martedì, Gennaio 25, 2022

Rifiuti industriali e protezione dell’ambiente

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Pubblichiamo il primo di due articoli redatti dal gruppo di ricerca dei proff. Cioffi e Colangelo dell’Università di Napoli Parthenope

Valutazione del ciclo di vita degli aggregati artificiali leggeri prodotti mediante doppia granulazione utilizzando rifiuti industriali

Abstract

Negli ultimi anni, l’uso di materiali riciclati ha suscitato forte interesse. A tal proposito, gli aggregati artificiali leggeri risultano essere un’ottima alternativa ai materiali vergini comunemente utilizzati, vista la necessità di fornire strumenti adeguati per la protezione dell’ambiente.

Questo studio intende sviluppare un’analisi LCA (Life Cycle Assessment – analisi del ciclo di vita del prodotto) di questi aggregati per fornire una disamina degli impatti ambientali e una strategia sostenibile per la selezione degli aggregati leggeri.

Tre miscele sono state preparate utilizzando rifiuti industriali: ceneri volanti provenienti da un impianto di incenerimento dei rifiuti urbani, scorie di altoforno e fanghi di marmo.

Variando il contenuto di loppa d’altoforno e di cemento Portland, sono state valutate le proprietà ambientali di ciascun mix.  La presenza di CO2 e il volume di acqua consumata sono stati quantificati come impatto ambientale.

1. Introduzione

Vari aspetti emergono nelle scelte tra progetti di intervento nel settore edilizio, tra cui la sostenibilità sotto forma di impatti ambientali. In questo contesto, è inclusa la progettazione di tre miscele per la produzione di aggregati artificiali leggeri con pellettizzazione di incollaggio a freddo in due fasi, intese come alternative tra cui identificare quella ottimale.

Su queste premesse, lo scopo di questo lavoro è di presentare una proposta metodologica basata sulla valutazione del ciclo di vita.

Con LCA si misura la sostenibilità ambientale delle miscele in esame. Lo sviluppo del settore industriale ha determinato cambiamenti a lungo termine nel sistema climatico che comprendevano il riscaldamento globale, le inondazioni e la siccità (Khazalah e Gopalan, 2017).

L’industria edile è responsabile del significativo consumo di risorse naturali (Figueiredo et al., 2021) e di significative emissioni di gas a effetto serra (Lamb et al., 2021). Negli ultimi dieci anni, i ricercatori hanno studiato materiali alternativi, tecnologie e concetti di design in grado di aderire al concetto di sostenibilità nel settore dell’edilizia.

Come materiali eco-sostenibili, ci sono vari materiali di scarto con buone proprietà meccaniche, che sono un’alternativa efficace ai materiali tradizionali. Massudinejad et al. (2019) hanno studiato l’utilizzo di rifiuti solidi industriali, agricoli, edili e di demolizione e rifiuti urbani per produrre materiali di costruzione innovativi. Sono stati fatti molti tentativi per ridurre l’impatto delle attività industriali e per raggiungere soluzioni sostenibili (Kurda et al., 2019; Rodríguez-Robles et al., 2019). I materiali eco-sostenibili sono: ceneri volanti (Kurda et al., 2020), ceneri miste provenienti da attività agro-industriali (Chippagiri et al., 2021), scorie di altoforno macinate (Tüfekçi et al., 2017) e fanghi di marmo (Colangelo et al., 2018; Coppola et al., 2020).

Gli sforzi per migliorare gli indicatori ambientali hanno spinto i ricercatori a concentrarsi sul settore delle costruzioni come una delle industrie più attive e in più rapida crescita (Gundes, 2016). Pertanto, il settore dell’edilizia può svolgere un ruolo importante nelle emissioni di gas a effetto serra e nell’esaurimento delle risorse (Ali et al., 2020). La valutazione del ciclo di vita (LCA) è stata utilizzata con successo per integrare questioni quali il cambiamento climatico e l’esaurimento delle risorse e per raggiungere uno sviluppo sostenibile (Drejeris e Kavolynas, 2014).

Dall’inizio degli anni ’90, l’analisi LCA è stata utilizzata per stimare l’impatto ambientale degli edifici (Fava, 2006). Su queste premesse, lo scopo del lavoro è quello di presentare una proposta basata sull’approccio LCA (Life Cycle Assessment). In particolare, il motivo per proporre un approccio LCA è quello di supportare la quantificazione, attraverso indicatori misurabili, dei parametri di sostenibilità ambientale.

2. Materiali e metodi

Nell’analisi ambientale, il cambiamento climatico è l’indicatore ambientale più importante, in quanto influenza in larga misura lo sviluppo sostenibile. Il cambiamento climatico è calcolato sulla base della raccomandazione del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC, 2013), che segue il modello di Berna – Global Warming Potential (GWP) su un orizzonte temporale di 100 anni come modello di valutazione d’impatto.

In particolare, nell’interpretazione di questo indicatore va notato che la CO2 rappresenta un importante contributo all’effetto serra. Sebbene tutti gli altri gas calcolati dall’indicatore (CH4, N2O, HFC, PFC e SF6) abbiano un potere di cambiamento climatico molto più elevato della CO2, la CO2 è attualmente il gas serra principale e più significativo, contribuendo oggi per oltre il 55% all’effetto serra (Consiglio europeo, 2021).

Per questo motivo, il gas CO2 è scelto come sostanza di riferimento e l’unità di riferimento è kg di CO2-equivalente. Alla luce di queste considerazioni, CO2 è stato scelto come elemento chiave dell’analisi ambientale di questo studio. L’analisi ambientale si basa su uno studio di LCA, in cui sono state rispettate le 4 fasi metodologiche, secondo le norme ISO 14040:2006 e ISO 14044:2006 e le linee guida del manuale sull’ILCD. 

2.1 Progetto di miscela

La produzione di aggregati leggeri è stata effettuata con un processo di doppia granulazione ed è stata effettuata mediante un granulatore dotato di una piastra rotante e inclinabile (d=80 cm). La velocità di rotazione e l’angolo di inclinazione sono stati impostati, rispettivamente, a 45 giri al minuto e 45°.

L’attività sperimentale è stata svolta nel laboratorio MASERG del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Napoli “Parthenope”. In particolare, sono state progettate tre miscele, che utilizzano quattro precursori: cemento Portland (OPC – Ordinary Portland Cement), loppa d’altoforno (GGBFS – Ground Granulated Blast Furnace Slag), ceneri volanti (FA – Fly Ash) e fanghi di marmo (MS – Murble Sludge).

Ad eccezione del cemento Portland, tutti i precursori sono sottoprodotti industriali, utilizzati come materie prime secondarie in una prospettiva di economia circolare. Le ceneri volanti sono rifiuti pericolosi in quanto contengono cloruri, solfati e metalli pesanti. Pertanto, è necessario sottoporre tali rifiuti ad un pretrattamento per migliorare la capacità di inertizzazione in una matrice di cemento e per garantire adeguate caratteristiche qualitative degli aggregati leggeri (Colangelo et al., 2021). Il pretrattamento consiste in un lavaggio a due fasi con acqua, con un rapporto liquido/solido di 2,5:1 e un tempo di ritenzione di 1,5 h per ogni fase (Colangelo et al., 2021). Dopo il lavaggio (washing), un processo di essiccazione (drying) è stato effettuato ad una temperatura di 45 °C nel forno per 24 h (Colangelo et al., 2021).

Infine, sono state preparate tre miscele con un processo di doppia granulazione. In particolare, nella prima fase, ovvero quella di singola granulazione il mix delle tre miscele consiste in una quantità costante di FA (80%) e una variazione di GGBFS (5%, 10%, 15%) e OPC (15%, 10%, 5%). I granuli così ottenuti sono stati successivamente sottoposti ad un ulteriore processo di granulazione. In questa seconda fase, dunque, ottenuta aggiungendo OPC e MS in quantità percentuali pari a 30% e 70%.

L’obiettivo della doppia granulazione è quello di ottenere aggregati incapsulati all’interno di un guscio esterno (aumentando lo spessore degli aggregati precedentemente prodotti), migliorandone le proprietà tecnologiche e di lisciviazione, raggiungendo livelli soddisfacenti di immobilizzazione (Colangelo et al., 2015; Molino et al., 2014) e aumento della quantità di rifiuti riutilizzati. Tutti gli aggregati prodotti sono stati sottoposti a stagionatura per 28 giorni a temperatura ambiente e umidità relativa del 95% per raggiungere le proprietà idonee.

3. Impatto Ambientale

In questo studio, la valutazione delle emissioni di CO2 per gli aggregati prodotti con doppia granulazione è stata effettuata calcolando il consumo di materiali (OPC, GGBFS, FA, MS), acqua ed energia del granulatore utilizzato nelle fasi del processo di produzione degli aggregati. Come unità funzionale è stata considerata una quantità pari a 1 kg di granuli, considerando i confini del sistema di avvicinamento dalla culla al cancello (cradle-to-gate) (Colangelo et al., 2021). Sono stati quindi inclusi l’estrazione delle materie prime, la trasformazione dei materiali e la produzione di aggregati.

Per la doppia granulazione sono state prese in considerazione le fasi procedurali per l’ottenimento dei granuli. Per la fase di inventario, sono stati presi in considerazione i materiali utilizzati per la singola granulazione e l’aggiunta di fanghi di marmo, la cui produzione è stata ricostruita a partire da Bianco et al. (2019) e Mendoza et al. (2013).  

La valutazione dell’impatto ambientale è stata effettuata seguendo il metodo Recipe 2016, coerente con altri studi di letteratura nel settore delle costruzioni (Emami et al., 2019). In particolare, il calcolo è stato effettuato a livello intermedio con una prospettiva gerarchica, considerata di default dalla comunità scientifica. Il livello intermedio esamina in dettaglio gli impatti e i risultati ottenuti sono rappresentativi dei singoli impatti.

3.1 Emissioni di CO2

La valutazione delle emissioni di CO2 per gli aggregati artificiali è stata effettuata calcolando il consumo di materiali, acqua ed energia (M, W, E) necessari per realizzare le tre miscele di aggregati leggeri con doppia granulazione. Come descritto da Colangelo et al., 2021, la produzione di aggregati leggeri con granulazione singola consiste rispettivamente in tre processi di lavaggio, essiccazione e granulazione. Le differenze tra la produzione delle tre miscele consistono proprio nei processi di granulazione, mentre i processi di lavaggio e essicazione sono unici per tutti. I risultati ottenuti dall’analisi LCA in Colangelo et al. (2021) hanno dimostrato che la miscela B determina minore impatto.

Questo studio mira ad analizzare la produzione di aggregati leggeri con doppia granulazione, costituita da 4 processi: lavaggio, essicazione, granulazione in un’unica e doppia fase. Esaminando il contributo dei materiali, dell’elettricità e dell’acqua di tutti i processi, i processi di lavaggio e essicazione vengono effettuati una sola volta per tutte le FA utilizzate nella produzione degli aggregati. Tuttavia, sono state calcolate le emissioni di CO2 delle tre miscele. Nel lavaggio solo i materiali (FA) influenzano le emissioni di CO2, mentre la componente energia e la componente acqua hanno emissioni trascurabili. Dalla Fig.1 si nota come il lavaggio (washing) è meno incisivo se effettuato nel caso della miscela B, mentre è più efficace per la miscela A.

Rifiuti industriali  - figura 1

Allo stesso modo, anche per il processo di essicazione (drying)  la distribuzione degli impatti è la stessa, cioè l’ essicazione della miscela B produce minori quantità di emissioni di CO2 mentre la miscela A produce maggiori quantità di emissioni di CO2. In particolare, in questo caso, l’unico componente da considerare è l’elettricità, come mostrato nella Fig. 2, in quanto l’ essicazione avviene in un forno.

Rifiuti industriali  - figura 2

Analizziamo in primis il processo di singola granulazione. Dall’analisi dei risultati risulta che il processo di singola granulazione per la miscela B ha un impatto minore, il processo più critico è quello relativo alla miscela A. Inoltre si verifica che i materiali (FA, GGBFS e OPC) sono gli unici ad incidere sulle emissioni di CO2, mentre l’elettricità e l’acqua causano emissioni trascurabili. Infatti, esaminando i materiali in dettaglio, sono responsabili del 99% delle emissioni di CO2.

In generale, il materiale che determina gli impatti maggiori è rappresentato dalle FA, che producono in media il 95% delle emissioni totali attribuite ai materiali. Mentre il GGBFS rappresenta il 4% delle emissioni, l’OPC è il materiale con meno emissioni (1%). Queste percentuali sono proporzionali alle quantità utilizzate nel mix design. Nella Fig. 3 sono riportati graficamente i risultati del processo di singola granulazione.

Rifiuti industriali  - figura 3

Adesso è possibile analizzare dettagliatamente i processi di doppia granulazione in termini di impatti derivanti dai materiali utilizzati (OPC e MS), dal consumo di elettricità e acqua.

Confrontando tutti i processi di doppia granulazione si può notare che gli impatti derivanti dall’ acqua sono trascurabili. Ciò deriva dalla quantità di acqua utilizzata nei processi che è in media di circa 200 ml e questa quantità non influisce significativamente sul processo rispetto all’elettricità e ai materiali. Pertanto, l’elettricità e i materiali sono gli unici responsabili delle emissioni di CO2.

Analizzando in dettaglio le emissioni di CO2, la miscela A produce le emissioni più elevate. In questo processo materiali ed elettricità producono circa le stesse emissioni di CO2. Infatti, i materiali producono 0,29 kg di CO2-eq. mentre l’elettricità è responsabile dell’emissione di 0,26 kg di CO2-eq. Anche se i valori sono molto vicini tra loro, c’è una leggera discrepanza con i materiali. Nella miscela C si verifica il contrario, cioè l’elettricità contribuisce con emissioni leggermente superiori ai materiali. In particolare, i materiali producono 0,24 kg CO2-eq. mentre l’elettricità produce 0,26 kg CO2-eq.

Infine, il processo meno incisivo è quello relativo alla miscela B. In questo caso, il divario tra materiali ed elettricità è minore rispetto agli altri processi, quindi si possono considerare le stesse emissioni di CO2, che in entrambi i casi ammontano a 0,21 kg di CO2-eq. Con dettaglio sui materiali, per la doppia granulazione si deve considerare la somma di MS e OPC, che contribuiscono come segue: il 60% della CO2 prodotta dai materiali proviene dalla MS mentre il restante 40% della CO2 è prodotta da OPC.  Per una visione più chiara, proponiamo nella Figura 4 la panoramica delle emissioni di CO2 prodotte dai processi di doppia granulazione, che evidenzia il contributo di materiali, elettricità e acqua.

Rifiuti industriali  - figura 4

Nel complesso, si può presumere che il processo di produzione degli aggregati leggeri con doppia granulazione, in riferimento alla miscela B abbia meno impatto rispetto alla miscela A e alla miscela C. Questo risultato è coerente con lo studio precedente (Colangelo et al., 2021), in cui il processo di produzione con singola granulazione, in riferimento alla miscela B è stato il meno impattante. La Tabella 1 evidenzia le emissioni totali di CO2 lorde per ciascun processo attuato.

Rifiuti industriali  - tabella 1

4. Conclusioni

Lo studio proposto mira a sostenere l’uso di aggregati artificiali ottenuti da sottoprodotti industriali in alternativa agli aggregati naturali. Il tema è di notevole interesse scientifico, in quanto ha molte conseguenze ambientali positive, tra cui la conservazione delle risorse naturali e la conversione dei rifiuti in prodotti a valore aggiunto. È stato individuato un criterio di valutazione: emissioni di CO2.

In particolare sono state confrontate diverse miscele di aggregati leggeri che comprendono rifiuti industriali come FA, GGBFS, MS. Questi aggregati sono stati prodotti mediante doppia granulazione, che è stata eseguita a partire dagli aggregati ottenuti dalla singola granulazione (Colangelo et al., 2021) con l’aiuto di una nuova miscela composta dal 30% di cemento Portland (OPC), e dal 70% di fanghi di marmo (MS) al fine di aumentare la quantità di rifiuti riutilizzati (fanghi di marmo) per aumentare lo spessore degli aggregati, precedentemente realizzati, e anche per migliorare le loro proprietà tecnologiche. 

L’ipotesi di riqualificazione dei sottoprodotti industriali per la produzione di aggregati artificiali è valutata in termini di impatti ambientali attraverso la metodologia LCA. Dal punto di vista ambientale, si può concludere che, sia per quanto riguarda le emissioni di CO2 in atmosfera, la miscela B rappresenta l’aggregato più vantaggioso, con dei valori pari a, rispettivamente, 23 kg di CO2-eq. e 0,16 m3 (Tab. 1).

A cura di:

Marco Ruggieroa, Ilenia Farinaa, Cinzia Salzanoa, Ivan Mocciaa, Marta travaglionia, Antonella Petrilloa, Salvatore Pucab, Antonio Ramondoc, Renato Olivaresd, Luigi Cossentinod, Raffaele Leonesee

a Dipartimento di Ingegneria – Università degli studi di Napoli “Parthenope”, Materials Science and Engineering Research group – MASERG, Centro Direzionale, Is. C4, 80143, Napoli, Italia

b Consorzio ASI Napoli, Via Domenico Morelli 75, 80121 Napoli, Italia

c Regione Campania UOD 501708, Centro Direzionale, Is. C5, 80143 Napoli, Italia

d ARPAC Dipartimento di Napoli, Via Don Bosco, 4/F, 80141 Napoli, Italiae Università degli Studi di Napoli Federico II, 80133 Napoli, Italia

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