proprietà chimiche e fisiche dei materiali

Rifiuti
LABORATORIO DI CHIMICA
La produzione di rifiuti rappresenta un grande
problema su tutto il pianeta ma è necessario
domandarsi:
Che cos’è il rifiuto?
Erroneamente consideriamo rifiuto tutto ciò che non
ci serve più e di cui vogliamo disfarci. Ma l'elemento
distintivo fra un rifiuto e qualcosa che non lo è, non
può risiedere nella qualità della cosa, né in
caratteristiche oggettive, come ad esempio aver
cessato di svolgere la sua funzione originaria. Spesso
ciò che è rifiuto per un'attività umana può essere
risorsa per un'altra attività (es: un vestito di alta moda
portato una volta può essere un rifiuto per una attrice
famosa, ma l' "abito della festa" per un'altra persona).
GAIALAB:INCONTRIAMO L’AMBIENTE IN LABORATORIO
Il lavoro che vi proponiamo non è una trattazione sul
riciclaggio, ma alcune osservazioni sulle proprietà
chimiche e fisiche di alcuni
materiali che
rappresentano una quota, percentualmente elevata,
dell’attività di riciclaggio. Corre l’obbligo comunque di
dire cos’è il riciclaggio e come questo dipenda da una
efficace raccolta differenziata.
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Ricicliamo i materiali: osservazioni delle
proprietà chimiche e fisiche dei materiali
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Rifiuti
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La raccolta differenziata, il riciclaggio e il riuso sono
facili accorgimenti che si possono adottare
comodamente nella vita di tutti i giorni; sono i
metodi più praticati per ridurre rifiuti alla fonte e a
destinazione finale
Per fare chiarezza sui termini utilizzati, e talvolta
usati con lo stesso significato nel linguaggio comune,
diamo le seguenti definizioni:
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La produzione di una grande quantità di rifiuti
rappresenta da tempo un grande problema su tutto il
pianeta:da un lato è la spia di procedimenti industriali
e commerciali che impiegano una quantità eccessiva
di risorse rispetto al prodotto finale; dall'altro fa si che
lo smaltimento dei rifiuti impieghi territorio e risorse
con discariche ed inceneritori.
Contenitori per la
raccolta differenziata
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Rifiuti
Riutilizzo La definizione riportata sul vocabolario
Zingarelli della lingua italiana, con riutilizzare
intende: "utilizzare di nuovo cose già usate
destinandole ad usi anche diversi dal primitivo
(esempio: un giornale vecchio per incartare).
E' evidente che il riutilizzo allunga il ciclo di vita dei
beni in accordo con un uso più sostenibile delle
risorse diminuisce il flusso dei rifiuti destinati a
smaltimento finale rimettendo sul mercato un bene
già usato (che altrimenti finirebbe in discarica) e
riduce il consumo di materie prime per la produzione
di un bene nuovo.
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Riciclaggio Il riciclaggio consiste nel recupero di
materiali di scarto o di rifiuto riutilizzabili in un
nuovo ciclo produttivo e avviene dopo un processo
di differenziazione dei rifiuti, si osserva quindi che il
materiale utilizzato è considerato rifiuto da chi se
ne disfa.
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Raccolta differenziata La raccolta differenziata
consiste nel dividere elementi, molto diversi tra di
loro (per esempio la carta, dalle lattine e dal vetro,
dai rifiuti organici), cosicché al momento dello
smaltimento finale, i rifiuti siano pronti, alcuni ad
essere smaltiti, altri ad essere recuperati attraverso
il riciclaggio.
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Rifiuti
L’alluminio
bauxite
Materiali d’alluminio
Usi dell’alluminio
E’ leggero e può essere facilmente estruso in fili o
arrotolato, pressato o plasmato. L’alluminio puro è
tenero e fragile ma diventa molto più resistente
quando vengono fatte delle leghe con altri metalli
quali rame, magnesio, silicio, manganese ecc..
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L’alluminio è il metallo più abbondante sulla crosta
terrestre (8.3% in peso) ed è il terzo elemento più
abbondante dopo ossigeno e silicio. Non si trova
libero in natura ma il minerale più importante dal
punto di vista commerciale è la bauxite Al2O3∙xH2O
(x = 1÷3) un ossido idrato da
cui si estrae
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Passiamo adesso in rassegna alcuni materiali di
primaria importanza per il riciclo.
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Rifiuti
Il riciclaggio dell'alluminio permette di risparmiare il
95% dell'energia richiesta. Per ricavare dalla bauxite 1
Kg d'alluminio sono necessari 14Kwh, invece per
ricavare 1 Kg d'alluminio nuovo da quello usato
servono 0.7Kwh. L'alluminio ottenuto per mezzo del
riciclaggio è chiamato alluminio "secondario" questa è
l'unica differenza che lo distingue da quello “primario".
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Possiede caratteristiche ottimali per il riciclaggio
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Ci sono molti usi dell’alluminio e delle sue leghe:
Come metalli strutturali per aerei, navi, automobili e
scambiatori di calore.
Negli edifici (porte, finestre ecc.).
Contenitori come lattine per bibite, tubi per
dentifrici, fogli di alluminio.
Utensili da cucina.
Cavi elettrici: l’alluminio puro conduce per unità di
volume circa due terzi della corrente elettrica
condotta dal rame, ma esso ha soltanto un terzo
della densità del rame (Al, 2.70 g/cm3; Cu, 8.92
g/cm3).
Alluminio in polvere finemente suddiviso viene usato
nella preparazione delle vernici.
Il solfato di alluminio Al2(SO4)3 viene usato come
coagulante e precipitante nel trattare l’acqua
potabile e i liquami.
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Rifiuti
della produzione mondiale d'alluminio proviene da
metallo recuperato.
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Dall'alluminio
usato se ne
può ricavare
sempre
di
nuovo senza
dover
ricorrere
all'estrazione
di
materia
prima. Oggi
circa il 30%
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Il riciclaggio dell'alluminio in Italia è un'attività
molto importante, e pensare che non abbiamo
importanti miniere di bauxite, e che l'energia
elettrica da noi è la più cara in Europa. L'Italia, in
Europa, è dopo la Germania, la maggior produttrice
d'alluminio secondario. Pensate che la produzione
italiana d'alluminio secondario è vicino alle 400.000
t/anno, mentre quella d'alluminio primario supera
di poco 200.000 t/anno. Il riciclaggio dell'alluminio è
necessario; infatti esso non comporta solo dei
vantaggi per i consumatori, i comuni e l'industria,
ma, riducendo l'estrazione della bauxite, è anche un
prezioso contributo alla salvaguardia dell'ambiente.
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Rifiuti
Proprietà chimiche dell’alluminio
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L’alluminio ha una grande affinità con l’ossigeno:
dovrebbe quindi reagire violentemente con H2O sia
in ambiente acido che basico, sviluppando idrogeno.
In pratica questo non avviene a causa del fenomeno
della passivazione: il metallo si ricopre di un
sottilissimo strato di ossido di alluminio che lo
protegge dagli ossidanti. Per accelerare l’ossidazione
si deve allora scaldare.
L’alluminio e l’idrossido di sodio
di alcuni stura-lavandini non
reagiscono sino a quando sono
conservati in forma solida
l’aggiunta d’acqua scioglie NaOH
che inizia ad agire sul grasso
rimasto
bloccato.
Contestualmente, NaOH ed Al
reagiscono producendo H2
gassoso; la turbolenza risultante
Reazione tra
idrossido di sodio e
favorisce la rimozione di
alluminio
eventuali ostruzioni. Riesci a
immaginare per quale motivo il
contenitore deve essere tenuto
ermeticamente chiuso?
2Al(s) + 2NaOH + 6H2O → 2NaAl(OH)4 + 3H2(g)
alluminato di sodio
con acidi
2Al(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl3(aq) + 3H2(g)
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Rifiuti
Possibili reazioni di precipitazione
di alcuni metalli
Il reattivo precipitante è la soluzione di
tampone ammoniacale a pH 9
Fe2+ +OH-
Fe(OH)2 Blu
Fe3+ +OH-
Fe(OH)3 Ruggine
Al3+ +OH-
Al(OH)3 Bianco
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I metalli sono anche in soluzione
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L’allumino è un forte agente riducente, ma, quando
viene a contatto con l’aria, forma una sottile pellicola
(10-4 ÷ 10-6 mm), molto dura e trasparente di Al2O3
che aderendo fortemente alla superficie metallica lo
protegge da una ulteriore ossidazione.
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Rifiuti
Termoplastiche:
sono
dette
termoplastiche un
gruppo di materie
plastiche
che
acquistano
malleabilità,
cioè
rammolliscono,
sotto l'azione del
calore.
In questa fase possono essere modellate o formate
in oggetti finiti e quindi per raffreddamento tornano
ad essere rigide. Questo processo, teoricamente,
può essere ripetuto più volte in base alle qualità
delle diverse materie plastiche.
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Tra i materiali quantitativamente più importanti per il
riciclaggio certamente un posto di rilievo l’occupano le
materie plastiche. Diamo una definizione di materia
plastica e passiamo in rassegna quali sono le più adatte
al riciclo.
Sono dette materie plastiche quei materiali artificiali
con struttura macromolecolare che in determinate
condizioni di temperatura e pressione subiscono
variazioni permanenti di forma. Si dividono in
termoplastici, termoindurenti ed elastomeri.
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Plastiche termoplastiche e
termoindurenti
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Rifiuti
PET: polietilentereftalato- le sue caratteristiche sono
delle elevate proprietà meccaniche, una buona
tenacità, una buona resistenza termica e chimica ed
un'ottima trasparenza e brillantezza, sono numerosi i
settori di applicazione di questo polimero,nel settore
imballaggio viene utilizzato per la produzione di
bottiglie per acqua e bibite,
flaconi per detergenza domesti
ca, vassoi e blister termoformati, film di supporto per termoaccoppiati, in altri settori viene utilizzato per la produzione di fibre
(per abbigliamento, arredamento, imbottiture,
cordami, uso geotessile, ecc., film per effetti decorativi
e arti grafiche; lastre fotografiche e radiografiche;
nastri audio e video. Riciclabile
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Principali materie plastiche riciclabili
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Termoindurenti: sono un gruppo di materie plastiche
che, dopo una fase iniziale di rammollimento dovute
al riscaldamento,induriscono per effetto di
reticolazione tridimensionale.
Nella fase di rammollimento per effetto combinato di
calore e pressione risultano formabili. Se questi
materiali vengono riscaldati dopo l'indurimento non
ritornano più a rammollire, ma si decompongono
carbonizzandosi.
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Rifiuti
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PVC: polivinilcloruro- le sue caratteristiche sono una
buona resistenza meccanica e chimica ed un'elevata
impermeabilità al vapore acqueo sono numerosi i
settori di applicazione di questo polimero, nel
settore imballaggio viene utilizzato per la produzione
di bottiglie e flaconi (costituisce circa il 6% della
produzione di bottiglie per acque minerali non
gasate), di blister termoformati e film flessibili, in
altri settori viene utilizzato per la produzione di tubi,
telai di finestre, tapparelle, guaine per cavi elettrici,
finte pelli, giocattoli, parti di automobili e accessori
biomedicali.
Attualmente questo tipo di polimero non è più
ammesso per la produzione di contenitori per
alimenti, conseguentemente esaurite le scorte non
sarà più considerato. Riciclabile
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Rifiuti
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PS: polistirene- le sue caratteristiche sono una
elevata rigidità e trasparenza, una buona resistenza
all'urto, leggerezza ed è un buon isolamento termico
ed acustico, sono numerosi i settori di applicazione
di questo polimero, nel settore imballaggio viene
utilizzato per la fabbricazione di scatole trasparenti,
flaconi per medicinali e cosmetica, vaschette per
yogurt e formaggi molli, imballaggi per alimenti
(vaschette) ed industriali
(protezione interna) , in
altri settori viene utilizzato per la produzione
di mobili, piatti e bicchie
ri monouso, pannelli iso
lanti e giocattoli.
Riciclabile
PP: polipropilene- le sue
caratteristiche sono delle
buone
proprietà
meccaniche, una buona
resistenza chimica ed una
elevata impermeabilità al
vapore acqueo, sono numerosi i settori di
applicazione di questo polimero, nel settore
imballaggio viene utilizzato nella produzione di
flaconi per detergenza e cosmetica, cassette, film
orientati in sostituzione del cellophane, sacchi
industriali, in altri settori viene utilizzato per la
produzione di mobili da giardino, fibre (corde e
sacchi), articoli casalinghi, batterie e paraurti auto.
Riciclabile
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Rifiuti
I prodotti ricavabili dalle plastiche riciclate
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Il PE riciclato viene reimpiegato per la realizzazione di
nuovi contenitori per detergenti oppure, tappi, film per
sacchi della spazzatura, pellicole per imballaggi,
casalinghi e manufatti per l'industria.
Dalla plastica riciclata si può ottenere anche energia: ad
esempio con una bottiglia di acqua minerale da 1,5 litri
di può tenere accesa una lampadina da 60 W per circa
un'ora
I diversi tipi di plastica possono essere lavorati insieme
diventando plastica riciclata eterogenea con cui si
possono realizzare sedie e panchine, parchi giochi,
recinzioni, cartellonistica stradale, arredi urbani e
contenitori per rifiuti, lampioni, cabine da spiaggia ecc.
questi oggetti hanno però un minor pregio a livello
economico.
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Riciclando materiali in PET si possono ottenere filati per
imbottitura, maglioni, "pile", moquette, interni per
auto, blister oppure nuovi imballaggi.
Il PVC riciclato viene utilizzato soprattutto nel settore
edile per la produzione di tubi, scarichi per l'acqua
piovana, raccordi e passacavi.
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Rifiuti
Preparazione del nylon 6-6
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Reazione chimica della preparazione del nylon6-6
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PA - Poliammide (Nylon): Una fra le prime plastiche
scoperte. Resistente all'usura e non infiammabile.
Usi: Ingranaggi, apparecchi radiotelevisivi,
abbigliamento.
In laboratorio è possibile sintetizzare il nylon
attraverso questa reazione:
Sintesi del nylon6-6 in laboratorio
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Rifiuti
La bioplastica
Il tempo di decomposizione è di qualche mese in
compostaggio contro i 1000 richiesti dalle materie
plastiche. Le plastiche bio attualmente sul mercato
sono composte di amidi o loro derivati e, oltre ad
essere organici col vantaggio della biodegradabiità,
hanno il pregio di non rendere sterile il terreno sul
quale vengono depositati. Ciò consente di ricavare
concime fertilizzante dai contenitori bio e di
impiegarli in pellicole per l'agricoltura e per le
serre. Ad oggi tali tessuti sintetici sono
prevalentemente in polietilene, difficilmente
riciclabili quando si considera che sulla superficie
interna delle serre (o esterna se vengono utilizzati
per coprire terreni) si accumulano diserbanti e
fertilizzanti che devono essere ripuliti ed eliminati.
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Pannocchie di mais da
cui si può produrre
bioplastica
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Recentemente sono apparse sul mercato le
cosiddette plastiche biologiche o bioplastiche. La
bioplastica è un tipo di plastica biodegradabile in
quanto derivante da materie prime vegetali non
inquinanti.
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Rifiuti
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Col materiale bio invece la pellicola è lasciata a
decomporsi naturalmente sul terreno o sulla serra (se
non viene più coltivata). I vantaggi di un materiale
"biologico" sono:
È un'alternativa a riciclaggio e reimpiego senza
compiti ulteriori per i consumatori: i rifiuti bio
teoricamente possono essere depositati tutti in
discarica data la loro rapida biodegradabilità.
L'impatto ambientale di tale scelta di smaltimento è
inferiore sia alla termovalorizzazione di rifiuti bio sia
al compostaggio, in termini di energia richiesta ed
emissioni dei processi. La pressione dei rifiuti per
ridurne la densità volumica richiede 5-10 minuti per
tonnellata di rifiuti (poca energia) ed ha emissioni
zero (la pressione dei rifiuti non è un processo
chimico, ma meccanico; non genera fumi).
Riduce gli oneri di gestione dei rifiuti nel caso in cui i
materiali bio iniziano a sostituire vetro, plastiche e
rifiuti riciclabili; ovvero nel caso in cui i produttori di
generi alimentari utilizzino materiali bio per gli
imballaggi e i produttori di plastiche immettano in
commercio plastiche biodegradabili. Ciò consente di
diminuire i contenitori dei rifiuti sul territorio
(eliminando quelli di carta, vetro e materiale plastico)
e i costi logistici di deposito (i rifiuti caricati
periodicamente da un camion per la carta, uno per le
plastiche, etc, verrebbero caricati "quotidianamente"
insieme a tutti gli altri), sarebbe necessario un
sovradimensionamento della capacità di contenitori
dei rifiuti e camion per il loro trasporto.
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Rifiuti
GAIALAB:INCONTRIAMO L’AMBIENTE IN LABORATORIO
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Biodegradabilità e decomposizione naturale in un
tempo trentennale.
Producibilità di concime in quanto la sostanza è
fertilizzante
Minori emissioni di fumi tossici nel caso di
incenerimento.
Igiene dei contenitori alimentari: in particolare le
bevande corrodono col trascorrere del tempo parti
della confezione e assorbono sostanze nocive di cui è
composto il contenitore (ad esempio, acqua minerale
col PET, bibite in lattina). Per questo motivo (evitare il
contatto con le sostanze del contenitore) più che per
una scadenza della bevanda, è prevista una data di
scadenza delle confezioni; nel caso di contenitori bio
nel caso peggiore la bevanda assorbirebbe degli amidi,
sostanze non tossiche, che le toglierebbero sapore
senza creare però pericoli di intossicazione.
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Rifiuti
Il vetro
GAIALAB:INCONTRIAMO L’AMBIENTE IN LABORATORIO
In forma pura, il vetro è
trasparente, relativamente duro,
pressoché inerte dal punto di vista
chimico e biologico e presenta una
superficie molto liscia. Queste
caratteristiche ne fanno un
materiale utilizzato in molti settori;
ma nello stesso tempo il vetro è
fragile e tende a rompersi in
frammenti
taglienti.
Questi
svantaggi
possono
essere
modificati, in parte o interamente,
con l'aggiunta di altri elementi o
per mezzo di trattamenti termici.
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Generalmente si intende con il termine vetro uno
specifico tipo, il vetro siliceo, comunemente
utilizzato negli edifici, come contenitore, in elementi
decorativi ecc.
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Rifiuti
Struttura vetrosa
Lavorazione del
vetro a caldo
Una di queste è la soda
(carbonato di sodio Na2CO3)
oppure la potassa (carbonato
di potassio) che abbassano il
punto di fusione a circa
1000°C. Purtroppo la presenza
di soda rende il vetro solubile
in acqua (caratteristica certo
non desiderabile), per cui
viene aggiunta anche calce
(ossido di calcio, CaO) per
ripristinare l'insolubilità.
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Struttura di un vetro
Na2O - SiO2
Struttura cristallina
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Il vetro comune è
costituito
quasi
esclusivamente
da
diossido di silicio
(SiO2)
(chiamato
anche silice, lo stesso
componente
del
quarzo) e dalla sua
forma policristallina,
la sabbia. In forma
pura, la silice ha un
punto di fusione di
circa 2000°C ma
spesso durante la
produzione del vetro
vengono
aggiunte
altre sostanze per
abbassare
questa
temperatura.
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Rifiuti
Come si ricicla il vetro
GAIALAB:INCONTRIAMO L’AMBIENTE IN LABORATORIO
Sebbene la pratica
del vuoto a rendere
abbia subito un
declino negli ultimi
anni,
non
è
scomparsa del tutto.
Sarebbe preferibile
scegliere
quei
prodotti contenuti in
recipienti di vetro con cauzione. In questo modo si
risparmia sul recipiente, si riduce il volume di rifiuti
e si salvaguarda l'ambiente. Anche i contenitori a
perdere (come i barattoli) possono essere riutilizzati
per conservare alimenti o altre sostanze.
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Una volta raccolti in modo differenziato, i prodotti di
vetro (bottiglie barattoli, vasetti ecc.) vengono
selezionati e ripuliti da elementi estranei per essere
condotti agli impianti di trasformazione. Attraverso la
fusione il vetro è ridotto ad una massa fluida e
modellato in nuovi oggetti.
Dal punto di vista qualitativo il vetro riciclato è
assolutamente identico a quello vergine ad eccezione
del colore. Per produrre vetro incolore è infatti
necessario utilizzare solo oggetti incolori, mentre con
il vetro verde si possono ottenere vetri verdi e, in
alcuni casi, marrone. L'igienicità del vetro permette,
oltre al riciclo, il riutilizzo.
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Rifiuti
Legno
Queste piante perenni, sono caratterizzate dall'avere
fusto e rami che crescono concentricamente verso
l'esterno di anno in anno e di avere i tessuti composti
essenzialmente da cellulosa , emicellulosa e lignina.
Cellulosa vista al
microscopio
elettronico
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II legno è il materiale ricavato dai fusti delle piante,
in particolare gli alberi ma anche arbusti, dal legno
delle Conifere e da quello delle Latifoglie.
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Tessuto vascolare del tronco delle piante, che ha la
funzione di condurre la linfa dalle radici alle parti
verdi della pianta
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Rifiuti
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Scomposto in fibre da origine alla polpa di legno,
impiegata per produrre la carta
Può essere scolpito e lavorato con appositi utensili
È stato un importante materiale da costruzione fin
dalle origini dell'umanità, quando l'uomo iniziò a
costruirsi i propri ripari e tuttora in uso
È impiegato come combustibile per il
riscaldamento e la cucina
È impiegato per la produzione della carta, tramite
la produzione di polpa di cellulosa, avendo
sostituito nell'era industriale il cotone o altre
piante, più ricche di cellulosa ma meno abbondanti
e quindi meno adatte ai nuovi regimi di
produzione.
GAIALAB:INCONTRIAMO L’AMBIENTE IN LABORATORIO
Il legno è prodotto dalla pianta come elemento
strutturale, dalle ottime caratteristiche di
robustezza e resistenza, ed è per questo impiegato
utilmente dell'uomo.
Una volta tagliato e stagionato od essiccato, il
legno è destinato ad un'ampia varietà di utilizzi:
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Rifiuti
Come si ricicla il legno
GAIALAB:INCONTRIAMO L’AMBIENTE IN LABORATORIO
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Il legno rimane un materiale prezioso anche dopo che
il suo utilizzo primario (nell'arredamento, nell'edilizia,
ecc.) è giunto alla fine. I rifiuti legnosi, raccolti in
modo differenziato, sono infatti triturati e pressati in
modo grossolano per essere condotti in modo pratico
ed economico agli impianti di riciclaggio.
Un'ulteriore lavorazione, permette poi di produrre
scagliette di legno pronte all'uso (i cosiddetti "chips"),
la cui qualità è garantita dall'alto livello tecnologico
raggiunto dai processi di lavorazione industriale e
dalla
bontà
della
materia
prima.
I chips trovano utilizzo in numerose filiere: possono
essere inseriti in pannelli truciolati adatti all'industria
del mobile e dei complementi d'arredo; possono
essere trasformati in pasta cellulosica, utile alle
cartiere per produrre carta riciclata; possono entrare
a far parte del compost, da cui si ottengono
ammendanti e concimi naturali per l'agricoltura.
Infine, gli scarti di produzione di tutte le fasi del
processo di riciclaggio del legno possono essere
recuperati attraverso la produzione di combustibile
derivato da rifiuti (il cosiddetto CDR) ed utilizzati negli
impianti di termovalorizzazione per la produzione di
energia elettrica.
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