LCA comparativa di processi di tintura di fibre tessili 1. Introduzione

LCA comparativa di processi di tintura di fibre tessili
Maria Laura Parisi, Daniele Spinelli, Rebecca Pogni, Riccardo Basosi
Gruppo di LCA-ENE.R.G.R.E.EN.S., Dipartimento di Biotecnologie, Chimica e
Farmacia, Università di Siena
[email protected]
Abstract
La filiera della produzione e lavorazione dei prodotti tessili rappresenta un settore importante e
strategico per l'economia di varie regioni dell'Unione Europea. I processi coinvolti in questa
catena manifatturiera sono numerosi ed eterogenei e presentano impatti sulla salute umana e
sull'ambiente che non possono essere trascurati. La ricerca e l'innovazione nel campo dell'ecoefficienza per questo settore ha ricevuto notevoli impulsi negli utlimi anni. Questo studio di
Analisi del Ciclo di Vita riguarda la valutazione ambientale di tecnologie innovative per la tintura
di tessuti che, applicate sinergicamente, hanno come obiettivo l'ottimizzazione ecologica
dell’intero processo di tintura, dalle materie prime al prodotto finito, con particolare attenzione al
risparmio energetico, alla riduzione nell’uso delle risorse idriche e di prodotti chimici.
1. Introduzione
L'industria tessile e dell'abbigliamento è un settore vario ed eterogeneo che
interessa un numero notevole di attività, dalla produzione delle materie prime
attraverso la loro trasformazione in filati e tessuti, alla produzione di un'ampia
gamma di prodotti e macchinari per il pre-trattamento, la tintura e il finissaggio,
fino al confezionamento dei prodotti finiti. Il settore costituisce una parte
importante dell'industria manifatturiera europea e ricopre un ruolo cruciale
nell'economia e nel benessere sociale di numerose regioni dei 27 Paesi dell'UE
(fonte: Eurostat).
Molti dei processi coinvolti nella produzione di prodotti tessili sono pericolosi per
la salute umana e non sostenibili da un punto di vista ambientale: in questo
contesto la produzione di coloranti e le operazioni di tintura sono tra le fasi a più
alto impatto ambientale della filiera a causa della bassa resa di processo e della
grande quantità di energia, acqua e prodotti chimici coinvolti.
Il volume di produzione di questo settore e la portata delle questioni ambientali
legate a questa industria sono state oggetto di interesse di legislazioni e
direttive europee (COM 88, 2001; Direttiva 2002/61/CE; Direttiva 2008/1/EC;
Direttiva 2008/98/EC) e di ricerca scientifica (Di Gregorio et al. 2010; Ciullini et
al. 2012).
La complessità della filiera del tessile richiede una profonda e dettagliata analisi
per la valutazione del contributo potenziale dei vari processi ai temi ambientali
come il riscaldamento globale, il consumo di risorse materiali e di energia. Per
questo l’analisi del ciclo di vita (LCA) può fornire un valido supporto per
evidenziare le criticità dei processi industriali attualmente impiegati (Nieminen,
2003; Steinberger et al., 2009; Tobler, 2001; Yuan et al., 2013) e le opportunità
1
di miglioramento delle varie soluzioni tecnologiche proposte in un'ottica di ecoinnovazione e eco-efficienza in questo settore (Nieminen et al., 2006)
1.1. Processi innovativi per la filiera di nobilitazione dei tessuti
L’attività di ricerca e sviluppo nel settore tessile ha goduto di notevoli impulsi e
investimenti negli ultimi anni ed ha contribuito alla messa a punto di tecnologie
e metodi per l’ottimizzazione dei processi produttivi. Nel 2003, secondo la
Direttiva IPPC, la Commissione Europea ha pubblicato il documento di
riferimento che stabilisce le linee guida per armonizzare le procedure per le
autorizzazioni ambientali integrate per gli impianti nel settore tessile, in cui
vengono individuate le migliori tecnologie disponibili con particolare riferimento
ai trattamenti di nobilitazione e finitura dei tessuti (BREF for Textile Industry,
2003).
Tra le tecnologie emergenti annoverate, esiste un’ampia sezione dedicata ai
metodi per la fase di pre-trattamento e di tintura che insieme costituiscono una
parte importante e cruciale della filiera di produzione del tessile. Tra questi,
alcune alternative sono state ottimizzate negli ultimi anni e sono arrivate ad un
livello di maturità tale da poter essere introdotte nel mercato attraverso iniziative
che ne consentano lo scale-up a livello industriale. In particolare, i processi
considerati nell’analisi qui presentata sono:
•Sintesi di bio-coloranti. La diffusione della classe di coloranti azoici è dovuta
alla relativa semplicità della sintesi che, procedendo attaverso una diazotazione
seguita da una reazione di copulazione azoica, è in grado di produrre
virtualmente un infinito numero di composti a partire dalla grande varietà di
composti diazotati disponibili e di molecole per la reazione di copulazione.
Questi due step di sintesi, d’altra parte, presentano tutta una serie di gravi rischi
per la salute umana (effetti tossici, mutageni e cancerogeni) e per l’ambiente
(emissioni in acqua e nel suolo, effetti tossici per flora e fauna) e per questo
motivo si è sviluppato un crescente interesse per processi alternativi di
formazione del legame azoico sia per i coloranti esistenti che per composti di
nuova generazione a partire da reazioni più a basso costo, meno pericolose e
più ambientalmente compatibili. Tra questi processi innovativi, sono state
studiate tecnologie che impiegano le laccasi, degli eccellenti enzimi ossidativi
per composti aromatici sostituiti con gruppi elettrondonatori (difenoli, polifenoli,
etc.). Queste semplici molecole possono servire come precursori per la
produzione, catalizzata da enzimi, di coloranti azoici in soluzione acquosa a
temperatura ambiente e in assenza di additivi. L’analisi qui presentata si basa
sui risultati ottenuti da un progetto europeo (SOPHIED 2004) focalizzato
sull’uso delle laccasi fungine (Enaud et al., 2010; Forte et al., 2010; Pogni et al.,
2010) per creare coloranti azoici e fenossazinici attraverso accoppiamento
enzimatico e l'uso di strategie originali, più sicure ed eco-compatibili. Attraverso
l’impiego di un bioreattore realizzato appositamente per questa ricerca, è in
corso l’ottimizzazione della sintesi su scala industriale di alcuni dei composti
progettati.
2
•Pre-trattamento del tessuto. I processi di preparazione delle fibre prima della
tintura possono essere eseguiti in vari modi e con diversi prodotti chimici. La
scelta è spesso basata sulle dimensioni del processo e le tecniche in continuo
risultano essere quelle più efficienti su larga scala. In questa fase è
fondamentale l’uso di alcali, acidi o ipoclorito e ciò determina un’elevata
presenza di residui nei flussi di scarico che necessitano quindi di operazione di
neutralizzazione e abbattimento. Un processo innovativo che consente di
evitare l’uso di questi additivi è la tecnologia al plasma che impiega gas a
pressione atmosferica (aria, O2, Ar2, N2, He2) in continuo per conferire varie
funzionalità alla superficie dei tessuti ed aumentare la colorabilità degli stessi a
ridotto impatto ambientale.
•Sintesi di nuovi ausiliari. Al variare della natura della fibra tessile, possono
essere presenti vari ausiliari nel bagno di tintura. Questi appartengono a varie
categorie di composti chimici inorganici ed organici: alcuni sono consumati
stechiometricamente durante il processo mentre altri persistono nella soluzione
di lavoro aumentando conseguentemente il carico ambientale dei reflui di
lavorazione. I formulati innovativi proposti nel contesto dello studio qui
analizzato sono degli etossilati alchilici a basso peso molecolare (amine
etossilate e derivati del pirrolidone) già studiati a livello di laboratorio, in grado di
aumentare l’efficienza del processo di tintura riducendo la quantità di composti
non aromatici necessari a parità di performance di processo. Nel caso di tinture
con coloranti acidi e reattivi, è stato dimostrato infatti che la quantità di
surfattanti necessaria può essere ridotta fino al 70% lavorando a temperature
inferiori con un risparmio conseguente di energia del 20% rispetto alle
condizioni standard di lavoro per il processo tradizionale.
• Ottimizzazione del processo di tintura: l’innovazione per l’aumento di
sostenibilità dei processi industriali tessili ha permesso di mettere a punto
tecniche e metodi caratterizzati da una riduzione della temperatura e dei tempi
di tintura grazie all’uso dei nuovi ausiliari in combinazione con i bio-coloranti.
1.2. Il progetto BISCOL
Una reale applicazione dei processi innovativi per la tintura di tessuti (fibre
naturali) è attualmente in fase di implementazione e di scale-up nel progetto
europeo BISCOL (BIoprocessing for Sustainable production of COLoured
textiles, website: http://www.biscol.unisi.it). Questo progetto, coordinato
dall'Università di Siena e che coinvolge altri 5 partner, muove dai successi
ottenuti dalla ricerca in materia di processi di tintura ecocompatibili svolta da
imprese, università e istituti di ricerca all’interno del precedente progetto
europeo SOPHIED. Lo scopo finale del progetto BISCOL è lo sviluppo e
l’applicazione su scala pilota di un nuovo processo di tintura del tessile basato
sull'ottimizzazione ecologica dell’intero processo di tintura dalle materie prime al
prodotto finito con particolare attenzione al risparmio energetico, alla riduzione
nell’uso delle risorse idriche e di prodotti chimici. Il progetto BISCOL afferisce al
Programma quadro per la competitività e l’innovazione (CIP) della
Commissione Europea che promuove il trasferimento tecnologico alle piccole e
medie imprese attraverso l’iniziativa Eco-Innovation. L'obiettivo mira
3
all'implementazione del nuovo processo di tintura per favorire l'evoluzione
concreta delle industrie chimiche tradizionali produttrici di colori verso imprese
ad alta tecnologia, più competitive, più innovative e sviluppatrici di processi
chimici sostenibili. All’interno del progetto è previsto un work-package
completamente dedicato alla valutazione LCA che, in maniera iterativa, ha
l’obiettivo di affiancare tutto il lavoro di sviluppo e up-scale del processo di
tintura per la determinazione delle criticità e degli impatti ambientali.
2. Caso Studio e Aspetti Metodologici
Il caso studio consiste nell'analisi del processo di tintura della lana a partire dai
dati primari forniti dai partner del consorzio BISCOL per le varie fasi della filiera
descritte nel paragrafo 1.1. I confini del sistema analizzato sono riportati in
Figura 1: si tratta di un'analisi di tipo gate-to-gate che inizia con il lavaggiopurgatura del tessuto in entrata e termina con l'asciugatura del tessuto stesso in
uscita. Nell'analisi è compresa la fase di produzione degli ausiliari e dei
coloranti. L'unità funzionale scelta è 1 kg di tessuto trattato, come già riportato
in letteratura (Yuan et al., 2012; Steimberg et al., 2009). I dati secondari sono
stati presi dal database Ecoinvent v 2.2 e da dati presenti nella letteratura
scientifica. I processi a monte e a valle della filiera di nobilitazione non sono
inclusi nel sistema perchè la produzione di fibre tessili e le operazioni di
finissaggio e confezionatura dei prodotti colorati in uscita dal sistema esulano
dal contesto di ricerca e di applicazione del progetto. Le operazioni di
depurazione delle acque reflue sono state modellizzate sulla base delle
informazioni fornite dai partner.
INPUT
(1 kg WOLLEN FABRIC)
Raw materials
Energy
LAVAGGIO PURGATURA
Emissions
Raw materials
Energy
PRE‐
TRATTAMENTO
Emissions
TINTURA
Emissions
Raw materials
Energy
LAVAGGIO
Emissions
Energy
Heat
SPREMITURA &
ASCIUGATURA
Emissions
Raw materials
Energy
Heat (vapour)
PRODUZIONE AUSILIARI
SINTESI COLORANTI
Transport
Transport
OUTPUT
(1 kg WOLLEN COLOURED FABRIC)
Figura 1: Confini del sistema analizzato per il processo di tintura di 1 kg di tessuto di lana
4
Il mix energetico considerato è quello europeo e i trasporti sono stati calcolati
sulla base delle distanze reali tra le rispettive sedi dei partner coinvolti.
Essendo il progetto BISCOL ancora in fase di svolgimento, ci si aspetta che i
risultati preliminari ottenuti sin qui possano subire lievi variazioni, ma già a
questo livello di analisi risultano evidenti le migliori performance ambientali del
processo proposto.
Il software utilizzato per l'analisi è il Simapro 3.3. La valutazione e il confronto
degli impatti sono stati condotti sulla base di tre principali categorie: global
warming potential (GWP) per gli impatti atmosferici, abiotic depletion (AD) per il
consumo di risorse e water depletion (WD) per i consumi di acqua. Inoltre, per
una valutazione dell'energia primaria necessaria per i due processi, abbiamo
messo a confronto i valori dell'indicatore calcolato col metodo CED (Cumulative
Energy Demand).
3. Risultati e discussione
Come si vede nei grafici riportati in Figura 2, il peso energetico del processo
BISCOL presenta un valore assoluto che è circa la metà rispetto al processo
convenzionale. Questo risultato è dovuto al risparmio in termini di energia
primaria ottenuto con il pre-trattamento al plasma, che necessita di tempi di
operazione inferiori, e alle formulazioni innovative degli agenti additivanti che
permettono di lavorare a temperature più basse nella fase di tintura.
Quest'ultima contribuisce maggiormente al valore dell'indicatore nel caso del
processo BISCOL perchè comprende il processo di bio-sintesi del colorante che
a questo livello non ha ancora raggiunto le rese ottimali attese e permette la
produzione di quantità limitate di colorante. L'ulteriore recente implementazione
del bio-reattore nell'ultima fase del progetto ha fornito risultati molto
incoraggianti in questo senso.
Processo Biscol
Processo Convenzionale
lavaggio purga
51%
121 MJ
45%
pre‐trattamento 1%
1%
2%
90%
58 MJ
3%
tintura 3%
3%
1%
lavaggio purga
spremitura e asciugatura
trasporto
Figura 2: CED del processo relativo alla tintura di 1 kg di tessuto di lana con processo
convenzionale e con processo BISCOL
I potenziali benefici ambientali ottenibili con il processo BISCOL su scala
industriale sono evidenti anche in termini di GWP come mostrato in Figura 3.
La sostituzione dei metodi classici di sintesi e delle operazioni di pre-
5
trattamento a secco e l'impiego di tecnologie di tintura in condizioni di lavoro
più favorevoli (temperature più basse e tempi minori di processo) permettono
di dimezzare il contributo a questo indicatore.
6,91
GWP (kg CO2 eq)
3,40
0
2
4
Processo Convenzionale
6
8
Processo Biscol
Figura 3: GWP100 del processo relativo alla tintura di 1 kg di tessuto di lana con processo
convenzionale e con processo BISCOL
Lo stesso andamento si riscontra per il consumo di acqua, che è un tema
cruciale per la filiera dei processi di lavorazione delle fibre tessili. La
sostituzione di trattamenti a umido con trattamenti a secco e la sintesi
enzimatica di biocoloranti, che permette il riutilizzo dell'acqua per più cicli
produttivi all'interno del bio-reattore, consentono un risparmio notevole come
mostrato in Figura 4. Gli stessi processi, che richiedono minori quantità di
reattivi a parità di qualità del prodotto, consentono anche un risparmio di
risorse primarie che fa diminuire il consumo di materia abiotica per unità di
prodotto.
5,49E‐02
AD (kg Sb eq)
2,69E‐02
1,26E‐01
WD (m3)
6,59E‐02
0,00
0,04
Processo Convenzionale
0,08
0,12
0,16
Processo Biscol
Figura 4: Indicatori relativi alle categorie di impatto Abiotic Depletion e Water Depletion per il
processo di tintura di 1 kg di tessuto di lana con processo convenzionale e con processo
BISCOL
4. Conclusioni
Lo studio presentato in questo lavoro mette in evidenza come l'LCA possa
fornire un valido supporto per la valutazione delle possibili conseguenze
sull'ambiente e sulla salute umana associate alle diverse scelte tecnologiche
nel settore del tessile. L'analisi si è basata sul confronto tra il processo
convenzionale di tintura del tessile e un processo innovativo, sviluppato e
implementato su scala pilota all'interno del Progetto BISCOL, basato
sull'ottimizzazione ecologica dell’intero processo di tintura, dalle materie prime
6
al prodotto finito, attraverso un metodo di pre-trattamento al plasma, la sintesi
di coloranti per via enzimatica e la produzione di ausiliari a basso peso
molecolare in grado di aumentare la colorabilità delle fibre.
I risultati calcolati per alcune categorie di impatto mostrano che l'integrazione di
queste tecnologie innovative porta ad un aumento dell'efficienza dei processi
tintoriali con la conseguente riduzione del consumo di acqua ed energia di circa
il 50% per unità di prodotto. Inoltre, a parità di qualità del prodotto, si ottengono
evidenti benefici per il consumo di risorse primarie grazie alla minore quantità di
composti e additivi necessari per il completamento del processo.
L'analisi mette in rilievo l'utilità della metodologia LCA in fase di progettazione di
processo (eco-progettazione) ed il ruolo fondamentale che riveste per tracciare
una mappa del profilo ambientale, e quindi delle opportunità di ottimizzazione di
tecnologie innovative nell'ottica di un miglioramento della competitività e del
potenziale di crescita del settore tessile.
La collaborazione tra i partner del consorzio che ha reso possibile l'accesso a
dati primari e specifici per le tecnologie analizzate e, quindi, la realizzazione di
questo studio preliminare, sarà auspicabilmente utile per l'ampliamento della
banca dati di LCA nel settore dei prodotti e dei processi innovativi per il tessile.
5. Ringraziamenti
Lo studio si è svolto nell'ambito del Progetto BISCOL “Bioprocessing for
Sustainable production of COLoured textiles”, Eco/09/2561612
6. Bibliografia
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