemical tests in diluted solution have been used to get information on the electrolyte’s electrochemical behaviour with different copper complexes distributions. In concentrated solutions, the effects of copper-to-ligand ratios, the concentration, and the counter-ion of the complexing agent were evaluated. Electrode thermal treatment was optimized, finding a compromise between the electrochemical performance and the carbon footprint. On the membrane side, a new method for permeability studies was designed using scanning electrochemical microscopy (SECM). The Cu(II) permeability of several membranes was tested, obtaining direct visualization of Cu(II) concentration in space. Also, two spectrophotometric approaches were designed for SoC monitoring systems for negative and positive half-cells.

Effetto della deplezione della lisina e della contemporanea somministrazione di integratori alimentari sulla qualità della carne di petto di pollo

Il presente lavoro di tesi ha avuto lo scopo di valutare l’effetto della deplezione dietetica della lisina, in concomitanza o meno della supplementazione di due diverse tipologie di integratori alimentari, sui principali tratti qualitativi e sulle proprietà tecnologiche della carne di petto di pollo. Pertanto, 1620 polli maschi sono stati allevati e suddivisi in 4 gruppi sperimentali in funzione dei trattamenti dietetici che prevedevano la deplezione del contenuto di lisina nella dieta con l’aggiunta o meno di 2 diversi tipi di integratori nella fase starter. Al termine della prova (50gg), 12 muscoli pettorali/gruppo sono stati destinati all’analisi del pH, colore, drip e cooking loss e sforzo di taglio. I risultati ottenuti hanno evidenziato che la deplezione della lisina insieme all’aggiunta dell’integratore 2 (contenente un precursore della creatina) ha determinato una significativa modificazione del colore della carne in termini di luminosità e indice di rosso (a*) e un aumento del cooking loss rispetto al gruppo di controllo. Tuttavia, le modificazioni ottenute sono di lieve entità e non determinano un eventuale peggioramento qualitativo della carne. Infatti, la deplezione della lisina non ha fatto rilevare alcuna modificazione significativa nei confronti dei parametri qualitativi e tecnologici presi in esame. Considerata la limitata disponibilità di studi presenti in letteratura riguardo la restrizione dietetica della quota di lisina, questo studio suggerisce come la sua deplezione nel primo periodo di vita dell’animale possa rappresentare una strategia efficace per ridurre i costi di alimentazione e migliorare la sostenibilità del sistema di produzione senza influenzare negativamente la qualità della carne. Infatti, è noto che la riduzione della concentrazione di alcuni componenti della dieta possa determinare una minore escrezione di azoto e fosforo, migliorando così la sostenibilità ambientale del sistema produttivo.

La Spazializzazione dei servizi ecosistemici nelle socio-nature urbane: Il caso dei Prati di Caprara e della Golena San Vitale

La presente ricerca si focalizza sull’analisi di come l’utilizzo dei servizi ecosistemici vada a riconfigurare e ri-significare le socio-nature urbane, in particolare nel contesto dei due casi di studio presi in analisi: il bosco urbano dei Prati di Caprara e l’area di riequilibrio ecologico Golena San Vitale. Si vedrà come nel caso della Golena San Vitale verrà riprodotta la narrazione dominante sulla sostenibilità ambientale, perfettamente integrata nei meccanismi neoliberali. Nel caso dei Prati di Caprara, invece, verrà sottolineato come i servizi ecosistemici subiranno una riappropriazione dal basso, attraverso delle pratiche collettive che puntano a sovvertire le relazioni di potere insite in questo concetto. Questo contributo si inserisce nel dibattito dell’ecologia politica, ed in particolare dell’ecologia politica urbana, utilizzando tale approccio per decostruire il discorso scientifico, nato attorno ai servizi ecosistemici, e portare alla luce le asimmetrie di potere insite in tale narrazione. Nella raccolta ed elaborazione dei dati, si andrà ad utilizzare una triangolazione di metodi di ricerca. L’analisi testuale e discorsiva utilizzata nella decostruzione del discorso istituzionale sarà quindi completata dalle interviste semi-strutturate ad attori coinvolti nei processi relativi ai due casi di studio e da una ricerca etnografica di osservazione partecipante.

Studio della reazione di hydrogen-transfer di metil levulinato con etanolo in fase vapore: effetto del palladio supportato su catalizzatori contenenti zirconio

La valorizzazione di biomasse lignocellulosiche rappresenta la strada che la chimica può percorrere per svincolarsi dalle fonti fossili e virare verso un futuro incentrato sulla sostenibilità ambientale. In quest’ottica, l’acido levulinico (AL) e i suoi esteri, detti alchil levulinati, ottenibili dalla valorizzazione di biomasse di scarto, rappresentano una classe di composti di grande interesse industriale. Infatti, dalla loro riduzione è possibile ottenere g-valerolattone (GVL), un’importante molecola piattaforma per l’industria chimica, o alchil valerati, composti interessanti per diverse branche dell’industria chimica e per la formulazione di bio-carburanti. Già da tempo è nota la possibilità di effettuare la riduzione di AL in fase liquida in presenza di alcoli come H-Donor secondo un meccanismo detto Catalytic Transfer Hydrogenation che può essere promosso da ossido di zirconio (ZrO2). Recentemente, è stato ottimizzato un processo che impiega i reagenti appena citati in un reattore continuo operante in fase gassosa con ZrO2 come catalizzatore. In questo lavoro, si è dopato tale sistema catalitico con palladio, al fine di promuovere le reazioni di riduzione consecutiva al GVL e si sono ottimizzati i parametri operativi come tempo di contatto, temperatura e rapporto tra substrato e H-Donor.

Applicazione di un modello bi-obiettivo per la progettazione sostenibile di sistemi produttivi riconfigurabili

Negli ultimi anni la competitività nei mercati è notevolmente cresciuta, la complessità dei prodotti industriali è considerevolmente aumentata e quest’ultimi devono ora essere accuratamente ottimizzati sotto ogni aspetto. I prodotti, oltre ad avere dei cicli di vita più brevi, sono soggetti a un’alta personalizzazione e a una domanda variabile. Per rimanere competitive, le aziende manifatturiere devono possedere nuovi tipi di sistemi di produzione che siano convenienti e molto reattivi a tutti questi cambiamenti del mercato, quali i Sistemi di produzione riconfigurabili (Reconfigurable Manufacturing System - RMS). La particolarità di tali sistemi risiede nella capacità di cambiare rapidamente le loro strutture hardware e software, aspetto che li renda idonei a soddisfare la produzione moderna. Oltre agli aspetti produttivi, l’attenzione odierna è incentrata anche sulle tematiche ambientali legate al risparmio energetico durante i processi produttivi, alla riduzione delle quantità di CO2 emesse e alla sostenibilità ambientale. L’obiettivo di questa tesi è quello di proporre un modello di ottimizzazione multi-obiettivo che tenga conto sia della minimizzazione del tempo complessivo necessario alla movimentazione dei prodotti e alla riconfigurazione delle macchine, e sia della minimizzazione del consumo energetico. Tale modello è stato applicato ad un caso studio realistico che ha permesso di individuare un trade-off tecnico-ambientale individuando la frontiera di Pareto con punto di ottimo (134.6 min; 9346.3 kWh) che si discosta del 57% dal valore trovato ottimizzando la funzione tempo, e dello 0.76% dal valore ottenuto ottimizzando la funzione energia.

Sviluppo ed applicazione di un modello di ottimizzazione per la gestione di una rete di Simbiosi Industriale

Nell’attuale contesto competitivo, sempre più alla ricerca di un incontro tra esigenze di natura economica e logiche di Sostenibilità Ambientale e di Economia Circolare (E.C.), questo elaborato si pone l’obiettivo di presentare un modello matematico, formulato per la simulazione e la conseguente ottimizzazione di una rete logistica gestita con logiche di Simbiosi Industriale (S.I.). Lo scopo di tale modello è fungere da supporto all’adozione di pratiche di S.I. in un determinato contesto territoriale, attraverso l’individuazione delle sinergie ottime, tra quelle considerate possibili, in grado di ridurre la produzione di rifiuti, a favore del riutilizzo di sottoprodotti e materie prime seconde, minimizzando il costo totale del sistema. Preliminarmente alla presentazione del modello, sarà descritto il contesto in cui la S.I. si colloca e i suoi collegamenti con i concetti di Ecologia Industriale (E.I.) ed E.C., verranno distinti i vari modelli esistenti di S.I. ed i casi di successo presenti nel contesto italiano ed europeo, e sarà illustrato l’attuale inquadramento normativo. In seguito, verranno descritti nel dettaglio il modello matematico e un caso studio, dimensionato allo scopo di validare il modello stesso. Fase particolarmente critica del lavoro è risultata essere quella relativa alla raccolta dati da inserire nel caso studio, in quanto informazioni sensibili e di conseguenza non facilmente reperibili. I risultati ottenuti dimostrano come possa risultare conveniente, dal punto di vista economico, l’adozione di pratiche di S.I. negli scambi tra realtà industriali, e in che modo tale convenienza muti al variare delle condizioni economiche al contorno.

Impatto ambientale dei rifiuti e degli sprechi agroalimentari in Europa e in Italia

Nonostante il fatto che una gran parte del mondo viva ancora oggi a livelli di sussistenza, i dati in nostro possesso ci indicano che le attività umane stanno esaurendo le risorse ambientali del pianeta. La causa di questo eccessivo sfruttamento delle risorse è da ricercare nei pattern non sostenibili di produzione e consumo dei paesi sviluppati. La preoccupazione per le conseguenze sull'ambiente e la lotta al cambiamento climatico hanno posto le politiche ambientali al centro dell'attenzione internazionale. Il Protocollo di Kyoto e la Commissione Europea hanno stabilito degli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra, rispettivamente del 12% entro il 2012 e del 20% entro il 2020. All'interno del Protocollo di Kyoto l'obiettivo per l'Italia è ridurre del 6,5% le emissioni di gas serra nazionali rispetto al 1990. Le politiche mirate alla riduzione delle emissioni di gas serra hanno in genere come obiettivo gli impianti energetici e i trasporti. Poca attenzione viene data alla filiera agroalimentare pur sapendo che l'agricoltura ha un forte impatto sull'ambiente e recenti studi stimano che circa il 50% del cibo prodotto viene perso o buttato via dalla produzione al consumo. Alla luce di questi dati, il mio lavoro di tesi ha avuto come obiettivo quello di quantificare i rifiuti e gli sprechi agroalimentari in Europa e in Italia e stimare l'impatto ambientale associato. I dati raccolti in questa tesi mettono in evidenza l'importanza di migliorare l'efficienza della filiera agroalimentare per ridurre l'impatto ambientale nazionale e rispettare gli accordi internazionali sulla lotta ai cambiamenti climatici.

Sostenibilità degli allevamenti di bovini da latte: valutazione degli impatti ambientali di un'azienda emiliana.

Il surriscaldamento globale è un fenomeno preoccupante ed è accertato che le attività umane sono responsabili di questa crisi climatica causata dall’aumento dei gas serra immessi nell’atmosfera. L’agricoltura contribuisce per il 23% delle emissioni planetarie di gas serra, che derivano per quasi l’80% dalla gestione degli allevamenti. L’allevamento è responsabile di diversi impatti ambientali, quali le emissioni enteriche delle bovine, le emissioni dalla fase di gestione delle deiezioni, e quelle che avvengono nella fase di coltivazione dei terreni aziendali, quali le emissioni di protossido di azoto dovute alle fertilizzazioni azotate e le emissioni derivanti dall’uso dei combustibili per le macchine agricole utilizzate per la gestione del bestiame, il consumo idrico, il consumo di energia per la climatizzazione estiva dell’allevamento e la produzione e lo smaltimento dei rifiuti plastici. Il rapporto però tra produzione di bestiame e cambiamento climatico è bilaterale. Infatti, i cambiamenti climatici influiscono negativamente sulla produzione zootecnica, con effetti diretti sulla salute animale e sull'efficienza riproduttiva, ma anche effetti indiretti derivanti dai cambiamenti nella qualità e quantità dei mangimi, disponibilità di acqua, alterazioni dell'ecosistema che portano a cambiamenti nella distribuzione di agenti patogeni e malattie. Proprio alla relazione, biunivoca, tra allevamento del bestiame ed impatto ambientale è dedicata la presente tesi. È stato infatti condotto uno studio con l'obiettivo di valutare gli impatti ambientali degli allevamenti di bovini da latte, sulla base di un modello di valutazione del ciclo di vita (Life Cycle Assessment) per un allevamento campione di un’azienda emiliana. I risultati emersi mostrano la possibilità di identificare gli impatti più rilevanti nell'allevamento bovino nei mangimi, negli imballaggi in plastica, nel consumo di energia e carburante.

L'impatto ambientale delle operazioni di bonifica delle acque sotterranee

Il lavoro di tesi è stato svolto presso l’azienda Ecosurvey® - 3000 Srl, con sede a Bologna. Ecosurvey® fornisce servizi e consulenze nel campo della geologia e delle scienze ambientali e opera in diversi ambiti, tra cui le bonifiche del suolo, del sottosuolo e delle acque sotterranee. L’inquinamento del suolo e del sottosuolo è, infatti, il contesto dello studio di questa tesi. Tale inquinamento è persistente: con riferimento ai fenomeni di contaminazione, il sottosuolo registra la storia industriale di un sito. L’approccio che tenta di coniugare i bisogni dell’uomo nella società con il rispetto dell’ambiente è lo sviluppo sostenibile, ovvero, secondo la World Commission on Environment and Development, uno sviluppo che soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di soddisfare i propri. Tra i molti ambiti in cui si applica il concetto di sostenibilità, è da ricordare quello delle bonifiche dei siti contaminati. A tal proposito, l’United States Environmental Protection Agency nel 2008 ha introdotto il concetto di “green remediation” come la pratica del considerare tutti gli effetti ambientali di un’azione di bonifica, includendo nel processo opzioni in grado di minimizzarne l’impronta ambientale. Nel 2013 la società Battelle, con i servizi tecnici ambientali di U.S. Navy, e U.S. Army Corps of Engineers ha sviluppato un applicativo denominato SiteWiseTM per la valutazione degli impatti ambientali associati alle tecnologie di bonifica delle acque sotterranee. Nell’ambito di questa tesi, in riferimento ad un intervento di bonifica presso un impianto di produzione di bitumi in attività, contaminato da idrocarburi, idrocarburi aromatici e composti organo-clorurati, con l’applicativo sono stati esaminati i principali indicatori dell’impronta ecologica (emissioni di gas serra, di ossidi di azoto, di zolfo e di polveri sottili; consumi di acqua, suolo ed energia) per tre diverse opzioni di bonifica, effettuandone poi il confronto.

Studio di metodi e strumenti per la valutazione dell'impatto ambientale e di sostenibilità dei processi di produzione additiva

La produzione additiva è una tecnologia innovativa completamente rivoluzionaria. La sua tecnica di costruzione layer by layer a partire da un file digitale consente la progettazione di componenti più complessi e ottimizzati, favorendo la stampa 3D su richiesta. La produzione additiva è potenzialmente in grado di offrire numerosi vantaggi sul tema della sostenibilità, rappresentati dall’utilizzo più efficiente delle risorse, dalla vita estesa dei prodotti e dalle nuove configurazioni delle catene di valore. L’ importanza di determinare gli impatti che tale processo genera lungo il suo ciclo di vita, ha portato ad una revisione della letteratura su tale argomento. In particolare, la mancanza di dati e modelli ha focalizzato l’attenzione su studi LCA di specifici processi. Grazie a tale strumento è stato possibile determinare l’influenza di diversi materiali, parametri di processo e scenari di utilizzo. Infine, viene mostrato quanto sia significativo l’impatto sociale che è in grado di generare la produzione additiva.