I.T.I. “B. Focaccia” Via Monticelli, 1 – Salerno La sfida dell’ambiente per la chimica. Una sintesi Green del polistirene Olimpiadi della Scienza Premio Green Scuola VII edizione - a.s. 2011-2012 Terzo classificato Estratto per la Cerimonia di Premiazione Roma, 29 gennaio 2013 Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca   1

Sviluppo sostenibile: un concetto antico “Non abbiamo ereditato il mondo dai nostri padri, l’abbiamo preso in prestito dai nostri figli” Popolo Cherokee

Lo sviluppo sostenibile oggi La “sostenibilità” dello sviluppo è stata definita nel rapporto Brundtland (1987) delle Nazioni Unite come: ”Uno sviluppo in grado di soddisfare i bisogni della presente generazione senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri” In occasione della Conferenza di Rio de Janeiro (1992) su ambiente e sviluppo, la comunità internazionale ha riconosciuto, per la prima volta, la necessità di individuare azioni da avviare nella direzione dello sviluppo sostenibile.

Agenda 21 “Programma di azione", scaturito dalla Conferenza ONU di Rio de Janeiro (1992), che costituisce una sorta di manuale per lo sviluppo sostenibile del pianeta in vista del 21° secolo. Un piano da realizzare su scala globale, nazionale e locale.

Piani nazionali La realizzazione degli obiettivi previsti in Agenda 21 è stata recepita dai vari stati sottoscriventi attraverso piani nazionali, che prevedono interventi nei settori produttivi quali l’industria, l’agricoltura ed il turismo, nelle infrastrutture di base (energia e trasporti) e nel settore dei rifiuti.

Sostenibilità della ricerca scientifica Anche la scienza è stata chiamata a fare la sua parte, e ogni paese si è organizzato attraverso delle Piattaforme Tecnologiche Nazionali, che hanno il compito di predisporre un’agenda per la ricerca, pubblica e privata, che risponda a esigenze di sostenibilità. 6

Green Chemistry: un approccio etico allo sviluppo industriale La “Green Chemistry” è un nuovo approccio tecnologico nato negli USA nei primi anni ’90 che oggi costituisce, anche in Europa, uno strumento fondamentale per conseguire uno sviluppo sostenibile. Applica 12 principi innovativi (Anastas e Warner, 1998) nella progettazione di processi chimici industriali, puntando all’eliminazione o alla riduzione dell'uso e della produzione di sostanze nocive per l'ambiente o per la salute e al risparmio energetico.

Possibili applicazioni della Green Chemistry il miglioramento delle condizioni di reazione per vecchie sintesi (es. sostituzione di un solvente organico con acqua o eliminazione del solvente) nuove sintesi per materiali già noti (es. sintesi che usino biomasse anziché materiali di origine petrolchimica) sintesi di nuove sostanze meno tossiche ma con le stesse proprietà desiderabili di sostanze esistenti (es. un nuovo insetticida che sia tossico in maniera selettiva verso alcuni organismi e sia biodegradabile formando sostanze non pericolose per l' ambiente)

Sintesi in emulsione acquosa del polistirene atattico Sintesi in emulsione acquosa del polistirene atattico. Un’applicazione di Green Chemistry La polimerizzazione in emulsione acquosa dello stirene, che abbiamo realizzato in laboratorio, si configura come un esempio di applicazione della Green Chemistry, poiché comporta un miglioramento delle condizioni del processo di reazione, rispetto alle altre tecniche. L’impiego dell’acqua come solvente è solo uno degli aspetti green…… …..gli altri li valuteremo dopo una breve descrizione delle tecniche di polimerizzazione impiegate nei processi industriali.

Polistirene Il polistirene è un polimero di addizione ottenuto per polimerizzazione radicalica vinilica dello stirene. Polimerizzazione radicalica vinilica stirene polistirene

La polimerizzazione di addizione radicalica La reazione a catena avviene in tre stadi: 1) Stadio d’inizio 2) Stadio di propagazione 3) Stadio di terminazione La reazione necessita di un iniziatore radicalico (perossido o persolfato), che si decompone per dare origine a specie radicaliche che possono iniziare la catena.

Polimerizzazione in massa 1/2 Condotta in assenza di solventi. Il sistema di reazione è formato solo dal monomero e dall’iniziatore e l’iniziatore è solubile nel monomero XO. = iniziatore radicalico XO. stirene XO. XO. XO. XO. polistirene XO.

Polimerizzazione in massa 2/2 VANTAGGI Questa tecnica richiede il numero minimo di reagenti necessari per l’ottenimento del polimero, infatti non si usano solventi o mezzi disperdenti SVANTAGGI Durante la crescita della catena il monomero viene inglobato fisicamente nel polimero e non può più reagire (bassa resa) Prima della lavorazione, il polimero ottenuto deve essere ulteriormente processato per allontanare il monomero che non ha reagito (purificazione) Viscosità elevata Reazione molto esotermica (problemi di scambio termico) Svantaggioso da un punto di vista economico Dannoso da un punto di vista dell’impatto ambientale ( lo stirene è tossico!) Polimero ramificato e di lunghezze diverse

Polimerizzazione in emulsione acquosa Si definisce emulsione una sospensione colloidale stabile formata da un liquido immiscibile, disperso e trattenuto in un altro liquido grazie ad emulsionanti o tensioattivi (saponi). Il sistema di reazione è formato da: Monomero Mezzo disperdente polare (acqua) Iniziatore (solubile in acqua e insolubile nel monomero) Tensioattivo VANTAGGI → viscosità ridotta; efficace controllo della temperatura; alta velocità di polimerizzazione e contemporaneamente alto grado di polimerizzazione SVANTAGGI → eliminazione del tensioattivo

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 1/5 In questa tecnica il tensioattivo dodecilbenzensolfonato di sodio viene aggiunto all’acqua, fino a raggiungere il valore della concentrazione micellare critica (CMC), cioè quel valore della concentrazione al di sopra della quale le molecole di sapone si aggregano formando micelle della dimensione di circa 10-100 Å. In questi aggregati, che possono avere forme diverse, le molecole di sapone espongono la testa polare verso l’acqua e la coda apolare verso il centro della micella.

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 2/5 Successivamente, si aggiunge lo stirene monomero, insolubile nel solvente di reazione, che andrà a sistemarsi all’interno delle micelle.

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 3/5 80°C 2 80°C L’iniziatore radicalico persolfato di potassio può così essere aggiunto al sistema di reazione, che viene riscaldato fino a 80°C per determinare la scissione omolitica del legame perossidico e la formazione dei radicali iniziatori di catena

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 4/5 L'iniziatore è insolubile nel monomero e quindi ha una bassissima probabilità di entrare nella micella. Questa probabilità è bassa ma non nulla! La reazione di inizio, e quindi la reazione di polimerizzazione, parte nel momento in cui una molecola di iniziatore migra all'interno di una micella e reagisce con una molecola di monomero. In media si ha un radicale polimerico per micella (una catena in crescita per ogni micella) e proprio per questo motivo la reazione di terminazione per accoppiamento tra catene radicaliche è sfavorita, come le altre. 80°C

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 5/5 VANTAGGI Il monomero nel nano-reattore non ha “concorrenti”, la reazione terminerà in ogni micella quando tutto il monomero contenuto avrà reagito (resa prossima al 100%!). Data la dimensione delle micelle e la presenza, in media, di un’unica catena polimerica per micella, il polimero ottenuto risulta molto omogeneo e può essere processato (stampato, colorato…) senza ulteriori purificazioni o trattamenti.

Perché la polimerizzazione dello stirene in emulsione rientra nei “principi” della Green Chemistry? E’ una polimerizzazione in acqua Il reagente più inquinante, lo stirene, viene completamente trasformato in polimero e non è quindi presente nei prodotti di scarto Il polimero, così come ottenuto, non deve essere ulteriormente processato ma può essere trasformato direttamente nel prodotto finale (piatti, contenitori, oggetti vari…).

Prodotto di reazione Il polimero ottenuto mediante polimerizzazione in emulsione ha un aspetto cristallino, bianco e granulare Il polimero ottenuto mediante polimerizzazione in massa si presenta come un aggregato solido Campione fornito dalla dott.ssa Lucia Caporaso dell’Università di Salerno 21

Caratterizzazione prodotto di reazione

Sintetizziamo il polistirene!!!! ……In Laboratorio….. 23