Chimica, Biotecnologia ed

Ingegneria per la Sostenibilità

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/

Seminario

29/11/2018

Attilio Citterio

Sviluppo Sostenibile

La sostenibilità è una parte cruciale della presente e futura tecnologia:

‘… soddisfare le necessità del presente senza compromettere le possibilità delle future generazioni di soddisfare le loro necessità

’

Commissione Brundtland, UN Earth Summit 1992

Rio de Janeiro, Brazil

Alcune declinazioni:

Non si deve sistematicamente alterare le distribuzioni naturali dei

componenti della crosta terrestre (es. metalli pesanti)

Non si deve sistematicamente incrementare le sostanze persistenti

prodotte dalla società (DDT, CO2, CFC, ecc.)

Non si deve sistematicamente deteriorare le basi fisiche e chimiche dei

cicli naturali produttivi della terra

Bisogna realizzare un uso oculato ed efficiente delle risorse (rispettando il

soddisfacimento delle necessità umane).

The Natural Step (Sweden)

Attilio Citterio

Regimi Socio-Ecologici

nella Storia Umana

uso annuale pro capite

Energia Materiali

Metabolismo umano di base(immissione di biomasse via nutrizione)

3.5 GJ 1 t

Cacciatori-raccoglitori(uso incontrollato dell'energia solare)

10-20 GJ 2-3 t

Società Agricola(uso controllato dell'energia solare)

60-80 GJ 4-5 t

Società Industriale/Tecnologica (uso di energia fossile)

250 GJ 20-22 t

Attilio Citterio

L'uomo sulla Terra ha prodotto un Posto

Insostenibile ! o ?

POPOLAZIONE USO DELL’ACQUA CONCENTRAZIONE CO2NUMERO DI AUTO

CONSUMO FERTILIZZANTI PERDITA DI FORESTE CONSUMO CARTA PESCA INTENSIVA

Attilio Citterio

E’ Essenziale che Chimici, Ingegneri,

Pubblici Amministratori e Noi Tutti

Dobbiamo Prestare Maggiore Attenzione

alle Conseguenze Ambientali e di

Sostenibilità dei Prodotti Chimici, dei

Processi Industriali e Attività Correlate

con cui questi Prodotti sono Realizzati

Nuova Sensibilità

Non si deve dimenticare la nostra

impronta chimico-ecologica

Attilio Citterio

Impronta Globale del Carbonio

State of the World 2017:

Is Sustainability Still Possible?

ISBN: 978-1-61091-449-9

Attilio Citterio

Sviluppo Sostenibile = Bilancio tra 3

Requisiti Primari:

I tre fondamenti della Sostenibilità:

I bisogni della società

(l’obiettivo sociale)

L’impiego efficiente delle scarse

risorse (l’obiettivo economico)

La necessità di ridurre la

pressione sull’eco-sistema al

fine di mantenere le basi

naturali per la vita (l’obiettivo

ambientale).

Profitto

ECONOMICO

Bisogni

SOCIALI

EquitàEco –

efficienza

Vivibilità Rispetto

AMBIENTALE

Sostenibilità

Nella comunità economica la sostenibilità è etichettata “the triple bottom line”

Attilio Citterio

Ecologia industriale =

scienza della sostenibilità

con enfasi sull’attento uso e

riuso delle risorse

Chimica verde e Biotecnologia =

scienze delle trasformazioni

chimiche a basso impatto

ambientale attente all’uso efficiente

delle risorse e dell’energia

Ingegneria Verde (per la Sostenibilità) e Sicurezza Intrinseca =

scienza e tecnologia rivolta alla riduzione/ eliminazione dei pericoli

associati ai materiali usati e alle operazioni, con inserimento

permanente ed inseparabile nella tecnologia di processo

Ecologia

industriale

Sviluppo

sostenibile

(DfE)Progettazione

per l’ambiente

Chimica/

Biotecnologia

Ingegneria

sostenibile

Ecologia Industriale - Chimica per la Sostenibilità

– Biotecnologie – Ingegneria Sostenibile

Attilio Citterio

I 12 Principi della «Chimica Verde» (Anastas et Warner, 1998)

1) Prevenzione

2) Economia atomica

3) Sintesi chimiche meno nocive

4) Progettazione di prodotti chimici più sicuri

5) Riduzione dei solventi e ausiliari

6) Miglioramento dell'efficienza energetica

7) Uso di materie prime rinnovabili

8) Riduzione della numero delle derivatizzazioni

9) Uso di catalizzatori anziché di reattivi stechiometrici

10) Progettazione per la degradazione

11) Analisi in tempo reale per ridurre l'inquinamento

12) Minimizzare i rischi di incidenti

Sicura

Semplice

1 stadio

Efficiente

Rinnov..

Ambiente.

Resa 100%

Sintesi

ideale

Attilio Citterio

Vie allo Sviluppo Sostenibile

Approcci pratici Supporti Operativi

Obiettivo

strategico

Sviluppo

sostenibile

Chimica Verde

Biotecnologia

Ingegneria

Verde

Ecologia

Industriale

Energia

rinnovabile

Catalisi

Microreattoristica

Scelta delle fonti

Gestione reflui

Intensificazione di

processo,

Mezzi per il

monitoraggio

Valutazione

Ciclo di vita

Metrica Verde

PAT e QbD

Attilio Citterio

Chimica Verde, Biotecnologie e

Ingegneria Verde per la Sostenibilità

Ambiti di studio ed applicazione:

a) Riduzione dell'inquinamento – Ecologia Industriale -

Economia circolare

b) Efficienza energetica e uso di fonti rinnovabili

c) Derivati del carbonio da biomasse anziché da fonti fossili

d) Ottimizzazione dei processi di produzione connessi alla

chimica

e) Salute e Sicurezza

Attilio Citterio

”Dalla nascita alla morte”

Impatti su:

• Salute umana

• Ecosistemi

• Risorse

Riduzione Inquinamento ed Impatti:

Valutazione dell’Impatto del Ciclo di Vita

Caso dell'elemento Indio (In, costo 250 $/kg).

Attilio Citterio

Prevenzione e Riduzione

Riciclo e Riuso

Trattamento

Smaltimento

Sostenibilità del Prodotto e del Processo:

Gerarchia nella Prevenzione dell’Inquinamento

Au

men

to S

oste

nib

ilit

à

Gli atomi presenti

negli scarti sono gli

stessi che nelle

materie prime usati

per produrli!!

Attilio Citterio

Ecosistemi Naturali e Industriali e DFE:

Metabolismo Industriale

Analogia tra sistemi industriali e sistemi naturali:

entrambi hanno cicli di energia e nutrienti/materiali.

strategie della natura per far fronte alla sostenibilità:

• riciclaggio/decomposizione

• ripristino

• conservazione e controllo della popolazione

• permanenza in loco delle tossine

• funzione multiple di un organismo

Attilio Citterio

Rifiuti ed Economia Circolare15

Rifiuti per destinazione (%)

Ripristino ambientale

21,0%

Discarica

31,6%

Incenerimento

4,8%

Altro 8,9%

Recupero

23,4%Trattamento

chimico-fisico –biologico

10,3%

Codici per l'Identificazione delle Plastiche

Attilio Citterio

Fonti Energetiche

La maggior parte dell’energia usata dall’uomo è ricavata da varie fonti,

alcune primarie, altre derivate da queste

Fonti Primarie:• Energia solare

• Energia lunare

• Energia geo

– Geotermica

– Nucleare

Fonti Derivate:

• Primo ordine

• Combustibili Fossili

• Biomasse

• Cadute d’Acqua

• Maree

• Vento

• Onde

• Secondo ordine

• Elettricità

• Animale

• Umana

Valori medi della

distribuzione dei

consumi di

energia (in TW)

Totale: 13.0 ,

U.S.A.: 3.3 ,

Italia : 0.25

(TW = Terawatt)

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

Petro

lio

Ga

s

Carb

on

e

Idro

Bio

ma

ss

e

Rin

no

va

bili

Nu

cle

are

4,52

2,70 2,96

0,286

1,21

0,280,828

TW

Attilio Citterio

Combustione

{CH2O} + O2 → CO2 + H2O

Fotosintesi

CO2 + H2O → {CH2O} + O2

CO2

Piante

Animali

Carbonio

Fossile

Piante morte

------------------

Animali mortih

Ciclo del

Carbonio{CH2O}

Ciclo del Carbonio

H2O

Dal processo di fotosintesi vengono fissate complessivamente

circa 21011 ton di carbonio all’anno, con un contenuto

energetico equivalente a 70 miliardi di tonnellate di petrolio,

circa 10 volte l’attuale fabbisogno energetico mondiale

Attilio Citterio

Uso della Biomassa come alternativa alle

Fonti fossili 18

Produttività media delle risorse

agricole e forestali: 10 tonnellate

materia secca/ettaro/anno

Biomassa/

bio-organismi

Risorse Fossili

(petrolio, gas)

CO2

Polimeri,

Composti

chimici e

Combustibili

> 106 anni

1-10 anni

Attilio Citterio

Uso dei Bio-Rifiuti (anche Umido Domestico)

per Produrre CH4 + CO2 (biogas rinnovabile)19

http://www.montello-spa.it/video/

CH4 + CO2

Anziché

"CHO" + O2

Attilio Citterio

"Filiera Bio" e Chimica per la Sostenibilità -

L’albero della Chimica da Fonti Rinnovabili20

MATERIE

PRIME:

biomasseagricoltura scarti

alimentari rifiuti organici

alghe silvicoltura

BIORAFFINERIA

chimica di base plastiche

e fibre

catalizzatori e additivi

oleochimica e lubrificanti

Solventi

amidi e derivati

chimica fine e specialità

agrofarmaci

tensioattivi e detergenti

cosmetici e farmaci

Prodotti

Energia

Attilio Citterio

Bioraffineria di Crescentino (Bio-Etanolo)

Attilio Citterio

Costituenti Alimentari della Biomassa

Amido: 70-75% (frumento)

Rapidamente disponibile e

idrolizzabile

Base per le comuni “bioraffinerie”

Oli: 4-7% (frumento), 18-20% (soia)

Rapidamente separabile dalla

pianta

Base per l’oleochimica e il

biodiesel

Proteine: 20-25% (frumento), 80%

(soia)

Componente chiave dei cibi

Applicazioni in prodotti chimici

NH

NH

NH

NH

NH

NH

NH

NH

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NH

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( ) 7

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( ) 7O

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OOH

OOH

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OOH

OOH

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OH

OH

Attilio Citterio

Costituenti Non Alimentari della Biomassa

Lignina: 15-25%

Complessa struttura aromatica

Alto contenuto energetico

Resistente alla conversione

biochimica

Emicellulosa: 23-32%

Lo xilosio è il secondo zucchero più

abbondante nella biosfera

Polimero di zuccheri a 5- e 6-

carboni, marginale alimento

biochimico

Cellulosa: 38-50%

La forma più abbondante di

carbonio nella biosfera

Polimero del glucosio, valida

materia prima biochimica

O

O

O

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CH3

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CH3O

CH3O

CH3O

CH3O

CH3O

CH3 O

CH3O

CH3O

CH3O

CH3O

CH3O

CH3O

CH3O

CH3O

CH3 O

Attilio Citterio

Bio-Raffineria – Nuova Fonte di Prodotti Chimici ed Energia

Semi

Oli

Chimica fine

Fibre

Plastiche

CompostiChimici

Solventi

Combustibili

Piante

Attilio Citterio

Complementarietà delle Diverse Visioni

della Biotecnologia

BIOTECNOLOGIE

Biotecnologie Rosse

Applicazioni Mediche

Proteine terapeutiche, diagnostica, terapia genica …

Biotecnologie Verdi

I vegetali

Agricoltura, alimentazione, OGM…

Biotecnologie Blu

La via marina

Organismi marini, alghe…

Biotecnologie Gialle

Ambiente

Bioremediation, trattamenti acque…

Biotecnologie Bianche

Biotecnologie Industriali

Fermentazione, catalisi

Attilio Citterio

Progettazione di Reazioni e Processi:

Abilitare l'Innovazione in (Bio)Chimica e Tecnologia

Tecnologia

In silico-

Sistemi esperti

Processo

Nanotecnologia

Bio-processo

Proget.

Prodotto

Catalisi

Demand Planning

Campaign Planning

Sistemi di gestione

dei processi

Sintesi

Flessibilità

Efficienza economica

Meno scarti

-100

0 Cooling water/Air

100 D3-Gen.

200 Hot Utility D3 D6

300

400 SourceD31-Gen.

500

Enthalpy

Sink

Cold UtiliDty6-Gen.

D31

R(-20)

STem

pera

ture

[°C

]

Sintesi di

Processo

Attilio Citterio

Intensificazione di Processo:

Aspirazioni dell’Industria Chimica

Dove siamo ... ... e dove vorremmo essere

Attilio Citterio

Intensificazione di Processo:

Esempi di Apparecchiature Intensificate

Attilio Citterio

Intensificazione di Processo:

Reattore Microstrutturato per Epossidazione

Reazione

(microstrutturato)

Mescolamento

(microstrutturato)

evaporazione H2O2

(microstrutturato)

Modello di Sintesi :

Peculiarità:

• Modulare (operazioni

unitarie, capacità)

• Multi-funzione (catalisi e

reazione)

• Reazione sotto pressione

• Reazioni in regimi

esplosivi

CH CH2

O

CH3

CH CH2CH3

+H2O

2( vap) / -H

2O

TS -1> 95%

http://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/fileadmin/documents/brochures/uhde_brochures_pdf_en_10000032.pdf

H2O2 al 100% !!!

Attilio Citterio

Bioreattori Industriali

Farmaci

Prodotti chimici

(acido lattico)

Enzymi

Attilio Citterio

31

Evoluzione Tecnologica

L’evoluzione tecnologica procede generalmente ciclicamente in 2 modi:

1) Incrementale, sottolineata da piccoli miglioramenti e variazioni nei

prodotti esistenti o nei sistemi che migliorano la qualità della vita

senza variare i sistemi economici, culturali e naturali

2) Trasformativa, nuove “tecnologie trasformative” cambiano

profondamente lo scenario tecnologico.

Velo

cità

in

novazio

ne

60 anni 55 anni 50 anni 40 anni 30 anni

1785 1845 1900 1950 1990 2020

Idraulica

Tessuti

Ferro

Vapore

Ferrovie

Acciaio

Elettricità

Chimica

Motore I.C.

Petrolchimici

Elettronica

Aviazione

Net. Digitale

Software

Nuovi mezzi

Biotecnologia

Infosfera

Terra Ingegnerizzata

Attilio Citterio

Grazie dell'Attenzione

https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/

Attilio Citterio

Attilio Citterio

AMFAARPAA

AJAASBCAA

ESAA-AECAFFRAA

FEAPRAIRA

NWPAACODRA/NMSPAA

FCRPAMMPAA

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

EPACTFFCACERFACRAA

PPAPPVAIEREAANTPAGLCPAABACZARAWRDAEDPOPARECACAAAGCRAGLFWRAHMTUSANEEA

SDWAASARA

BLRAERDDAAEAWANOPPAPTSAUMTRCAESAAQGANCPA

TSCAFLPMARCRANFMACZMAA

NEPAEQIACAAEPAEEAOSHAFAWRAANPAA

FRRRPASOWADPA

WSRAEARCFHSA

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NAWCA

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NHPA

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CZMANCA

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CERCLACZMIA

COWLDAFWLCA

MPRSAA

CAAACWA

SMCRASWRCASDWAA

Nu

me

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gg

i

Emissioni/scarti:

Crescita Cumulativa delle Norme Ambientali

Attilio Citterio

Ampiezza dello Spazio Chimico: Nunero di

Composti Chimici (Stime EPA, 2015)

Numero di Composti Chimici:

Composti Chimici in Commercio:

Composti Chimici Industriali:

Nuovi Composti Chimici:

Pesticidi:

Additivi Alimentari:

Ingredienti Cosmetici:

Farmaci per l’uomo:

28,000,000

10,000,000

240,000

3-4,000

800

9,500

8,500

3,500

(in milioni di prodotti)

/anno

(in 21,000 prodotti)

(in 50,000 prodotti)

• Limitando la sintesi strettamente alla combinazione di 30 atomi di solo C, N,

O, o S, sono possibili più di 1060 strutture!

• Espandendo gli elementi disponibili ad altri eteroatomi (quali, P e alogeni), i

limiti al numero di possibili strutture supera l’immaginazione.

• Il tutto chiarisce quanto sia ampio lo “spazio chimico”

Attilio Citterio

Rischio = f(Pericolo, Esposizione)

Leggi e Rischio Chimico

Le leggi attuali, con poche eccezioni, riguardano l’inquinamento dopo

che è stato prodotto. In generale si focalizzano su trattamenti o

abbattimenti dell’inquinamento e sono note come leggi di “imposizione e

controllo”. In molti casi esse pongono limiti sull’inquinamento e

tempistiche di adeguamento, con poca attenzione alla possibilità che

scienza/tecnologia possano raggiungere tali obiettivi e con scarso

riguardo all’economicità.

Il Rischio associato ai composti chimici tossici è una funzione del

Pericolo e dell’Esposizione. Le leggi “end of the pipe” tentano di

controllare il Rischio operando sulla prevenzione dell’Esposizione ai

composti chimici dannosi e tossici. Purtroppo piuttosto spesso la

prevenzione dell’Esposizione ha fallito.

Attilio Citterio

• La chimica verde, anziché limitare il Rischio controllando

l'Esposizione ai composti chimici pericolosi, tenta di ridurre e

preferenzialmente eliminare il Pericolo evitando la necessità di

controllare l’Esposizione. Essa si fonda sul principio che se non si

usano o producono sostanze pericolose allora il Rischio è zero e

non ci si deve preoccupare di trattare le sostanze dannose o

limitare la nostra esposizione ad esse.

• La chimica verde ha guadagnato un forte posizione nell’area della

ricerca e sviluppo sia nell’industria che nelle università. Molte

conferenze e riunioni si tengono ogni anno su questo tema.

Rischio = f(Pericolo, Esposizione)

Riduzione del Pericolo/Chimica per la Sostenibilità

Controllando il pericolo, non è necessario preoccuparsi dell’esposizione!

Attilio Citterio

Green Chemistry:

• P. T. ANASTAS, WILLIAMSON Green Chemistry: Frontiers in benign

chemical syntheses & processes UOP, ISBN No. 0198501706 (1990).

• P. T. ANASTAS, J.C. WARNER, Green Chemistry: Theory and Practice,

UOP, ISBN No. 0198506988 (1990).

• P.T. ANASTAS, HEINE, WILLIAMSON, Green Chemical Syntheses &

Processes, UOP ISBN 084123678x (2001).

• CANN, CONNELLY Real World Cases in Green Chemistry, ACS, ISBN

0841237336 (2000).

• Di DUNCAN, J. MACQUARRIE, J.H. CLARK, Handbook of Green Chemistry

and. Technology, Blackwell, Oxford. ISBN 0632057157 (2002).

• M. Lancaster, Green Chemistry An Introductory Text; Royal Society of

Chemistry: Cambridge, UK, 2002.

• Di V. K. Ahluwalia, M. Kidwai New Trends in Green Chemistry, Springer.

ISBN 140201872X (2004).

• A. Matlack, Introduction to Green Chemistry CRC Press (2001) ISBN

0824704118

• K.M. Doxsee, J.E. Hutchinson, Green Organic Chemistry: Strategies, Tools,

and Laboratory Experiments; Brooks/Cole, Thomson Learning Inc., 2004.

Testi sulla Chimica Verde e Sotenibie

Attilio Citterio

Testi sulla Chimica Verde e Sostenibile

• R. Sanghi, M. M. Srivastava Green Chemistry: Environment Friendly Alternatives, Alpha Science International, Ltd (2003).

• Doxsee & Hutchison, Thomson Green Organic Chemistry: Strategies, Tools, and Laboratory Experiments, 2004.

• Girard, J.E. Principles of Environmental Chemistry; Jones and Bartlett: Sudbury, MA, 2005.

• A. Perosa, F. Zecchini, P. Tundo Methods and Reagents for Green Chemistry: An Introduction, Wiley-Interscience (2007) ISBN 0471754005

• Handbook of Green Chemistry - Green Processes, III; Wiley-VCH, Weinheim(2012) ISBN 978-3-527-31576-5 .

Green Metrics: • Marco Eissen, Jürgen O. Metzger, Eberhard Schmidt and Uwe Schneidewind,

10 Years after Rio: Concepts on the Contributions of Chemistry to a Sustainable Development, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 414-436.

• Andraos, J. Org. Proc. Res. Develop. 2005, 9, 149; 404

Sustainability Ethics: • Hans Jonas, The Imperative of Responsibility: In Search of an Ethics for the

Technological Age, Univ. Chicago Press, Chicago, 1984.

Attilio Citterio

Testi sulla Ingegneria Verde

• Anastas, P. T.; Zimmerman, J. B., “Design through the Twelve Principles of Green Engineering.” Environmental Science and Technology, 37 (5): 94A-101A, 2003.

• McDonough, W.; Braungart, M.; Anastas, P.T.; Zimmerman, J.B. “Applying

the Principles of Green Engineering to Cradle-to-Cradle Design.”

Environmental Science and Technology, 37 (23): 434A-441A, 2003.

• M. Doble, A.Kumar Green Chemistry and Engineering Academic Press (2007)

ISBN 0123725321.

• Roger Arthur Sheldon, Isabel Arends, and Ulf Hanefeld Green Chemistry and

Catalysis Wiley-VCH (2007) ISBN 352730715X.

• P.T. Anastas, C.A.M. Afonso, J.P.G. Crespo Green Separation Processes:

Fundamentals and Applications Wiley-VCH, (2005) ISBN 3527309853.

• P.T. Anastas, L.G. Heine, T.C. Williamson Green Engineering (Acs

Symposium Series, 766) Oxford Univ. Press (2001), ISBN 0841236771.

• Lankey, R.L., Anastas, P.T. (Eds). Advancing Sustainability through Green

Chemistry and Engineering. Washington 2002, Oxford University Press.264 p

• http://www.greenbiz.com/enewsletter

Attilio Citterio

Letture sulla Minimizzazione dei Rifiuti

R Carlson, Silent Spring, Houghton Mifflin, 1962, New York

Freeman, H. M., Industrial Pollution Prevention Handbook, McGraw Hill, 1995.

D. Luper Chem. Eng. Prog. 1996, 92, 58.

J Aguado & D Serrano, Feedstock Recycling of Plastic Wastes, 1999, Royal

Society of Chemistry, Cambridge.

C Christ, Production-Integrated Environmental protection and Waste Management

in the Chemical Industry, Wiley-VCH, 1999, Weinheim

Storia dello sviluppo dei detergenti e relativi problemi ambientali

www.chemistry.co.nz/detergenthistory.htm

Bishop, P.E., Pollution Prevention: Fundamentals and Practice, McGraw Hill,

2000.

Air Pollution Prevention and Control: Bioreactors and Bioenergy (C. Kennes, M.

C. Veiga (Eds) Wiley, 2013.

Waste Management and Valorization: Alternative Technologies, (E. C. Rada Ed.)

Apple Academic Press, 2016.

J.P. Chen, L.K. Wang, M.S. Wang, Y. Hung, N.K. Shammas: Remediation of

Heavy Metals in the Environment,, CRC Press, 2016.

Attilio Citterio

Informazioni sulla Chimica Verde e

Sostenibile

http://www.chemistry.org/portal/a/c/s/1/acsdisplay.html? DOC=greenchemistryinstitute\index.html

http://www.chemsoc.org/networks/gcn/

http://www.rsc.org/science/esef.html

http://www.gscn.net/indexE.html

http://www.epa.gov/greenchemistry/index.html

http://web.chem.monash.edu.au/GreenChem/

http://eco-web.com/

Presidential Green Chemistry Challenge Awards -Winners and nominations: http://www.epa.gov/greenchemistry/

Real-world Cases in GC (M.C. Chann, M.E. Connelly)

http://academic.scranton.edu/faculty/CANNM1/greenchemistry.html