C.DellaVolpe,UniTn,Aspo‐Italia

Chimicaerisorse:qualefuturoperla

chimicainunmondodirisorselimitate?

Chimica:lascienzacentrale

•  Questadefinizionenascedadueconsiderazioni:

•  Lachimicaèunascienzachefadacardinefralescienzedure(matemaEcaefisica)elescienzebiologicheesocialieletecnologie

•  LachimicaèindispensabileatuIeletrasformazionidellerisorse

•  ParEalorderingofthesciencesproposedbyBalabanandKlein.

Lachimicaèlascienzachesioccupadeibilancidimateria(lastechiometria)edenergia(latermodinamicaochimicafisica)

energia materia

Sistema termodinamico aperto

TuNisistemirealisonosistemiaperEelontanidall’equilibrio

e acquista energia con gli alimenti

B) sotto forma di lavoro L

Normalmente un vivente perde energia

A) sotto forma di calore Q

conduzione

irraggiamento

evaporazione

convezione

energia materia

Il vivente scambia materia ed energia: è un sistema termodinamico aperto

SegliscambinonsonobilanciaEcisaràaccumulooperditadimassa…

InmodoanalogosicomportanotuNisistemiaperEaqualunquescala,dallacellula,allaproduzioneindustriale,allabiosferanellasuatotalità.QuindilaChimicaèlascienzacentraleperlostudiodiquesEsistemiedell’usodellamateriaedell’energiaenellagesEonedellerisorserinnovabilienonrinnovabili

..eaccumulooperditadienergia!

Risorserinnovabilienonrinnovabili

•  Risorsa:Ognimezzoconcuièpossibileprovvedereaunbisogno,aunanecessità

•  Nonrinnovabile:èunarisorsanaturalechenonpuòessereriprodoIaogeneratasuunascalachepuòsostenerelasuavelocitàdiconsumo

•  Rinnovabile:èunarisorsanaturalechepuòessereriprodoIaogeneratasuunascalachepuòsostenerelasuavelocitàdiconsumo

Modellodeglistocks.

Esempi

•  Aria,azoto,ossigeno,acqua•  CombusEbilifossili

•  Mineralidiuranio

•  Risorseagricole:grano,riso,mais,

•  MineralifosfaEci

•  Mercurio,cadmio,liEo

•  Qualisonorinnovabiliequalinonrinnovabili?

Problemi

•  Renewableresource•  McGraw‐HillScience&TechnologyDicEonary:renewableresources•  Home>Library>Science>Sci‐TechDicEonary•  (ri′nü∙ə∙bəlri′sör∙səs)(chemicalengineering)Agricultural

materialsusedasfeedstocksforindustrialprocesses.

•  E’vero?Ono?

•  Inrealtànellaloroproduzionesonoimplica;energiafossileerisorsemineralinonrinnovabili(mineralifosfa;ci)

•  •unchilogrammodicarne:7kep;•  •unlitrodiwhisky:10kep;•  (fonte:Energiaefuturo,M.Rossi,2010)

Dinamicadellerisorse:ilpetrolio

•  PetrolioUSA

Dinamicadellerisorse:ilpetrolio

•  PetrolioNorvegia

Dinamicadellerisorse:ilmercurio

0

2000

4000

6000

8000

1 104

1,2 104

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1 105

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3 105

4 105

5 105

6 105

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Mercury

Ye

ar

wo

rld

pro

du

cti

on

Cu

mu

lativ

e p

rod

uctio

n

anno

IlmercuriopotrebbeesseresosEtuitoinalcuneapplicazionidalgallio,cheèpureliquidoabassatemperatura,specieseinlegaconIneSn;moltopiùraro.Ecostoso.

Fonte:elaboraz.daEUSGS

Dinamicadellerisorse:roccefosfaEche

0

5 107

1 108

1,5 108

2 108

0

1 109

2 109

3 109

4 109

5 109

6 109

7 109

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Phosphate rock

Yearl

y P

ho

sp

hate

ro

cks

Cum

ula

tive

Year

Nonèfungibile,cioèsosEtuibileconaltrielemenEnelleapplicazioniprincipali:concimisinteEci.

Fonte:elaboraz.daEUSGS

Piccodiunarisorsa:oliodibalena

U.Bardi‐PRICETRENDSOVERACOMPLETEHUBBERTCYCLE:THECASEOFTHEAMERICANWHALINGINDUSTRYIN19thCENTURY.

Piccodiunarisorsa

Piccodiunarisorsa

•  Ilpiccodiunrisorsaquindinoncorrispondeall’esaurimentodellarisorsa,maalmomentodimassimaproduzione;dopoquelmomentolaproduzionenonpotràchediminuire

•  IlmodellodicrescitalogisEcoèbasatosullanozionechelacrescitaistantaneaèproporzionalealledimensioniaIualidellapopolazioneedallafrazionedirisorseancoradisponibilinell’habitat.

CurvalogisEcaodiVerhulst

Modellodipopolazioni,tumori,distribuzionediFermi,reazioniautocataliEchedelEpoA+B2A

NelcasodellerisorselaproduzioneèquindiproporzionalesiaallaquanEtàgiàestraIacheaquelladaestrarreancora;perchè?LaproduzionedellarisorsadipendedallaquanEtàgiàestraIa,quindidallaesperienzaacquisita,dalcapitaleinvesEtoedaquellaancoradaestrarre,dalleaspeIaEvedimercatoresidue,daiprezzichesipossonospuntare.

RisorseeNatura

•  ComesicomportalaNaturanell’usodelleproprierisorse?

•  In Natura esistono grandi cicli che riguardanotuIe le sostanze importanE, cicli la cui durata èmolto lunga, cosEtuiE spesso di altri cicli, piùpiccoli,echeconsentonodiriusareintegralmentei materiali e gli elemenE, anche aIraverso laspesa dell’enorme flusso energeEco cheaIraversailsistemadellabiosfera.

RisorseeNatura

•  Unesempioilciclodelcarbonio:

RisorseeNatura

•  Unesempioilciclodell’azoto:

ANvitàumaneerisorse

•  QuilasituazioneèmoltopiùarEcolata;ingenerenonesistonociclidiriusoericiclo:

sorgente

pozzo

Ooops!

PetrolioCO2

•  UncasoincuiabbiamoproblemisiaconlesorgenEcheconipozzi:

•  LesorgenEossiaideposiEdipetroliosiinaridiscono,siesaurisconosiamoal“piccodelpetrolio”.

•  Ipozzi,lezonedovesiscaricanoiresiduidicombusEone,ossial’atmosfera,vedonounaumentodiconcentrazionedeiresidui:l’anidridecarbonicaeglialtrigasserra,coneffeNsulclima.

Esempidiparzialericiclo.

•  EsistonocomunqueesempideltuIo“spontanei”diricicloeriusodellematerieprime:acciaio,alluminio,piombo,oro,vetrosonoesempiposiEvi;

•  nestannonascendoaltri:•  Peresempio“Terrerare”

•  CatalizzaEdall’esigenzadiridurreicosEodiprocurarsimateriaprima

Acciaio

•  Nelmondosiproduconooltre1.2Gtondiacciaio,dicuiquasilametàinCina;l’Italiaproducecirca20‐30Mton,dicuioltremetànelfornoeleIrico;

•  L’evoluzionedellaproduzionediacciaio,iniziataconmetodimoderninel1855,culminaoggineiprocessiafornoeleIricoeLD(cheusanoossigenopuro)

•  QuesEmetodiconsentonoaltepercentualidiriciclo.

Ricicloacciaio

•  Nel2006nelmondosonostatericiclate459Mtondiacciaiosuunaproduzionetotaledi1250Mton,ossiail36.7%.ProbabilmentelasituazioneaIualeèaIornoal40%.

Ognitonriciclatarisparmia:1,135tondimineralediferro0,635toncarbone0,055tondicalcareeilcorrispondenteinquinamento(fonte:WorldSteelassociaEon)….mapotrebbecomportarenuoviproblemidiinquinamentoseilprocessoèmalcondoIo

Alluminio

•  SecondolaIAI,circail75%delle700MtondiprodoIealivellointernazionaledallafinedel1800èancorainuso.(DaMoney:hIp://www.ehow.com/about_5101730_recycling‐metal.html)

•  Laproduzionedell’Aldabauxiteèlaproduzionepiùenergivoraperunitàdimassa,acausadell’elevatousodienergiaeleIrica,cheèunaenergiadielevataqualità(inItaliaoccorremolEplicarex2.5peroIenerel’energiaprimaria(fossilenelnostrocaso)necessariaallaproduzione.1kgofalrisparmiafinoa6kgdibauxite,4kgdialtriprodo\e14kWhdiele]ricità(ossia7.5kep)

•  Ilriciclorisparmiainquestocasoil95%dell’energia;•  Dal60al90%deicontenitorivienericiclato•  PercentualivariabiliinaltriseIori

Piombo

Piombo

•  OggilaquasitotalitàdellebaIeriealpiombovienericiclato,oltreil99%

•  Questononvuoldirechelamedesimapercentualedipiombovengariciclata

•  UlEmodatouEle1995:63%dipiombovienericiclatonelmondo(Smith2005)

Oro

•  SisEmachel’85%dell’oroprodoIonelmondointuIalastoriasiaancorainuso.

•  L’EPAsEmachelaestrazionediorosialaaNvitàpiùinquinantefratuIeleaNvitàminerarie(usodimetallipesanE)

•  Percentualediefficienzanelriciclo95%masoloil30%dell’oroprodoIoèdiriciclo.

•  Probleminell’industriaeleIronicaacausadellepiccoledimensionideipezzisingoli

Vetro

•  SisEmachel’80%delvetrosiariciclato•  TuIavial’industriausamaterialediriciclopermenodel50%.

•  Problemadelcolore(partendodamaterialericiclatodicoloremistosioNenesolovetroverdeequindinonsipossonoriprodurreboNglietrasparenE)

Terrerareneiriquadrirossi

LeterreraresonoessenzialinellagranpartedeiprodoNdell’eleIronicamoderna(schermisoNli)edinmolteapplicazioni“pulite”:esempioprincipeilmodernofiltroFAPcheconEeneceria(ossidodicerio).

Il97%delmercatodelleRareEarthMetals(REM)èinmanoallaCinaebuonapartedellerisorsestrategichediquesEmateriali.

NecessitàeconomicaassolutadisviluppareefficienEmetodidiriciclo

MolEdaE,mamancala

percentualedidissipazioneeffeNva

Differenzericicloumanoeciclinaturali

•  IciclinaturalisonolunghiriciclanopraEcamenteal100%eusanounaenormequanEtàdienergia

•  Icicliumani(quandoesistono)sonobrevi,menoefficienEetendonoarisparmiareenergia

•  Laconseguenzaèchec’èsempreuncerto“sfrido”,cheallalungaèinsostenibile.

Notametodologica

•  Risultatodelriciclo= percentualenumero‐di‐cicliEsempio=ricicloil95%per10volte=0.95x0.95x0.95x0.95x0.95…………..ComerisultatotecnologicosarebbeoNmo,superioreaqualunquerisultatoaIuale,mainpraEca?

Risultato=0.9510=0.60!!!!!Ergo…..ciservirebberocomunquenuoverisorse.

IVPrincipio(falso)

•  SecondoGeorgescuRoegen,fondatoredell’ecoenergeEca,varrebbeperlamaterialostessocriteriodi“degradazione”chevaleperl’energia

•  E’statodimostrato(Tiezzietal.Ecol.Econ.8,(1993)1–5)chequestaideaèformalmentesbagliata.

•  TuIaviaèverocheilricicloeffeNvo,completo,èunaaNvitàanE‐entropicaerichiedeENORMIquanEtàdienergia(everosimilmentetempilunghi)peresserecompletato.

ProspeNve

•  QuisiapronoenormiprospeNveperlaricercael’applicazionedimetodichimiciebiochimicichemigliorinoleperformancesdelriciclodeglielemenEedelrisparmioenergeEco.

•  AltroaspeIochiave:nuovaprogeIazionedeidisposiEvicheprevedailriusoeilriciclo,unadiversaimpostazioneculturale,aparEredall’Università.

EsempiposiEvi

•  LasosEtuzionedeiCFCcongliHCFC•  ReazionepiùimportantedeiCFC

•  CCl3F→CCl2F.+Cl.

•  IlradicaleCl.puòaIaccareseleNvamenteeripeEEvamentel’O3,abbassandonelaconcentrazione

•  SosEtuiEconHCFC,coneffeIominore,idrocarburi,ammoniacaeCO2

EECL=EffecEveEquivalentChlorineConcentraEon

GlieffeNdell’accordodiMontreal

Digressioneterminologica

•  Efficienzaerisparmiosonosinonimi?•  NO•  EfficienzasiscontraconilparadossodiJevons•  imiglioramenEtecnologicicheaumentanol'efficienzacon

cuiunarisorsaèusatapossonofareaumentareilconsumototalediquellarisorsa,invecedidiminuirlo.Èchiamatoparadossoperchélesueconclusionivannocontroilsensocomune,manonsitraIainrealtàdiunparadossoedèacceIatonelleteorieeconomicheaIuali.L'aumentodiefficienzasitraducenormalmenteinunadiminuzionedicosEche,ingenere,aumentaiconsumi.

•  Ilrisparmiononhaquestoproblema.•  L’efficienzadasolanonbastaneimaterialinonfungibili.

Ciclodelfosforo

Ciclodelfosforo•  Ilfosforoe'unnutrienteessenzialeperpianteeanimalidellaformadiionePO43‐e

HPO42‐.E'partedellemolecoledelDNA,dimolecolecheimmagazzinanoenergia(ATPeADP),digrassiedimembranecellulariecosEtuisceancheilmaIonedicerteparEdelcorpoumanoeanimale,comeossaedenE.

Ilfosforosipuòtrovaresullaterrainacqua,suoloesedimenE.AdifferenzadeicomposEdialtriciclidellamaterianonsipuòtrovareinstatogassosonell'aria.

•  IlsuociclocoinvolgesopraIuIoacqua,terrenoesedimenE.IlciclodelfosforoèilpiùlentotratuNiciclidellamateria.

•  IlfosforosimuovelentamentedaideposiEpresenEsuterrenoesedimenE,versogliorganismivivenE,emoltopiùlentamentenuovamentenelterrenoeneisedimenEdell'acqua.SipuòanchemuovereaIraversolepianteeglianimalielofamoltopiùvelocemente,diquantofaaIraversolerocceedisedimenE.

IlfosforoèpiùcomunementetrovatoinformazioniroccioseesedimenEdell'oceanocomesalifosforosi

•  Nonèfungibile;cioènonèsosEtuibileconaltrielemenEcomenelcasodelmercurio.

Ciclodelfosforo•  LeScienze,agosto2009,n.492:Fosforo:unacrisiimminente•  diDavidA.Vaccari

ÈuncomponentefondamentaledeiferElizzanE,maleriservedifosforosarannosufficienEsoloperqualchedecinadianni.Occorreagiresubitopersalvaguardarle,sevogliamosalvarel'agricolturadelfuturo.

•  L'estrazionedelfosforoperlaproduzionediferElizzanEstaesaurendoilmineraleauntassotrevoltemaggiorediquellodeinaturalicicligeologici.GliStaEUniEpotrebberoimpoverirequestarisorsainqualchedecinadianni,epochialtripaesihannoriservenotevoli,cheperòpotrebberoesaurirsinelgirodiunsecolo.L'eccessodifosforoneicorsid'acquacontribuisceadalimentarelefioriturealgali,cheprivanoipescidell'ossigenodicuihannobisognopersopravvivere,creando«zonemorte».Lariduzionedell'erosionedelsuoloeilriciclodelfosforodairifiuEagricolieumanipotrebbecontribuirearenderesostenibilelaproduzionealimentareeprevenirelefioriturealgali.(22luglio2009)

Cosapuòfarelachimicanelcaso“fosforo”

•  Ridurrel’usodeiferElizzanEconpraEcheagricolediversechelimiEnoildilavamentoel’erosione,

•  resEtuirealsuololabiomassanoncommesEbileedirifiuEdiorigineanimale

•  edinfinetraIareleacquereflueperrecuperareilfosforodairifiuEsolidi,senzaperòraccoglierequeimetallipesanE(Pb)chesonopresenEingranquanEtà.

Energia:cosapuòfarelachimica?

•  Puòradicalmentecambiareimetodiperrisparmiare,produrreedaccumulareenergia:

•  NuovimaterialiisolanEtermiciAerogeldisiliceèl’isolantepiùefficacemaiprodoIo,faIosolodisiliceedaria;prodoIoaparEredaalcoleElicoeTMOS<0.015W/m‐K

AccumuloeleIrochimico

Supercondensatorialgrafene

Stessadensitàdipotenzaperunitàdipesodiunsupercondensatore,maanchestessadensitàdienergiadiunabaIeriaalliEo

Macchinemolecolari

Lenano‐macchinediVincenzoBalzani.

hIp://www.scienzagiovane.unibo.it/macchinem/macm‐macchineart.html

azobenzeni

ATTENZIONE:LimiEdellerisorse

Conclusione1

•  LaChimicaèlascienzacentraledelfuturo;puòinsegnarcimolto;lacosacentralecheciinsegnaècheilnostromodoaIualediprodurrebasatosucicliaperEecrescitaeconomicasuppostainfinitanonècompaEbileconilimiEfisicidelpianeta.

Conclusione2•  PuòlatecnologiaDASOLArisolvereiproblemidelmondo

moderno?•  NO.Possiamorisolverealcuniproblemiconlatecnologia,manon

tuN.

•  "PerviverenelterzomillenioabbiamobisognodiparadigmisocialiedeconomiciinnovaEviedinuovimodidiguardareaiproblemidelmondo.Scienza,maanchecoscienza,responsabilità,compassioneedaIenzione,devonoessereallabasediunanuovasocietàbasatasullaconoscenza,lacuienergiasiabasatasulleenergierinnovabili,echesiamochiamaEacostruireneiprossimitrent'anni.L'alternaEva,forseèsololabarbarie.”

•  N.ArmarolieV.Balzani‐"Energyforasustainableworld"–WileyVCH‐2010

Perchièinteressato

Lachimicael’industria,2008n.8e9–SpecialesuilimiEdellerisorsescaricabililiberamenteda:hIp://www.soc.chim.it/chimind/catalogoPaginawebdiAspo‐ItaliahIp://www.aspoitalia.itC.DellaVolpe“Ominidisull’orlodiunacrisiclimaEco‐energeEca”inCalendariodellafinedelmondoacuradiA.Pacilli,A.PizzoeP.Sulloed.IntraMoenia2011Instampa:ANdelIVconvegnonazionalediAspo‐Italia,Trento,5‐6novembre2010(rivolgersiaclaudio.dellavolpe@unitn.it)