67068 - CHIMICA INDUSTRIALE CON LABORATORIO

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente conosce i fondamenti della chimica industriale e della struttura dell'industria chimica, con gli aspetti economici e dimensionali dei vari settori. Inoltre, lo studente è in grado di comprendere le fasi di un processo di produzione e di utilizzo di materiali ceramici, dei vetri e dei vetri-ceramici, dei silicati, dei pigmenti e delle principali ed innovative fibre ceramiche. Questi processi vengono analizzati applicando concetti chimico-fisici di base quali il comportamento reologico dei sistemi, i principali metodi per la sintesi delle polveri, l'evoluzione delle proprietà dei materiali in funzione dei trattamenti termici, ecc. Al termine del corso lo studente è inoltre in grado di valutare l'influenza dei diversi parametri di processo sulle proprietà dei materiali prodotti, soprattutto nell'ottica di un trasferimento di scala dal laboratorio alla produzione industriale. Partendo dalla descrizione dalle materie prime, il corso esamina, infatti, i differenti aspetti dei processi industriali, inclusi quelli economici, ed i problemi connessi con la proprietà intellettuale. L'approccio con la realtà industriale è favorito da visite guidate ad aziende ed ad un approfondimento delle conoscenze di base riguardanti le norme per la gestione della qualità, ambiente e sicurezza nell'industria. In particolare, riguardo a questo aspetto, lo studente acquisisce le competenze necessarie alla specifica professionalità richiesta, come le basi per l'effettuazione di un'analisi ambientale e le metodologie per l'analisi e la riduzione del rischio legato alle attività produttive.

Programma/Contenuti

Prerequisiti

  1. Termodinamica: il primo principio. Termodinamica: il secondo principio. L'equilibrio chimico. Gli equilibri di fase. La cinetica chimica (Attività formativa: Chimica Fisica)
  2. Forze fra molecole e fra particelle colloidali. Effetti del tipo di interazione e del suo raggio di azione sugli stati di aggregazione della materia e sui colloidi. Importanza relativa dei vari tipi di interazione in soluzione. Interazione fra particelle colloidali. Cenni di Teoria DLVO. Viscosimetria cinematica capillare e viscosimetria rotazionale (Attività formativa: Chimica Fisica dei materiali e laboratorio di chimica Fisica).
  3. La tavola periodica e le proprietà atomiche degli elementi. Simmetria, struttura e modelli di legame nelle molecole inorganiche. Teoria del legame di valenza; teoria dell'orbitale molecolare. Struttura e legame nei solidi ionici e nei metalli. Proprietà generali degli elementi degli orbitali d. La teoria del campo cristallino. La teoria dell'orbitale molecolare. Gli spettri elettronici e le proprietà magnetiche dei complessi dei metalli di transizione. (Attività formativa: Chimica Inorganica con Laboratorio).
  4. Fondamenti di statistica. Qualità di un dato analitico. Cifre significative. Sorgenti di incertezza. Errori nell'analisi chimica; propagazione dell'errore. Errori: grossolani, sistematici, casuali. Accuratezza e precisione. Metodi per riportare i dati analitici. Test di significatività, accuratezza e precisione. Confronto di due campioni. Calibrazione e misura. Regressione lineare (Attività formativa: Chimica Analitica con Laboratorio)
  5. Gli impianti di produzione e lavorazione di materiali inorganici. Generalità sulla struttura dei materiali cristallini: la diffrazione di RX. Tecniche di microscopia ad alto ingrandimento (SEM, TEM, AFM) e osservazione di microstrutture di materiali metallici e ceramici al SEM con microanalisi EDS. Analisi termica (DSC, TGA, dilatometria) (Attività formativa: Scienza dei Metalli e Tecnologia dei Materiali)

Programma/Contenuti

Chimica Industriale e gestione sicurezza, ambiente e qualità nell’industria chimica.

Industria chimica e chimica industriale. Sviluppo economico e storico. Concetti di economia industriale, pay-back e metodi di calcolo. Tempo di vita di un prodotto industriale e scelta dell'impianto. Tipologia delle innovazioni. Struttura dell'industria chimica e principali caratteristiche di ogni segmento.

Materie prime organiche (carbone, petrolio, gas naturale, biomasse): caratteristiche, proprietà e costi. Principali processi di trasformazione.

Capitale intellettuale, beni materiali ed immateriali, proprietà intellettuale, brevetti di marchio ed industriali. Rilevanza economica ed industriale dei brevetti. Esercitazione pratica su alcuni esempi di brevetti industriali.

Il sistema volontario di certificazione internazionale. Cenni alla normativa di riferimento per la gestione della qualità, dell'ambiente, e della sicurezza. La gestione dell'organizzazione per processi. Introduzione all'analisi dei processi e ai fattori di criticità. Cenni agli strumenti tecnici e statistici per la gestione dei processi di produzione.

La valutazione dell'impatto ambientale. Elementi per la gestione del rischio ambientale. La comunicazione ambientale: indicatori di qualità ambientali, bilanci e dichiarazioni ambientale.

La sicurezza nei processi chimici. Proprietà dei prodotti chimici connessi alla sicurezza. Nocività, ecotossicità, reattività. Comportamento infiammabile di gas, liquidi e polveri.

Come si valuta la pericolosità di un processo: metodologie di analisi del rischio (albero dei guasti, Hazop). Criteri di previsione dell'instabilità termica, reazioni fuggitive. Discussione di alcuni casi reali (incidente di Seveso, Bophal etc.).

Tecnologie Ceramiche e dei vetri

Prodotti ceramici: definizioni e classificazioni. Ceramici tradizionali ed avanzati. Materie prime: componenti plastici, fondenti ed inerti. Processi di macinazione. Metodi di formatura per colaggio e processi allo stato plastico (estrusione, iniezione e pressatura). Smalti e smaltatura: processi di produzione e tecniche di applicazione. Criteri generali di scelta. Ceramiche refrattarie: classificazione e composizione. Caratteristiche principali, proprietà e produzione. Ceramiche refrattarie non-ossidiche. Porcellana: tipologie e metodi di produzione. Materiali ceramici avanzati: proprietà, produzione, applicazioni e rilevanza economica.

Vetri: definizioni e modelli strutturali. Ruolo dei differenti elementi. Vetri a uno o più componenti. Formazione, cristallizzazione ed immiscibilità. Principali proprietà chimico-fisiche e loro rilevanza nella produzione o utilizzo. Proprietà meccaniche ed ottiche. Principali classi di vetri industriali e loro rilevanza economica. Principali processi produttivi: caratteristiche, valutazioni energetiche ed economiche. Problematiche di sicurezza ed ambientali. Tecniche di formatura: soffiatura, pressatura, stiramento e laminazione. Casting, redrawing e fritting. Operazioni secondarie. Vetri speciali (fibre, pannelli solari, fotocromici, ecc.).

Vetroceramici: Applicazioni. Formazione. Proprietà. Ceramming. Nucleazione, omogenea ed eterogenea. Cristallizzazione. Trattamento termico. Natura delle fasi cristalline. Microstruttura. Proprietà termiche, ottiche, meccaniche ed elettriche. Applicazioni. Durata e stabilità chimica.

Pigmenti inorganici: definizioni, applicazioni, classi e rilevanza economica. Principali caratteristiche ed analisi. Pigmenti bianchi (TiO2, e a base di ZnS, litopone e sacholith). Pigmenti colorati (ossidi di ferro, ossidi misti, pigmenti di Cd, blue ultramarino, ferro blue). Pigmenti speciali: magnetici, anticorrosione, luccicanti, metallici, madreperlacei, micacei.

Fibre inorganiche e compositi: definizioni (fibre, whiskers, filamenti), organizzazione e classificazione. Struttura, proprietà e applicazioni. Metodologie di produzione. Fibre inorganiche, fibre di vetro, ceramiche (ossidiche e non ossidiche).

Laboratorio di Chimica Industriale

Il corso di laboratorio illustra e completa gli argomenti introdotti nella parte fondamentale, con particolare attenzione alle fasi del processo di produzione dei materiali inorganici dove più forte è l'impatto dei concetti chimico-fisici di base: comportamento reologico dei sistemi, sintesi di polveri, evoluzione delle proprietà in funzione del trattamento termico. Il corso intende sollecitare gli studenti ad utilizzare gli strumenti teorici appresi nei corsi fondamentali degli anni precedenti ed a riconoscerne l'importanza nella gestione industriale dei processi. Ulteriore obiettivo del corso è fornire un punto di vista concreto sulla realtà industriale offrendo l'opportunità di visite guidate ad aziende e laboratori ceramici.

Introduzione alla produzione di polveri: concetti generali.

Gli impasti ceramici: cenni di reologia applicata, composizione, processi di produzione e parametri fondamentali di controllo. Analisi di curve di flusso. Sospensioni e colloidi. Misure di Potenziale zeta e tensione superficiale.

Preparazione di polveri ceramiche mediante tecniche non convenzionali (coprecipitazione, sol-gel, reazioni idrotermali, reazioni in fase vapore).

Evoluzione delle proprietà dei solidi in funzione del trattamento termico.

Processi di essiccamento e sinterizzazione. Descrizione delle principali tecnologie utilizzate e dei principali parametri di controllo. Esempi di analisi termica.

Introduzione alle proprietà di nanopolveri e sols di interesse per l'industria ceramica. Effetto delle dimensioni sulle proprietà di questi materiali. Laboratorio

Testi/Bibliografia

  • P. Emiliani, F. Corbara 'Tecnologia Ceramica ', Vol. 1-3, Faenza Editrice, 1999.
  • Yasuo Arai 'Chemistry of powder production', Chapman & Hall –1996.
  • Società Ceramica Italiana 'Reologia ceramica applicata' Faenza Editrice.
  • COLORE, PIGMENTI E COLORAZIONE IN CERAMICA: COLOUR, PIGMENTS AND COLOURING IN CERAMICS , Società Ceramica Italiana; Modena; 2003.
  • ENGINEERING CERAMICS , Bengisu, M; ,Sprinter Heidelberg, ; 2001. Società Ceramica Italiana “Reologia ceramica applicata” Faenza Editrice.
  • M. Ratner, D. Ratner “Nanotechnology: a gentle introduction to the next big idea”, Ed. Prentice Hall (2003).
  • N. R. Rao, A. Müller, A.K. Cheetham “The Chemistry of Nanomaterials. Synthesis, Properties and Applications” Wiley-VCH (2004), vol. 1 e 2.
  • P. Cardillo “Incidenti in Ambiente Chimico – Guida allo studio ed alla valutazione delle reazioni fuggitive” Stazione Sperimentale per i combustibili, S. Donato Milanese, 1998.
  • P. Cardillo “Guida allo studio ed alla valutazione delle esplosioni di polveri” SC Sviluppo Chimica SpA, Milano
  •   http://www.csb.gov
  • K.H. Buchel, H.-H. Moretto, P. Woditsch Industrial Inorganic Chemistry, Wiley-VCH, 2000 (vetri, ceramici, pigmenti e fibre).
  •  Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, VCH, 1996 (vetri, pigmenti e fibre).
  •  A. Girelli, L. Matteoli, F. Parisi Trattato di Chimica Industriale e Applicata, Vol. 1, Zanichelli (vetri).

Metodi didattici

  • Lezioni frontali, con l'utilizzo di numerosi esempi pratici e di specifici esercizi illustrativi. Il materiale è disponibie preliminarmente per gli studenti.

    Laboratorio - Il corso prevede una parte introduttiva teorica ed una parte da svolgersi in laboratorio con esercitazioni mirate (a gruppi di 3 o 4 studenti). Esercitazioni in aula, con interpretazione di dati e analisi condivisa di documentazione supportano il processo di comprensione ed apprendimento. La frequenza è obbligatoria.

Modalità di verifica dell'apprendimento

  • La prova d’esame mira a verificare il raggiungimento dei seguenti obiettivi didattici:

    • capacità di descrivere i più importanti procedimenti industriali di trasformazione di materie prime ed intermedi in prodotti, con particolare enfasi sui materiali inorganici tradizionali ed innovativi;
    • capacità di descrivere il ruolo della gestione della sicurezza, qualità e proprietà industriale nei processi chimici;
    • capacità di comprendere e correlare le implicazioni tecnologiche, economiche ed ambientali della gestione dei processi di trasformazione studiati.

    La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova finale da sostenersi dopo il termine del corso. Questa prova si articola in: a) presentazione orale su un tema concordato tra docente e studente; b) una serie di relazioni sulle attività svolte in laboratorio; c) una prova orale.

    Modalità di svolgimento:

    1. Elaborazione di una ricerca su una specifica tematica concordata tra docente e studente, con successiva esposizione e discussione agli studenti e docenti del corso. Scopo è sviluppare la capacità critica di sintetizzare varie fonti in un documento finale e quella di saper affrontare una discussione critica; l’esito concorre per il 10% alla valutazione finale.
    2. Relazioni sulle attività svolte in laboratorio, la cui consegna da parte di ogni gruppo di lavoro viene richiesta almeno una settimana prima dello svolgimento della prova orale sostenuta da un componente di quel gruppo di lavoro, viene valutata in relazione alla accuratezza nella descrizione della metodologia sperimentale applicata, e alla correttezza nella elaborazione e discussione dei risultati; l’esito concorre per il 10% alla valutazione finale.
    3. Esame orale finale integrato fra i diversi moduli, sostenute dallo studente nello stesso appello, per valutare l'assimilazione dei principali temi trattati. La semplice conoscenza meccanica e/o mnemonica della materia saranno valutati come un aspetto negativo; l’esito concorre per il 80% alla valutazione finale.

Strumenti a supporto della didattica

Le attivita' didattiche svolte in aula si avvalgono di supporti quali proiezione di lucidi e filmati.

Il materiale didattico utile per la preparazione dell’esame viene messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite internet. Per ottenere il materiale didattico lo studente si deve collegare al sito: http://campus.unibo.it/ . Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna e verranno forniti dal docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Stefania Albonetti

Consulta il sito web di Patricia Benito Martin