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Green Chemistry

Green Chemistry. Chimica Verde e Sostenibile. Alle persone cui manca una preparazione tecnica, il problema ambientale risulta troppo complesso o incomprensibile. Ciononostante, alcuni membri della comunità privi di una preparazione specifica verranno chiamati a prendere

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Presentation Transcript

  1. Green Chemistry Chimica Verde e Sostenibile

  2. Alle persone cui manca una preparazione tecnica, il problema ambientale risulta troppo complesso o incomprensibile. Ciononostante, alcuni membri della comunità privi di una preparazione specifica verranno chiamati a prendere delle decisioni in materia.

  3. Alcune delle tendenze attuali

  4. Alcune delle tendenze attuali

  5. Alcune delle tendenze attuali Prezzo del petrolio in $/bbl

  6. Alcune delle tendenze attuali

  7. Alcune delle tendenze attuali A partire dal 1900 l’economia mondiale si è moltiplicata per 20, mentre la popolazione mondiale è cresciuta di 4 volte L’aumento di offerta di merci e servizi intervenuta nel corso del solo 2007 è stata superiore alla produzione economica complessiva dell’anno 1900 Mentre l’economia cresce ad un ritmo esponenziale e la popolazione cresce in maniera iperbolica, le capacità naturali della Terra, come la sua possibilità di fornirci acqua dolce, prodotti provenienti dalle foreste e cibo dal mare, non possono essere incrementati

  8. Alcune delle tendenze attuali Sull’agricoltura stanno pesando molti fattori convergenti: la crescita della domanda alimentare, il calo delle falde idriche, la conversione di terreni ad uso non agricolo e un maggior numero di eventi climatici estremi. In sette degli ultimi otto anni, la produzione globale di cereali è risultata inferiore alla domanda Tra la fine del 2005 e la fine del 2007 il prezzo del mais è quasi raddoppiato e quello del frumento è quasi triplicato

  9. Alcune delle tendenze attuali Molti paesi si sono sviluppati economicamente in maniera sufficiente da poter ridurre drasticamente la mortalità, ma non abbastanza per contenerne la fertilità. Questi paesi si trovano pertanto prigionieri di una trappola demografica Somalia Zimbabwe Sudan Chad Rep.Dem. Congo Iraq Afghanistan Rep.Centrafricana Guinea Pakistan La produzione mondiale di petrolio è di 85.000.000 di barili al giorno. Da vent’anni la produzione annuale di petrolio supera la scoperta di nuovi giacimenti Per le tensioni che ne conseguono i governi più deboli stanno cominciando a cedere, rientrando nel gruppo di quelli che vengono comunemente definiti come paesi in via di regresso

  10. Perché il nostro modello economico non può funzionare Secondo le proiezioni, attorno al 2030 il reddito medio della popolazione cinese avrà raggiunto quello degli americani Se nel 2030, gli 1,46 miliardi di abitanti cinesi avranno una macchina ogni 4 persone come in America, le 1,1 miliardi di automobili consumeranno 98.000.000 di barili di petrolio al giorno. Oggi la produzione mondiale è di 85.000.000 di barili E sempre nel 2030 la Cina consumerà il doppio della quantità di carta prodotta attualmente nel mondo

  11. Perché il nostro modello economico non può funzionare Il nostro modello economico, che considera le risorse naturali inesauribili e liberamente disponibili è, in una parola: INSOSTENIBILE La nostra sfida generazionale consiste nel costruire una nuova economia, prevalentemente alimentata da fonti energetiche rinnovabili, con un sistema di trasporti estremamente differenziato e che riusi e ricicli tutto, ovvero: SOSTENIBILE

  12. Sviluppo Sostenibile “… soddisfare le necessità del presente senza compromettere la possibilità delle future generazioni di soddisfare le loro necessità.“ Non si deve sistematicamente alterare le distribuzioni naturali dei componenti della crosta terrestre (es. metalli pesanti) Non si devono sistematicamente incrementare le sostanze persistenti prodotte dalla società (DDT, CO2, CFC, ecc.) Non si devono sistematicamente deteriorare le basi fisiche dei cicli naturali produttivi della terra Bisogna realizzare un uso oculato ed efficace delle risorse rispettando il soddisfacimento delle necessità umane

  13. Sostenibilità I bisogni della società Obiettivo Sociale Obiettivo Economico Obiettivo Ambientale L’impiego efficiente delle scarse risorse La necessità di ridurre la pressione sull’eco-sistema al fine di mantenere le basi naturali per la vita

  14. Ecologia Industriale Tipo I Tipo II Tipo III Risorse illimitate Componente ecosistema Componente ecosistema Componente ecosistema Componente ecosistema Componente ecosistema Componente ecosistema Componente ecosistema Scarti illimitati Energia e risorse limitate Energia e risorse limitate Scarti limitati

  15. Ecologia Industriale Rifabbricazione Produzione e assemblaggio Materiali ingegnerizzati e di specialità Utilizzo e assistenza Riuso Riciclo Lavorazione primaria Raccolta Recupero Acquisizione materie prime Trattamento e discarica Terra e biosfera

  16. La Green Chemistry: la chimica sostenibile La Chimica Sostenibile è l’utilizzo di un insieme di principi atti a ridurre o eliminare l’uso o la generazione di sostanze pericolose nella progettazione, manifattura ed applicazione dei prodotti chimici

  17. I 12 Principi della Green Chemistry P. Anastas, J. Warner 1998

  18. I 12 Principi della Green Chemistry

  19. Processo, Prodotto e Utilizzatore: i nuovi criteri Efficienza atomica Separazioni semplici Risorse rinnovabili Utilizzatore Ideale Prodotto Ideale Processo Ideale Conosce l’impatto dei prodotti Compatibile con l’ambiente 100% biodegradabile Riciclabile Riutilizzabile Minimo Packaging Usa al minimo Ha a cuore l’ecologia Minima energia Sicuro Sicuro Ricicla Riusa 100% resa One step Zero scarti

  20. Accettabilità di un processo chimico I principali parametri per valutare l’accettabilità ambientale di un processo chimico sono: Economia Atomica Fattore E Quoziente Ambientale EQ

  21. Economia Atomica (Trost 1991) E’ un valore teorico Ipotizza una resa del 100% Trascura ciò che non compare nella reazione Si calcola in pochi secondi Permette di confrontare rapidamente processi diversi

  22. Fattore E • Il fattore E tiene conto di: • resa della reazione • reagenti in eccesso • perdita di solventi • tutti gli ausiliari • sali generati nel work-up • non considera l’acqua Pesante impatto ambientale Elevato Fattore E Molti scarti * Massa di tutto ciò che viene generato nel processo eccetto il prodotto desiderato

  23. Fattore E Il Fattore E ideale? 0 ! 0 ! Sintesi multistep Reagenti stechiometrici invece della catalisi

  24. EQ: il quoziente ambientale Economia Atomica E’ solo un valore teorico Fattore E Tiene conto delle quantità ma non delle tossicità Q = fattore di “nocività” NaCl Q = 1 Sale di Cr Q = 100 - 1000 Q non dipende solo dalla tossicità, ma anche dai volumi prodotti e dalla facilità di smaltimento o riciclo

  25. Il ruolo della catalisi Sali inorganici Riduzione con metalli: Na, Mg, Zn, Fe Riduzione con idruri metallici: LiAlH4, NaBH4 H2 O2 Ossidazioni con: KMnO4, MnO2, Cr(VI) CO CO2 Acidi minerali: H2SO4, HF, H3PO4 H2O2 NH3 Acidi di Lewis: AlCl3, ZnCl2, BF3

  26. Il ruolo della catalisi Sintesi dell’idrochinone 10 kg (MnSO4, FeCl2, NaCl, Na2SO4) < 1 kg

  27. Il ruolo della catalisi

  28. Perché non ci si ha pensato prima? CHIMICA ORGANICA Berzelius (1807) CATALISI Berzelius (1835) Sabatier Wholer Perkin PETROLCHIMICA Cracking e Reforming IND. DEI COLORANTI Catalisi di Ziegler-Natta CHIMICA FINE CHIMICA DI BASE E DEI POLIMERI CATALISI NELLE SINTESI ORGANICHE

  29. Acidi e Basi solide come catalizzatori La maggior parte degli scarti dell’industria chimica di base deriva dall’uso di acidi minerali (H2SO4 , HF) e acidi di Lewis. Non possono essere riciclati e originano grandi quantità di sali inorganici. Reagire in maniera catalitica Essere di forza variabile Essere selettivi Separabili facilmente Riciclabili Sicuri da trasportare e maneggiare Zeoliti Acidi solidi

  30. Cos’è una zeolite? Sono dei solidi cristallini con dei piccoli pori (1-20Å di diametro) che corrono per tutto il solido Hanno elevate superfici interne: 100, 350, 600 m2/g Sono degli alluminosilicati formati da tetraedri di SiO4 e AlO4-

  31. Cos’è una zeolite? Sono acide perché possono scambiare lo ione H+, controione dei gruppi AlO4- . La loro forza può essere variata modificando il rapporto AlO4- / SiO4. Diminuendone il valore la forza aumenta. Alcune zeoliti catalizzano come l’acido solforico concentrato, possono pertanto essere usate in tutte quelle reazioni che necessitano una catalisi acida: sostituzioni elettrofile aromatiche, acilazioni e alchilazioni di Friedel-Crafts, riarrangiamenti ecc.

  32. Cos’è una zeolite? Controllo sui reagenti La regolarità dei pori di dimensione molecolare permette alle zeoliti di mostrare una selettività basata sul controllo sterico Controllo sui prodotti Controllo sullo stato di transizione

  33. Cos’è una zeolite? Sodalite

  34. Cos’è una zeolite? Zeolite A

  35. Cos’è una zeolite? Zeolite Beta

  36. Come si fanno le zeoliti SiO2 + Na2SiO3 Al2O3 + NaAlO2 Gel amorfo + R4N+ (Template) 200°C Clusters 500°C Zeolite + Template Zeolite

  37. Caratteristiche di una zeolite? Microambiente regolare e struttura interna uniforme Grande area interna Pori di dimensione molecolare Controllo della dimensione e della forma dei pori Controllo dell’idrofilicità / idrofobicità Controllo dell’acidità

  38. Utilizzi delle zeoliti Omogenea Eterogenea AlCl3 > 1 equivalente H-beta, catalitico e rigenerabile Solvente Nessun solvente Idrolisi dei prodotti Acqua non necessaria Separazione di fase - Distillazione della fase organica Distillazione della fase organica Riciclo del solvente - Resa: 85 - 95% Resa: > 95% , elevata purezza 4,5kg di effluenti per kg prodotto 0,035kg di effluenti per kg prodotto 12 operazioni unitarie 3 operazioni unitarie

  39. Utilizzi delle zeoliti 4,5 kg (NH4)2SO4 kg caprolattame Resa: > 98%

  40. Utilizzi delle zeoliti

  41. Basi solide NaOH KOH NaOMe

  42. Basi solide 1,5,7-triazabiciclo-[4,4,0]dec-5-ene (TBD)

  43. Riduzioni Catalitiche Idrogenazione Catalitica Paul Sabatier Premio Nobel 1912 Premio Nobel 2001 Victor Grignard “Per il suo metodo di idrogenazione dei composti organici in presenza di metalli finemente suddivisi, attraverso il quale la chimica organica ha fatto grandi progressi.” “Per il loro lavoro sulle reazioni di idrogenazione con catalizzatori chirali.” William Knowles RyojiNoyori Barry Sharpless

  44. Riduzioni Catalitiche Pulito H2 Abbondante 100% Economia Atomica* Idrogenazioni Catalitiche Grande applicabilità Elevata chemo-, regio-, diastereo-, entantioselettività *Eccetto per le riduzioni dei gruppi –NO2 dove vi è la formazione di acqua.

  45. Riduzioni Catalitiche Saquinavir

  46. Riduzioni Catalitiche

  47. Riduzioni Catalitiche

  48. Ossidazioni E’ il settore che più necessita di un “rinverdimento” Cr(VI) KMnO4 MnO2 In quantità stechiometriche IO4- O2 H2O2

  49. Ossidazioni Processo classico Processo BASF

  50. Ossidazioni L’H2O2 è l’ossidante ideale, ma per ragioni di sicurezza non è utilizzabile in concentrazioni superiori al 30%. Processo Enichem metà anni ‘80 TS-1 Titanio Silicalite

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