Riassunto analitico
L'industria sta rapidamente sviluppando nanoparticelle ingegnerizzate (ENPs) che vengono applicate in una ampia gamma di prodotti industriali. Le ENPs, grazie alle loro uniche proprietà fisiche e chimiche e alle piccole dimensioni (che approssimativamente variano da 1 a 100 nm), acquisiscono nuove proprietà rispetto a quelle possedute dai corrispondenti materiali tradizionali (bulk), quali autopulenza, antibattericità, anti-appannamento, leggerezza, resistenza meccanica, durevolezza. Per questo, le ENPs sono state recentemente usate in moltissime applicazioni edili, ad esempio immettendole nelle materie prime che andranno a formare il materiale o applicando dei coatings di ENPs direttamente sui materiali da costruzione al fine di ottenere materiali come vetro, ceramica, vernici, smalti, cemento etc. con funzioni altamente superiori rispetto a quelli tradizionali. L’incontrollato aumento dell'utilizzo di ENPs sta però portando ad un inevitabile rilascio di questi materiali nell'ambiente; questo fa aumentare la necessità di valutare i rischi potenziali che questi nuovi materiali provocano per la salute umana e sull'ambiente. La metodologia LCA (Life Cycle Assessment) è stata riconosciuta come uno strumento essenziale per valutare le prestazioni ambientali dei nanoprodotti, infatti il rilascio di ENPs nell'ambiente può potenzialmente verificarsi durante tutto il loro ciclo di vita andando dalla loro fabbricazione, uso fino al trattamento di fasi di vita. Tuttavia, ad oggi non esistono indicatori per valutare i danni potenziali sulla salute umana e sull'ambiente generati dalle emissioni di nanoparticelle che possono avvenire durante tutte le fasi critiche del ciclo di vita di tali materiali. Pertanto, una chiara caratterizzazione tossicologica è un prerequisito per stabilire fattore di caratterizzazione affidabile (CFs) per la valutazione delle emissioni di nanoparticelle nella metodologia LCA. Uno degli scopi di questa tesi è quello di fornire un quadro metodologico per identificare CFs sulla salute umana e dimostrare la sua applicazione per una delle ENPs comunemente utilizzate nel settore delle costruzioni, vale a dire le nanoparticelle di biossido di titanio (nano-TiO2). Questi indicatori sono stati convalidati in quattro casi LCA studi di ecodesign di materiali da costruzione funzionalizzati con nano-TiO2, in particolare vetro float, resina poliurea, smalto ceramico, piastrella in gres porcellanato. Inoltre, è sono stati svolti studi LCA della produzione di nano-TiO2 effettuato tramite il processo di sintesi idrolitica bottom-up e il processo di sintesi top-down svolto tramite ultramacinazione. Infine, è stata valutata la performance ambientale dei materiali da costruzione funzionalizzati con nano-TiO2 ed incorporati in un edificio. Oggigiorno, i materiali da costruzione funzionalizzati con ENPs sono ampiamente usati sia nei nuovi edifici che nelle operazioni di restauro di edifici storici, poiché consentono la riduzione di molti punti critici che caratterizzano la fase d’uso che è fase del ciclo di vita di un edificio principalmente responsabile della carichi energetici ed ambientali. Per quanto concerne i processi di restauro di edifici storici, ad oggi, la valutazione della sostenibilità nel campo dei beni culturali non è ancora stata analizzata. In particolare gli aspetti sociali, culturali e storici non sono ancora stati presi in considerazione nella metodologia LCA. Al momento, non esistono neppure indicatori che permettono di modellare la sostenibilità sociale di edifici storici. Per questo motivo, un altro obiettivo di questa tesi è quello di colmare questa mancanza integrando gli aspetti sociali, culturali e storici in fase di LCIA (Life Cycle Assessment Impact) dell’analisi LCA. Infine, questa tesi si è concentrata sullo studio LCA di un processo di restauro di un edificio storico, considerando nella fase di LCIA sia gli indicatori di nanotossicità che quelli sociali, culturali e storici.
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Abstract
Industry is rapidly developing engineered nanoparticles (ENPs) that are applied in a more and more wide variety of consumer and industrial products. Thanks to the unique physical and chemical properties of nanoparticles it is possible to obtain innovative applications. Nanoparticles gain novel properties (self-cleaning, antibacterial, anti-fogging, lightness, mechanical strength, durability, fire resistance and etc.) compared to the corresponding bulk material, thanks to their small dimensions, which range approximately from 1 to 100 nm. Thereby, ENPs have been recently used in a wide number of construction uses, such as inclusion of or coating with specific nanoparticles into/of building materials in order to obtain glazing, ceramic, resin, paint, glaze, concrete etc. with additional and superior functions.
This uncontrolled growth of ENPs employment is leading to an inevitable release of these materials into the environment. This rises the necessity to assess the potential risks that these new materials provoke to human health and environment. Life Cycle Assessment (LCA) methodology has been recognized as a key tool for assessing the environmental performance of nanoproducts. Release of ENPs into the environment can potentially occur throughout their entire life cycle: from the ENPs manufacture to the use and end of life phases. However, there are currently no indicators to evaluate the potential damage on human health and on the environment generated by the nanoparticles emissions during all critical life cycle steps of these materials (e.g. nanoparticle application, installation, use and end of life). Therefore, a clear toxicological characterization is a prerequisite in order to establish trustworthy characterization factor (CFs) for the assessment of releases of nanoparticles in the LCA methodology. One of the aims of this thesis is to provide a methodological framework to identify human health CFs and to show its application for one of ENPs commonly used in construction field, namely titanium dioxide nanoparticles (nano-TiO2). These indicators have been validated on four LCA case studies of the ecodesign of building materials functionalized with nano-TiO2, in particular float glass, polyurea resin, ceramic glaze, porcelain stoneware tile. Furthermore, the LCA studies of the nano-TiO2 production have been performed. In particular a bottom-up hydrolytic synthesis of nano-TiO2 and a top-down synthesis by ultramilling. Finally, the environmental performance of these nano-TiO2 functionalized building materials embedded, during restoration process, into a historical building has been assessed. Nowadays, building materials functionalized with ENPs are largely used and installed in both new buildings and historical building restoration, since they enable reduction of many hot spots that characterize the life cycle phase of a building that is mainly responsible of the energy and environmental loads, namely the use phase. Regarding historical buildings, nowadays, the sustainability assessment in the cultural heritage field has not yet been investigated. In particular social, cultural and historical aspects are not still taken into account in the LCA studies. At the present, there are also no indicators which enable to model the social sustainability of historical buildings. For this reason, another goal of this thesis is to fill up this gap integrating social, cultural and historical aspects into the LCIA (Life Cycle Impact Assessment) phase. In this way it is possible to have an holistic view of all benefits and impacts generated by the restoration/retrofit activities of an historical building. The final purpose of this thesis is to assess using LCA methodology the environmental burdens of the restoration of an historical building considering both nanotoxicological, social, cultural and historical indicators.
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