Analisi del ciclo di vita di processi chimici industriali: applicazione alla sintesi di acrilonitrile mediante reazione di ammonossidazione

La green chemistry può essere definita come “l’utilizzo di una serie di principi che riducono o eliminano l’uso o la formazione di sostanze pericolose nella progettazione, produzione e applicazione di prodotti chimici”. . È in questo contesto che si inserisce la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), come strumento di analisi e di valutazione. Lo scopo del presente lavoro di tesi è l’analisi degli impatti ambientali associati a processi chimici, ambito ancora poco sviluppato nella letteratura degli studi di LCA. Viene studiato e modellato il ciclo di vita (dall’ottenimento delle materie prime fino alla produzione del prodotto) della reazione di ammonossidazione per la produzione di acrilonitrile, valutando e comparando due alternative di processo: quella tradizionale, che utilizza propilene ( processo SOHIO), e le vie sintetiche che utilizzano propano, ad oggi poco sviluppate industrialmente. Sono stati pertanto creati sei scenari: due da propene (SOHIO FCC, con propene prodotto mediante Fluid Catalytic Cracking, e SOHIO Steam), e quattro da propano (ASAHI, MITSUBISHI, BP povero e ricco in propano). Nonostante la produzione dell’alcano abbia un impatto inferiore rispetto all’olefina, dovuto ai minori stadi di processo, dai risultati emerge che l’ammonossidazione di propano ha un impatto maggiore rispetto a quella del propene. Ciò è dovuto ai processi catalitici che utilizzano propano, che differiscono per composizione e prestazioni, rispetto a quelli da propene: essi risultano meno efficienti rispetto ai tradizionali, comportando maggiori consumi di reattivi in input . Dai risultati emerge che gli scenari da propano presentano maggiori impatti globali di quelli da propene per le categorie Cambiamento climatico, Formazione di materiale e Consumo di combustibili fossili. Invece per la categoria Consumo di metalli un impatto maggiore viene attribuito ai processi che utilizzano propene, per la maggior percentuale di metalli impiegata nel sistema catalitico, rispetto al supporto. L’analisi di contributo, eseguita per valutare quali sono le fasi più impattanti, conferma i risultati. Il maggior contributo per la categoria Consumo di combustibili fossili è ascrivibile ai processi di produzione del propano, dell’ammoniaca e del solfato di ammonio ( legato all’ammoniaca non reagita ). Stessi risultati si hanno per la categoria Cambiamento climatico, mentre per la categoria Formazione di materiale particolato, gli impatti maggiori sono dati dai processi di produzione del solfato di ammonio, del propano e dell’acido solforico (necessario per neutralizzare l’ammoniaca non reagita). Per la categoria Consumo di metalli, il contributo maggiore è dato dalla presenza del catalizzatore. È stata infine eseguita un’analisi di incertezza tramite il metodo Monte Carlo, verificando la riproducibilità dei risultati.

Simulazione numerica di celle solari Metal Wrap Through (MWT) con passivazione dell'interfaccia di base e contatti puntuali

L'energia solare rientra nel gruppo delle energie rinnovabili, ovvero che provengono da una fonte il cui utilizzo attuale non ne pregiudica la disponibilità nel futuro. L'energia solare ha molti vantaggi, poiché è inesauribile ed è una risorsa d'immediata disponibilità perché giunge attraverso i raggi del sole. La conversione fotovoltaica sfrutta il meccanismo di generazione di carica elettrica prodotto dall'interazione della radiazione luminosa su di un materiale semiconduttore. La necessità di creare energia riducendo al minimo l'impatto ambientale ed il contemporaneo aumento del prezzo di fonti fossili come ad esempio il petrolio ed il carbone (senza trascurare il fatto che le riserve di essi sono, di fatto, esauribili) ha portato un aumento considerevole della produzione di energia elettrica tramite conversione fotovoltaica. Allo stato attuale dell'economia e dei mercati, sebbene il settore fotovoltaico sia in forte crescita, non è esente da un parametro che ne descrive le caratteristiche economiche ed energetiche, il cosiddetto rapporto costo/efficienza. Per efficienza, si intende la quantità di energia elettrica prodotta rispetto alla potenza solare incidente per irraggiamento, mentre per costo si intende quello sostenuto per la costruzione della cella. Ridurre il rapporto costo/efficienza equivale a cercare di ottenere un'efficienza maggiore mantenendo inalterati i costi, oppure raggiungere una medio-alta efficienza ma ridurre in maniera significativa la spesa di fabbricazione. Quindi, nasce la necessità di studiare e sviluppare tecnologie di celle solari all'avanguardia, che adottino accorgimenti tecnologici tali per cui, a parità di efficienza di conversione, il costo di produzione della cella sia il più basso possibile. L'efficienza dei dispositivi fotovoltaici è limitata da perdite ottiche, di ricombinazione di carica e da resistenze parassite che dipendono da diversi fattori, tra i quali, le proprietà ottiche e di trasporto di carica dei materiali, l'architettura della cella e la capacità di intrappolare la luce da parte del dispositivo. Per diminuire il costo della cella, la tecnologia fotovoltaica ha cercato di ridurre il volume di materiale utilizzato (in genere semiconduttore), dal momento in cui si ritiene che il 40% del costo di una cella solare sia rappresentato dal materiale. Il trend che questo approccio comporta è quello di spingersi sempre di più verso spessori sottili, come riportato dalla International Technology Roadmap for Photovoltaic, oppure ridurre il costo della materia prima o del processo. Tra le architetture avanzate di fabbricazione si analizzano le Passivated Emitter and Rear Cell-PERC e le Metal Wrap Through-MWT Cell, e si studia, attraverso simulazioni numeriche TCAD, come parametri geometrici e di drogaggio vadano ad influenzare le cosiddette figure di merito di una cella solare.

New and More Sustainable Processes for the Synthesis of Phenolics: 2-phenoxyethanol and hydroxytyrosol

The research work has dealt with the study of new catalytic processes for the synthesis of fine chemicals belonging to the class of phenolics, namely 2-phenoxyethanol and hydroxytyrosol. The two synthetic procedures investigated have the advantages of being much closer to the Green Chemistry principles than those currently used industrially. In both cases, the challenge was that of finding catalysts and methods which led to the production of less waste, and used less hazardous chemicals, safer solvents, and reusable heterogeneous catalysts. In the case of 2-phenoxyethanol, the process investigated involves the use of ethylene carbonate (EC) as the reactant for phenol O-hydroxyethylation, in place of ethylene oxide. Besides being a safer reactant, the major advantage of using EC in the new synthesis is the better selectivity to the desired product achieved. Moreover, the solid catalyst based on Na-mordenite was fully recyclable. The reaction mechanism and the effect of the Si/Al ratio in the mordenite were investigated. In the case of hydroxytyrosol, which is one of the most powerful natural antioxidants, a new synthetic procedure was investigated; in fact, the method currently employed, the hydrolysis of oleuropein, an ester extracted from the waste water processing of the olive, makes use of large amounts of organic solvents (hexane, ethyl acetate), and involves several expensive steps of purification. The synthesis procedure set up involves first the reaction between catechol and 2,2-dimethoxyacetaldehyde, followed by the one-pot reduction of the intermediate to give the desired product. Both steps were optimized, in terms of catalyst used, and of reaction conditions, that allowed to reach ca 70% yield in each step. The reaction mechanism was investigated and elucidated. During a 3-month period spent at the University of Valencia (with Prof. A. Corma’s group), a process for the production of diesel additives (2,5-bis(propoxymethyl)furan) from fructose has been investigated.

Stress abiotici e trattamenti ultra-diluiti: effetti fisiologici e molecolari sulla crescita in vitro di frumento

Gli stress abiotici determinando modificazioni a livello fisiologico, biochimico e molecolare delle piante, costituiscono una delle principali limitazioni per la produzione agricola mondiale. Nel 2007 la FAO ha stimato come solamente il 3,5% della superficie mondiale non sia sottoposta a stress abiotici. Il modello agro-industriale degli ultimi cinquant'anni, oltre ad avere contribuito allo sviluppo economico dell'Europa, è stato anche causa di inquinamento di acqua, aria e suolo, mediante uno sfruttamento indiscriminato delle risorse naturali. L'arsenico in particolare, naturalmente presente nell'ambiente e rilasciato dalle attività antropiche, desta particolare preoccupazione a causa dell'ampia distribuzione come contaminante ambientale e per gli effetti di fitotossicità provocati. In tale contesto, la diffusione di sistemi agricoli a basso impatto rappresenta una importante risorsa per rispondere all'emergenza del cambiamento climatico che negli anni a venire sottoporrà una superficie agricola sempre maggiore a stress di natura abiotica. Nello studio condotto è stato utilizzato uno stabile modello di crescita in vitro per valutare l'efficacia di preparati ultra diluiti (PUD), che non contenendo molecole chimiche di sintesi ben si adattano a sistemi agricoli sostenibili, su semi di frumento preventivamente sottoposti a stress sub-letale da arsenico. Sono state quindi condotte valutazioni sia a livello morfometrico (germinazione, lunghezza di germogli e radici) che molecolare (espressione genica valutata mediante analisi microarray, con validazione tramite Real-Time PCR) arricchendo la letteratura esistente di interessanti risultati. In particolare è stato osservato come lo stress da arsenico, determini una minore vigoria di coleptile e radici e a livello molecolare induca l'attivazione di pathways metabolici per proteggere e difendere le cellule vegetali dai danni derivanti dallo stress; mentre il PUD in esame (As 45x), nel sistema stressato ha indotto un recupero nella vigoria di germoglio e radici e livelli di espressione genica simili a quelli riscontrati nel controllo suggerendo un effetto "riequilibrante" del metabolismo vegetale.

Analisi del ciclo di vita applicato alla produzione dell'anidride maleica mediante vie alternative di sintesi industriale

Nel campo dell’industria chimica la ricerca si è mossa in direzione di rendere i processi più sostenibili. Ciò viene effettuato considerando le linee guida della green chemistry. In questo contesto si colloca la metodologia LCA che valuta l’impatto ambientale associato ad un processo o un prodotto, comprendendo tutto il suo ciclo di vita. Nel presente lavoro di tesi si studia l’applicazione della LCA alla sintesi industriale di anidride maleica (AM), che viene ottenuta tramite reazione di ossidazione del benzene o dell’n-butano. Nello studio si sono modellate tre diverse vie di sintesi dell’AM considerando il processo di produzione che parte da benzene e il processo di produzione da butano con due diversi tipi di reattore: il letto fisso e il letto fluido (processo ALMA). Negli scenari si considerano le fasi di produzione dei reagenti e si è modellata la fase della reazione di ossidazione e l’incenerimento dei sottoprodotti e del reagente non convertito. Confrontando i tre processi, emerge che al processo che parte da benzene sono associati gli impatti globali maggiori mentre il processo ALMA ha un minore carico ambientale. Il processo da benzene risulta avere maggiori impatti per le categorie Cambiamento climatico, Formazione di particolato e Consumo dei metalli. Il processo da butano a tecnologia a letto fisso presenta invece maggiori impatti per le categorie Tossicità umana e Consumo di combustibili fossili, dovuti alla maggiore richiesta energetica effettuata dal processo di ossidazione del butano con tecnologia a letto fisso e alla richiesta di combustibile ausiliario per la fase di incenerimento. Tale risultato emerge anche dall’analisi effettuata con il Cumulative Energy Demand. Al processo ALMA sono associati gli impatti inferiori in assoluto, nonostante abbia una resa inferiore al processo che utilizza il letto fisso. I risultati dell’analisi LCA sono stati confermati dall’analisi delle incertezze, realizzata con il metodo statistico Monte Carlo.

La gestione di una flotta automobilistica per il trasporto pubblico locale, con particolare riferimento alla sostenibilità ambientale e allo sviluppo del modello delle gare per l'affidamento del servizio.

Il lavoro sviluppato intende affrontare in modo integrato la problematica ambientale relativamente allo sviluppo della flotta di veicoli di un grande operatore del trasporto pubblico. In prima istanza il lavoro si è focalizzato sull’analisi approfondita della flotta esistente, ed accanto ai dati tradizionali è stata sviluppata anche un’analisi dei costi totali comprensive anche delle esternalità calcolate come da direttiva 2009/33/CE. Sono state sviluppate numerose elaborazioni di uso aziendale relativamente alla metodologia del costo del ciclo di vita, LCC, che è in uso presso TPER S.p.A. sin dal 2001. Successivamente sono stati sviluppati gli scenari evolutivi della flotta automobilistica individuando per il confronto finale tre scenari distinti in ottica 2020: - Il primo scenario inerziale senza nessuna modifica della flotta consolidato al 31.12.2015, tale scenario è definito dai veicoli presenti, dai costi di gestione della manutenzione, dai costi di carburante e dai costi esterni come suddetto; - Il secondo con orizzonte 2016 prevede l’inserimento in servizio dei n. 49 filosnodati Crealis e viene consolidato al 31.12.2016; - Il terzo scenario è quello obiettivo e considera nel 2020 l’entrata in parco via via degli acquisti che TPER S.p.A. ha già programmato per il 2017, 2018 e compresi i n.55 snodati con alimentazione elettrica del progetto PIMBO. Le comparazioni di questi scenari permettono in modo molto realistico di individuare gli effetti su una flotta reale delle politiche di investimento reali e non simulate e di poter quantificare quindi l’andamento dei costi esterni in relazione alla modifica della flotta di TPER S.p.A.

Glycerol carbonate as green solvent for pretreatment of sugarcane bagasse

Background Pretreatment of lignocellulosic biomass is a prerequisite for effective saccharification to produce fermentable sugars. We have previously reported an effective low temperature (90 °C) process at atmospheric pressure for pretreatment of sugarcane bagasse with acidified mixtures of ethylene carbonate (EC) and ethylene glycol (EG). In this study, “greener” solvent systems based on acidified mixtures of glycerol carbonate (GC) and glycerol were used to treat sugarcane bagasse and the roles of each solvent in deconstructing biomass were determined. Results Pretreatment of sugarcane bagasse at 90 °C for only 30 min with acidified GC produced a solid residue having a glucan digestibility of 90% and a glucose yield of 80%, which were significantly higher than a glucan digestibility of 16% and a glucose yield of 15% obtained for bagasse pretreated with acidified EC. Biomass compositional analyses showed that GC pretreatment removed more lignin than EC pretreatment (84% vs 54%). Scanning electron microscopy (SEM) showed that fluffy and size-reduced fibres were produced from GC pretreatment whereas EC pretreatment produced compact particles of reduced size. The maximal glucan digestibility and glucose yield of GC/glycerol systems were about 7% lower than those of EC/ethylene glycol (EG) systems. Replacing up to 50 wt% of GC with glycerol did not negatively affect glucan digestibility and glucose yield. The results from pretreatment of microcrystalline cellulose (MCC) showed that (1) pretreatment with acidified alkylene glycol (AG) alone increased enzymatic digestibility compared to pretreatments with acidified alkylene carbonate (AC) alone and acidified mixtures of AC and AG, (2) pretreatment with acidified GC alone slightly increased, but with acidified EC alone significantly decreased, enzymatic digestibility compared to untreated MCC, and (3) there was a good positive linear correlation of enzymatic digestibility of treated and untreated MCC samples with congo red (CR) adsorption capacity. Conclusions Acidified GC alone was a more effective solvent for pretreatment of sugarcane bagasse than acidified EC alone. The higher glucose yield obtained with GC-pretreated bagasse is possibly due to the presence of one hydroxyl group in the GC molecular structure, resulting in more significant biomass delignification and defibrillation, though both solvent pretreatments reduced bagasse particles to a similar extent. The maximum glucan digestibility of GC/glycerol systems was less than that of EC/EG systems, which is likely attributed to glycerol being less effective than EG in biomass delignification and defibrillation. Acidified AC/AG solvent systems were more effective for pretreatment of lignin-containing biomass than MCC.

Green synthesis of 1-2 nm gold nanoparticles stabilized by amine-terminated ionic liquid and their electrocatalytic activity in oxygen reduction

Stable gold nanoparticles with average size 1.7 nm synthesized by an amine-terminated ionic liquid showed enhanced electrocatalytic activity and high stability.

Green synthesis of nanowire-like Pt nanostructures and their catalytic properties

We reported a simple and effective green chemistry route for facile synthesis of nanowire-like Pt nanostructures atone step. In the reaction, dextran acted as a reductive agent as well as a protective agent for the synthesis of Pt nanostructures. Simple mixing of precursor aqueous solutions of dextran and K2PtCl4 at 80 degrees C could result in spontaneous formation of the Pt nanostructures. Optimization of the experiment condition could yield nanowire-like Pt nanostructures at 23:1 molar ratio of the dextran repeat unit to K2PtCl4.

Ionic liquids are not always green: hydrolysis of 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate

1-Butyl-3-methylimidazolium fluoride hydrate has been identified crystallographically as a decomposition product created during purification of the hydrophobic ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate. This highlights the need to treat ionic liquids much as one would any other research chemical with potentially hazardous properties, unknown toxicity and/or stability, particularly when searching for 'green solvents'.

Green photochemistry: photo-Friedel-Crafts acylations of 1,4-naphthoquinone in room temperature ionic liquids

The photo-Friedel-Crafts acylation of 1,4-naphthoquinone with various aldehydes was investigated in a series of room temperature ionic liquids. High conversions and selectivities were achieved in [C(2)mim](+)-based ionic liquids with the highest isolated yields found in [C(2)mim][NTf2]. The developed procedure allowed for a replacement of hazardous solvents such as benzene and acetonitrile which are commonly used for this transformation.

Ionic liquid gel materials: applications in green and sustainable chemistry

Ionic liquid gel materials offer a way to further utilise ionic liquids in technological applications. Combining the controlled and directed assembly of gels, with the diverse applications of ionic liquids, enables the design of a heady combination of functional tailored materials, leading to the development of task specific / functional ionic liquid gels. This review introduces gels and gel classification, focusing on ionic liquid gels and their potential roles in a more sustainable future. Ionic liquid gels provide the ability to build functionality at every level, the solid component, the ionic liquid, and any incorporated active functional agents. This allows materials to be custom designed for a vast assortment of applications. This diverse class of materials has the potential to yield functional materials for green and sustainable chemistry, energy, electronics, medicine, food, cosmetics, and more. The discussion of the development of ionic liquid gel materials for applications in green and sustainable chemistry centres on uses of ionic liquid gels in catalysis and energy.

Simple green approach to reinforce natural rubber with bacterial cellulose nanofibers

Natural rubber (NR) is a renewable polymer with a wide range of applications, which is constantly tailored, further increasing its utilizations. The tensile strength is one of its most important properties susceptible of being enhanced by the simple incorporation of nanofibers. The preparation and characterization of natural-rubber based nanocomposites reinforced with bacterial cellulose (BC) and bacterial cellulose coated with polystyrene (BCPS), yielded high performance materials. The nanocomposites were prepared by a simple and green process, and characterized by tensile tests, dynamical mechanical analysis (DMA), scanning electron microscopy (SEM), and swelling experiments. The effect of the nanofiber content on morphology, static, and dynamic mechanical properties was also investigated. The results showed an increase in the mechanical properties, such as Young's modulus and tensile strength, even with modest nanofiber loadings. © 2013 American Chemical Society.

Green synthesis of gold nanoparticles with self-sustained natural rubber membranes

Green chemistry is an innovative way to approach the synthesis of metallic nanostructures employing eco-friendly substances (natural compounds) acting as reducing agents. Usually, slow kinetics are expected due to, use of microbiological materials. In this report we study composites of natural rubber (NR) membranes fabricated using latex from Hevea brasiliensis trees (RRIM 600) that works as reducing agent for the synthesis of gold nanoparticles. A straight and clean method is presented, to produce gold nanoparticles (AuNP) in a flexible substrate or in solution, without the use of chemical reducing reagents, and at the same time providing good size's homogeneity, reproducibility, and stability of the composites. Copyright © 2013 Flávio C. Cabrera et al.