Chimica dell'ambiente

A.A. 2019/2020
8
Crediti massimi
64
Ore totali
SSD
CHIM/06 CHIM/12
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
La chimica dell'ambiente studia e analizza gli aspetti chimici dei problemi creati dall'uomo nell'ambiente naturale. Sulla base di questa premessa, il principale obiettivo formativo dell'insegnamento è quello di sviluppare conoscenze relative alla chimica di base di aria, acqua e suolo e dei suoi principali inquinanti chimici di natura antropogenica, analizzando il modo in cui sono distribuiti, trasportati, trasformati e accumulati nei tre comparti ambientali. Per una più completa e profonda comprensione di questi fenomeni, in questo contesto è analizzata anche la produzione di energia e le fonti energetiche, dalle più tradizionali quali i combustibili fossili, alle più moderne e alternative quali le celle fotovoltaiche, passando per le più discusse quali l'energia atomica, con particolare riferimento al loro impatto sull'ambiente. A completamento di questo percorso, il corso si propone di fornire una panoramica sulle possibili strategie per rimediare, prevenire o ridurre l'impatto ambientale delle principali fonti di inquinamento, nonché sui nuovi approcci per la sintesi industriale di prodotti chimici mediante processi maggiormente sostenibili.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso di Chimica dell'Ambiente lo studente dovra' conoscere:
- la chimica di base dei tre comparti ambientali, aria, acqua e suolo.
- la classificazione, le sorgenti, la struttura, le trasformazioni e il destino dei principali inquinanti chimici ambientali: COV, particolati, CO2, SOx e NOx, solventi alogenati, BTX, IPA, metalli pesanti, pesticidi, PCDD, PCBF, PCB, interferenti endocrini, ritardanti di fiamma, PFC.
- i principali metodi di potabilizzazione dell'acqua e di depurazione delle acque reflue.
- le principali strategie di decontaminazione del suolo.
- le fonti e i vettori di energia tradizionali e alternative e il relativo impatto ambientale.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
1. Aria:
1,1 Chimica della stratosfera e buco dell'ozono
- Definizione di stratosfera, assorbimento della luce, ossigeno e ozono e filtrazione dei raggi UV.
- Chimica della stratosfera: formazione e distruzione dell'ozono, influenza di cloro e bromo.
- Come si forma il buco dell'ozono e politiche mondiali per contrastarlo.

1,2 Inquinamento dell'aria a livello del suolo
- Ozono urbano e smog fotochimico, influenza di concentrazione di COV e NOX.
- Emissioni a base di zolfo
- Inquinamento da particolato

1,3 Inquinamento indoor e outdoor
- Piogge acide, conseguenze su terreni, alberi e coltivazioni. Effetti sanitari
- Inquinamento indoor; sindrome da edificio malato, inquinanti più frequenti e loro effetti.

1, 4 Effetto serra
- Emissioni di energia dalla terra, assorbimento di energia da parte dei gas serra
- Biossido di carbonio; assorbimento IR, variazioni nel tempo, effetti.
- Altri gas serra; vapore acqueo, metano, ossido nitroso, CFC.
- Come combattere il riscaldamento globale.
- Emissioni di anidride carbonica e cambiamenti climatici.

2. Energia:
2.1 Combustibili fossili
- Fonti energetiche: combustibili fossili, gas di scisto. Valore energetico e produzione di CO2.
- Sequestro di CO2 e immagazzinamento
- Entità e conseguenze del riscaldamento globale: conseguenze sulla riserva idrica mondiale e sui ghiacciai
- Protocollo di Parigi 2015
2.2 Biocombustibili.
- Biomassa: definizione e biomassa come fonte energetica. Conversione della biomassa in biocombustibile: biologica, fisica e termochimica.
- Life-Cycle Assessment, (LCA) e pensiero sistemico.
- Bioetanolo. Produzione del bioetanolo: metodologie di prima e seconda generazione.
- Biobutanolo.
- SVO e Biodiesel. Produzione. Biodiesel di terza generazione.
- (Bio)combustibili per via termochimica. SynGas e reazione di spostamento del gas d'acqua. Metanolo ed eteri.
- Idrogeno. Produzione da combustibili fossili e per elettrolisi dell'acqua. Immagazzinamento come liquido, gas compresso, lega metallica o composto. Combustione diretta e generazione di elettricità. Celle a combustibile: PEMFC, AFC, PAFC, MCFC, SOFC, DMFC.
2.3 Tecnologie per Energia Rinnovabile.
- Concetto di sostenibilità. Energie rinnovabili. Energia solare diretta e indiretta.
- Energia idroelettrica. Principi. Centrali idroelettriche. Tipologie e problematiche ambientali.
- Energia eolica. Principi. Parchi eolici e tipologie dei siti eolici.
- Energia marina. Energia delle correnti marine, energia mareomotrice, ed energia del moto ondoso. Principi.
- Energia geotermica. Principi. Sorgenti idrotermiche, geopressurizzate e petrotermiche. Sistemi EGS (Enhanced Geothermal Systems). Pompe di calore geotermiche.
- Energia solare diretta, termica e fotovoltaica: differenze.
- Solare termico a bassa temperatura.
- Solare termico concentrato: impianti termodinamici, tipologie e differenze. Fluidi termovettori e eliostati. Torri solari e impianti a sali fusi.
- Solare fotovoltaico. Celle PV: celle al silicio, al cadmio, organiche, sensibilizzate da coloranti (celle di Gratzel).
- Stoccaggio delle energie rinnovabili.
- Analisi dell'impatto delle energie alternative: il lavoro del gruppo REN21.
2.4 Radioattività ed energia nucleare
- Isotopi radioattivi. La famiglie radioattive.
- Principi di radioattività. Modalità di decadimento radioattivo: particelle alfa, beta e gamma. Penetrazione della radiazioni ionizzanti. Effetti sulla salute. Quantificazione delle radiazioni assorbite. Applicazioni delle radiazioni ionizzanti. Datazione dei reperti archeologici e biologici. Decadimento radioattivo. Curva di decadimento a cinetica del primo ordine. Unità di misura della radioattività.
- Il decadimento dell'Uranio-238.
- Il Radon-222. Problematiche ambientali e sanitarie.
- Energia nucleare: fissione dell'uranio-235. Prodotti attinidi della fissione. Arricchimento dell'uranio. Barre esaurite e riprocessamento. Uranio impoverito. Reattori CANDU ad acqua pesante e autofertilizzanti. Problemi legati al plutonio. Stoccaggio dei rifiuti nucleari.
- Energia nucleare: la fusione nucleare e il progetto ITER.
- Energia nucleare nel mondo. Incidenti nucleari: Cernobyl e Fukushima. Il nucleare in Italia.

3. Acqua:
3.1 Acque naturali
- Water footprint e acqua virtuale. Fabbisogno e uso domestico.
- Chimica dell'acqua. Reazioni comuni. Unità di misura.
- Solubilità di gas e COV.
- Chimica delle ossidoriduzioni in acqua.
- BOD (Biochemical Oxygen Demand). Determinazione del BOD: BOD5 e UBOD: metodo per diluizione e respirometrico.
- COD (Chemical Oxygen Demand). Determinazione del COD.
- Classificazione del carbonio in acqua: TC, TIC, TOC, DOC, POC.
- Decomposizione della materia organica in acqua.
- Composti dello zolfo nelle acque naturali. Zolfo, ferro e i drenaggi acidi delle miniere abbandonate.
- La scala del pE. Diagrammi pE/pH.
- Equilibri acido-base e solubilità in acqua. Il sistema trifasico: carbonato-bicarbonato-anidride carbonica.
- Altri ioni: fluoruro, alluminio. Alluminio e piogge acide.
- Alcalinità. Alcalinità totale e al carbonato. Determinazione dell'alcalinità.
- Durezza. Durezza totale, permanente e temporanea.
- Acqua di mare.
3.2 Potabilizzazione dell'acqua
- Fasi della potabilizzazione: areazione, sedimentazione, rimozione delle particelle colloidali, rimozione di calcio e magnesio, disinfezione.
- Disinfezione: metodi fisici e chimici. DBP, disinfection by-products.
- Disinfezione al punto d'uso: metodi fisici e chimici e biologici.
- Filtrazione: semplice, su carbone attivo, su membrane, osmosi inversa.
- Potabilizzazione dell'acqua di mare: dissalazione a osmosi inversa, termica, forward osmosis, nano/biofiltri ed estrazione con acido decanoico.
- Disinfezione delle piscine.
- Distribuzione dei contaminanti nell'acqua di falda.
- Metodi di decontaminazione delle acque: pump and treat, bioremediation, attenuazione naturale e barriere permeabili reattive.
3.3 Acque reflue
- Acque nere e acque bianche.
- Fase della depurazione: trattamenti primari (meccanici), secondari (biologici), e terziari (chimici). Rimozione dei fosfati, riduzione della salinità.
- La linea dei fanghi: primari e secondari.
- I fosfati nei detergenti e il problema dell'eutrofizzazione.
- Fitodepurazione, fosse biologiche, pozzi neri.
- Rimozione di inquinanti specifici: eliminazione dei cianuri.
- Tecniche moderne di decontaminazione.
- Inquinamento da farmaci nelle acque reflue.

4. Inquinanti:
4.1 Metalli pesanti
- Metalli pesanti. Metalli e ambiente. Speciazione e tossicità.
- Mercurio. Mercurio metallico e cationico. Le amalgame: estrazione dei metalli preziosi, amalgame dentarie, impianti cloro-soda. Mercurio (II): la manifattura del feltro. Mercurio aerosospeso: GEM, TPM, RPM. Composti organici del mercurio e loro tossicità: il metilmercurio. Mercurio nella dieta umana. Il disastro di Minamata, l'inquinamento di Rosignano Solvay, la discarica di Bussi sul Trino.
- Piombo. Piombo inorganico metallico e cationico. Piombo e acqua potabile. Piombo e acque naturali. Piombo nei pigmenti e nelle batterie. Composti organici del piombo: il piombo tetraalchile. Effetti del piombo sulla salute: il saturnismo. Piombo e intossicazioni nella storia.
- Cadmio. Applicazioni e fonti ambientali. Le batterie Ni-Cd. Assunzione umana di cadmio.
- Cromo. Cromo trivalente ed esavalente. Effetti sulla salute. Decontaminazione dell'acqua inquinata da cromo con approcci classici e moderni. L'arseniato cromato di rame come preservante del legno.
- Arsenico. Arsenico trivalente ed pentavalente. Fonti antropogeniche e naturali. Effetti sulla salute umana. Arsenico nelle acque telluriche e sua rimozione. Composti organici dell'arsenico. Arsine. Arsenico, il veleno per eccellenza. Farmaci a base di arsenico.
4.2 Pesticidi
- Cenni di tossicologia. Indici tossicologici. Relazione dose/risposta. Bioaccumulazione: bioconcentrazione e biomagnificazione. Valutazione del rischio.
- Classificazione dei pesticidi.
- Insetticidi organoclorurati. La sporca dozzina. Il DDT: storia, sintesi, problematiche ambientali, DDT in Italia.
- Insetticidi organofosforici: tipo A, B e C. Meccanismo d'azione e antidoti. Degradazione ambientale. Il lato oscuro degli organofosforici: i gas nervini.
- Insetticidi carbammati.
- Insetticidi naturali: piretrine, piretroidi e rotenone.
- Erbicidi. L'Atrazina e i clorotriazinici. Meccanismo d'azione, rischi ecologici e sanitari.
- Erbicidi: cloroacetammidi, fenossiacetici e glifosato.
- Degradazione e diffusione ambientale dei pesticidi: la fugacità.
- Lotta integrata: IPM: Integrated Pest Management.
4.3 Altri inquinanti organici.
- Policlorodibenzodiossine (PCDD), policlorobifenili (PCB) e policlorodibenzofurani (PCDF). Chimica, usi, fonti e distribuzione ambientale. Effetti sulla salute, modelli di tossicità: la scala TEQ (Toxicity Equivalency Quotient). Contaminazioni alimentari da diossina. Inquinamento ambientale da diossine: Seveso, Love Canal e Times Beach.
- Idrocarburi Policiclici Aromatici Condensati (IPA): fonti, distribuzione in aria e in acqua. Formazione degli IPA. Cancerogenicità e fonti di esposizione.
- Interferenti endocrini. Meccanismo d'azione. Alchilfenoli, bisfenolo-A, genisteina, ftalati. Effetti su animali ed effetti sull'uomo.
- Ritardanti di fiamma per polimeri. Meccanismi d'azione e combustione dei polimeri. Polibromodifenileteri (PBDE), tetrabromobisfenolo-A e esabromociclododecano (HBCD).
- Acidi ed alcoli perfluorurati.

5. Rifiuti e suolo:
- Rifiuti domestici: componenti e smaltimento.
- Le discariche e gli inceneritori. Meccanismi di decomposizione e problematiche ambientali.
- Riduzione e riciclaggio dei rifiuti domestici: vetro, carta, alluminio, metalli, materiale organico, materie plastiche. Rifiuti pericolosi.
- Suolo e sedimenti.
- Chimica del suolo: acidità e salinità.
- Sedimenti: serbatoi di inquinanti.
- Bonifica, biorisanamento, fitorisanamento del suolo e dei sedimenti.
Prerequisiti
- Concetti fondamentali di chimica generale e stechiometria
- Concetti fondamentali di chimica organica
Gli esami di Chimica Generale e Chimica Organica sono propedeuticità obbligatorie.
Metodi didattici
- Lezioni frontali in aula con esempi e esercizi.
- Visite didattiche (ad esempio: centrale dell'acquedotto, depuratore, etc...).
Materiale di riferimento
Libri di testo:
- Colin Baird - Michael Cann, "Chimica ambientale", 3° ed. Italiana, ZANICHELLI
- Manahan, "Chimica dell'ambiente", PICCIN (consultazione)

Materiale digitale:
Sito Ariel dei docenti con: slide delle lezioni, articoli di approfondimento, video, temi d'esame.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L' esame è una prova scritta da sostenere in due ore e verte su tutti gli argomenti del programma. E' articolato in 25 quesiti di cui venti a risposta multipla (4 opzioni, una sola esatta), e quattro a risposta aperta (esercizi o domande testuali).
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 0
CHIM/12 - CHIMICA DELL'AMBIENTE E DEI BENI CULTURALI - CFU: 0
Lezioni: 64 ore
Siti didattici
Docente/i
Ricevimento:
su appuntamento
DiSFarm - Sezione di Chimica Generale e Organica "A. Marchesini", via Venezian, 21 - Edificio 5, corpo A, 2° piano, stanza 2044
Ricevimento:
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Via Venezian, 21 terzo piano