Gruppo di lavoro
“Prodotti e Processi chimici”
Valutazione dell’approccio LCA per la sintesi di prodotti chimici
Grazia Barberio, Patrizia Buttol - ENEA Bologna
Fabiana Sorrentino, Immacolata Tommasi - Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Bari
Problematiche metodologiche inerenti l’applicazione di LCA a processi di sintesi chimica
Tra gli strumenti di valutazione quantitativa dell’impatto ambientale, il Life Cycle Assessment (LCA) è quello che permette di individuare le criticità ambientali
nell’intero ciclo di vita di un prodotto/processo. La sua applicazione in campo chimico presenta problematiche metodologiche peculiari, fra le quali:
 Difficoltà di reperimento di dati di inventario sia allo stadio di progettazione di sintesi chimiche (scala di
laboratorio) sia allo stadio industriale. La letteratura propone alcune metodologie di formulazione dell’inventario
per la sintesi di prodotti chimici di base e della chimica fine (per dettagli Atti di Ecomondo 2008). Alcune di
queste sono state adottate per lo studio di LCA di screening (box inferiore).
 Modelli per lo scaling-up di processo. L’incremento di dimensione fisica dell’impianto di produzione si
accompagna da un lato a un uso di energia e quantità di materiali in input/output maggiori, dall’altro ad effetti
sinergici di processo e all’ottimizzazione della capacità produttiva del sistema. Non si può quindi prevedere una
estrapolazione lineare dei dati di inventario e dei potenziali impatti ambientali nel processo di scaling-up. Modelli
e linee guida sono ancora allo studio, nel tentativo di arrivare a una procedura sistematica.
.
Mini
impianto
Scala di
laboratorio
Impianto
pilota
Impianto
Industriale
Ok
mi
ei
oi
Mk
Prodotto
Scala di
laboratorio
Ek
Prodotto
Impianto
industriale
ri
Rk
e ,E = Energia [J/UF]; M, M = Materiali [kg/UF];
r ,R = Rifiuti [kg/UF]; o,O = emissioni [kg/UF]
i ; k = 1, 2, …n;
UF = Unità Funzionale
Fig. 1 Schema di scaling-up di processo
Il caso studio di LCA di screening : sintesi di acetilacetato di sodio
Il processo prevede il recupero di CO2 attraverso la reazione con 1-butil, 3-metil imidazolio cloruro per dare 1-butil, 3-metil imidazolio-2-carbossilato (BMIM-2CO2). La Fig. 2 mostra il successivo step di reazione per ottenere l’acetilacetato. Questo tipo di sintesi di prodotti chimici attraverso recupero di CO2 si inserisce
tra le misure di mitigazione dei gas serra suggerite dalla IEA (International Energy Agency).
Obiettivo: valutare la performance ambientale di un processo di produzione di acetilacetato di sodio
e comparare sulla base della stessa unità funzionale (1 g di prodotto) due vie di sintesi:
 la via sintetica sperimentale, via BMIM-2-CO2 (scenario 1)
 un processo su scala di laboratorio, via fenati, descritto in letteratura (Processo Bottaccio-Chiusoli)
(scenario 2).
BMIM-2-CO2
Acetone
BMIM-Cl
NaCl
Energia per sintesi acetilacetato
Risultati
Fig. 2 Sintesi di acetilacetati via BMIM-2-CO2
100
Categorie di impatto analizzate: Consumo di risorse (ADP); Riscaldamento globale (GWP100);
80
Riduzione dello strato di ozono (ODP); Tossicità umana (HTP); Ecotossicità di acqua dolce (FAETP);
Ecotossicità acquatica marina (MAETP); Ecotossicità Terrestre (TETP); Ossidazione fotochimica (POCP);
Acidificazione (AP); Eutrofizzazione (EP).
60
40
20
0
EP
A
P
P
PO
C
TP
TE
P
M
A
ET
P
FA
ET
H
TT
P
P
O
D
P
G
W
A
D
-20
Fig. 3 Impatti dello scenario 1: contributo percentuale della
produzione dei reagenti e del consumo di energia per la sintesi
dell’acetilacetato
2,0E-12
1,6E-12
scenario1
scenario2
1,2E-12
Scenario 1 (Fig. 3): La produzione del BMIM-2-CO2 è lo step di reazione che dà maggior
contributo all’impatto ambientale totale (~70% in tutte le categorie), prevalentemente a causa
del consumo energetico. I valori negativi sono dovuti all’impatto evitato della produzione di 1butil, 3-metil imidazolio cloruro che, rigenerato al termine della reazione, viene riciclato nello
step precedente, riducendo di circa il 75% la produzione ex novo.
Confronto delle due vie sintetiche (Fig. 4): il processo via BMIM-2-CO2 risulta vantaggioso
per tutte le categorie di impatto considerate. Questo è dovuto alle minori quantità di energia
ed acqua utilizzate, CO2 disperso in atmosfera, rifiuti chimici. La categoria di impatto con
valori più elevati è MAETP. L’impatto è determinato dalla produzione di energia elettrica e, in
particolare, dal rilascio di acido fluoridrico a seguito della combustione di carbone (prevista
nel mix elettrico italiano utilizzato).
Conclusioni
8,0E-13
4,0E-13
P
O
D
P
PO
C
EP
P
TT
H
ET
P
FA
A
P
A
D
P
G
W
P
10
0
TE
TP
M
A
ET
P
0,0E+00
Fig. 4 Confronto degli scenari: risultati di normalizzazione
Per info e contatti:
Lo studio di LCA, seppure nei limiti delle assunzioni e semplificazioni effettuate, ha permesso
di identificare i punti critici del processo e di confrontarlo con uno analogo presente in
letteratura. Inoltre è stato possibile testare alcuni approcci alla formulazione di inventari nei
processi di sintesi chimica. La possibilità di effettuare lo scaling-up è ancora oggetto di
ricerca a livello internazionale e passa attraverso il coinvolgimento di esperti di settore per
ottenere una qualità migliore delle stime.
www.reteitalianalca.it; [email protected]
Grazia Barberio [email protected]