Life cycle assessment as a tool for the industrialisation of chemical and mechanochemical processes

Abstract

(English) The chemical sector is a $4 trillion global business and a major employer, with chemicals present in almost all manufactured products. Increasing investment and the chemical industry's innovative capacity to provide safe and sustainable products will be vital in offering new solutions and supporting the ecological transition of our economy and society. Multiple approaches and tools have been developed to assist chemists in the development, design, and application of chemical products. The Life Cycle Assessment (LCA) approach, applied to the design of chemicals and processes, has helped scientists examine environmental impacts from a life cycle perspective. It provides a global view of environmental burdens, covering a broad set of environmental indicators such as Global Warming, Primary Energy Consumption, Water Use, Land Use, or Resource Depletion.

This thesis is related to the application of LCA to the industrialization of chemical and mechanochemical processes. The first article presents a literature review of LCA for chemical processes. The second article is another review on mechanochemical processes. Chemistry and mechanochemistry are leading sectors in the application of LCA, but their methodology is still scarce. The development of these articles aims to provide a guide for the advancement of these topics. Additionally, the thesis continues with the evaluation of innovative technologies for chemical processes: production of calcium zincate as an ingredient for rechargeable batteries, cellulose extraction from wood chips, or nicotine extraction from tobacco leaves, for instance.

It has been concluded that the choice of raw material is often the main source of environmental impact in a chemical process. Furthermore, mass and energy balances, as well as the type of energy supplied to power the process, are of great importance as part of the life cycle inventory. When selecting the functional unit (FU) for industrial chemical processes, where a given amount of product must be supplied within a given time frame, special attention must be paid. Although it falls outside the scope of cradle-to-gate LCA practice, variables such as reaction residence time can result in the final product having more service units or more functions. Therefore, this should be considered valuable additional information when deciding between alternatives. The LCA result with an FU that depends solely on mass does not account for this. Several chemical LCA studies already conduct assessments using flow rate as an FU. Another example is the consideration of module D within EN 15804:2012+A2:2019 for the inclusion of information outside the cradle-to-gate scope in LCAs of construction products.

Moreover, the scalability of material flows from the laboratory scale, where data is obtained, to the pilot or industrial scale, where the process will be applied, is of crucial importance. For this purpose, different frameworks based on thermodynamic equations, as well as process modeling and simulation tools, have been used throughout the thesis. For instance, it has been observed that energy optimization from the lab to the industrial scale is around 20% on average, reaching maximum values of 90% for some equipment, such as the reactor used in Deasyl's laboratories. Finally, in LCA comparisons, an environmental impact evolution study is conducted, taking into account forecasts for electricity mixes in the coming years according to reports from the European Green Deal to interpret how the results will behave in the future.

(Català) El sector químic és un negoci global de 4 bilions de dòlars i un important ocupador, amb substàncies químiques presents en gairebé tots els productes manufacturats. L'augment de la inversió i de la capacitat innovadora de la indústria química per proporcionar productes segurs i sostenibles serà vital per oferir noves solucions i donar suport a la transició ecològica de la nostra economia i societat. S'han creat múltiples enfocaments i eines per ajudar els químics en el desenvolupament, disseny i aplicació de productes químics. L'enfocament de l'Anàlisi del Cicle de Vida (ACV) aplicat al disseny de productes químics i processos ha ajudat els científics a examinar els impactes ambientals amb una perspectiva de cicle de vida. Proporciona una visió global de les càrregues mediambientals, abastant un ampli conjunt d'indicadors ambientals com l'Escalfament Global, el Consum d'Energia Primària, l'Ús de l'Aigua, l'Ús del Sòl o l'Esgotament de Recursos.

La present tesi està relacionada amb l'aplicació de l'ACV a la industrialització de processos químics i mecanoquímics. El primer article presenta la revisió bibliogràfica d'ACV de processos químics. El segon article és una altra revisió de processos mecanoquímics. La química i la mecanoquímica són sectors capdavanters en l'aplicació de l'ACV i la seva metodologia és escassa. El desenvolupament d'aquests articles pretén aportar una guia per al desenvolupament d'aquests temes. A més, la tesi prossegueix amb l'avaluació de tecnologies innovadores per a processos químics: producció de zincat càlcic com a ingredient per a bateries recarregables, extracció de cel·lulosa a partir d'encenalls de fusta o extracció de nicotina a partir de fulles de tabac, per exemple.

S'ha conclòs que l'elecció de la matèria primera sol ser la principal font d'impacte ambiental d'un procés químic. A més, els balanços de massa i energia, així com el tipus d'energia subministrada per alimentar el procés, són de gran importància com a part de l'inventari del cicle de vida. En seleccionar la unitat funcional (UF) de processos del sector industrial químic, on s'ha de subministrar una quantitat de producte en un temps donat, s'ha de prestar especial atenció. Encara que quedi fora de la pràctica de l'ACV de la cuna a la porta, hi ha variables com el temps de residència de la reacció que fan que el producte final tingui més unitats de servei o més funcions. Per tant, això s'ha de considerar com a informació addicional valuosa en decidir entre alternatives. El resultat de l'ACV amb una UF que depèn només de la massa no té en compte això. Hi ha diversos documents d'ACV químic que ja fan l'estudi amb un cabal com a UF. Un altre exemple és la consideració del mòdul D dins de la EN 15804:2012+A2:2019 per a la consideració d'informació fora de l'abast de la cuna a la porta en els ACV de productes de construcció. D'altra banda, l'escalabilitat dels fluxos de materials des de l'escala de laboratori, on s'obtenen les dades, fins a l'escala pilot o industrial, on s'aplicarà el procés, és de crucial importància. Amb aquest propòsit, s'han utilitzat diferents marcs basats en equacions termodinàmiques, així com modelatge de processos i eines de simulació durant la tesi. Per exemple, s'ha observat que l'optimització energètica des de l'escala de laboratori fins a la industrial és del 20%, de mitjana, arribant a valors màxims del 90% per a alguns equips com el reactor utilitzat en els laboratoris de Deasyl. Finalment, en les comparacions d'ACV, es porta a terme un estudi de l'evolució de l'impacte ambiental tenint en compte la previsió de les barreges d'electricitat en els propers anys segons els informes del Pacte Verd Europeu per interpretar el comportament dels resultats en els pròxims anys.

(Español) El sector químico es un negocio global de $4 billones y un importante empleador, con sustancias químicas presentes en casi todos los productos manufacturados. El aumento de la inversión y de la capacidad innovadora de la industria química para proporcionar productos seguros y sostenibles será vital para ofrecer nuevas soluciones y apoyar la transición ecológica de nuestra economía y sociedad. Se han creado múltiples enfoques y herramientas para ayudar a los químicos en el desarrollo, diseño y aplicación de productos químicos. El enfoque del Análisis del Ciclo de Vida (ACV) aplicado al diseño de productos químicos y procesos ha ayudado a los científicos a examinar los impactos ambientales con una perspectiva de ciclo de vida. Proporciona una visión global de las cargas medioambientales, abarcando un amplio conjunto de indicadores medioambientales como el Calentamiento Global, el Consumo de Energía Primaria, el Uso del Agua, el Uso del Suelo o el Agotamiento de los Recursos. La presente tesis está relacionada con la aplicación del ACV a la industrialización de procesos químicos y mecanoquímicos. El primer artículo presenta la revisión bibliográfica de ACV de procesos químicos. El segundo artículo es otra revisión de procesos mecanoquímicos. La química y la mecanoquímica son sectores punteros en la aplicación del ACV y su metodología es escasa. El desarrollo de estos artículos pretende aportar una guía para el desarrollo de estos temas. Además, la tesis prosigue con la evaluación de tecnologías innovadoras para procesos químicos: producción de zincato cálcico como ingrediente para baterías recargables, extracción de celulosa a partir de astillas de madera o extracción de nicotina a partir de hojas de tabaco, por ejemplo. Se ha concluido que la elección de la materia prima suele ser la principal fuente de impacto ambiental de un proceso químico. Además, los balances de masa y energía, así como el tipo de energía suministrada para alimentar el proceso, son de gran importancia, como parte del inventario del ciclo de vida. Al seleccionar la unidad funcional (UF) de procesos del sector industrial químico, donde se debe suministrar una cantidad de producto en un tiempo dado, se debe prestar especial atención. Aunque quede fuera de la práctica del ACV de la cuna a la puerta, hay variables como el tiempo de residencia de la reacción que hacen que el producto final tenga más unidades de servicio o más funciones. Por lo tanto, esto debe considerarse como información adicional valiosa al decidir entre alternativas. El resultado del ACV con una UF que depende solo de la masa no tiene en cuenta esto. Hay varios documentos de ACV químico que ya realizan el estudio con un caudal como UF. Otro ejemplo es la consideración del módulo D dentro de la EN 15804:2012+A2:2019 para la consideración de información fuera del alcance de la cuna a la puerta en los ACV de productos de construcción. Por otro lado, la escalabilidad de los flujos de materiales desde la escala de laboratorio, donde se obtienen los datos, hasta la escala piloto o industrial, donde se aplicará el proceso, es de crucial importancia. Para este propósito, se han utilizado diferentes marcos basados en ecuaciones termodinámicas, así como modelado de procesos y herramientas de simulación durante la tesis. Por ejemplo, se ha observado que la optimización energética desde la escala de laboratorio hasta la industrial es del 20%, en promedio, alcanzando valores máximos del 90% para algunos equipos como el reactor utilizado en los laboratorios de Deasyl. Finalmente, en las comparaciones de ACV, se lleva a cabo un estudio de la evolución del impacto ambiental teniendo en cuenta la previsión de las mezclas de electricidad en los próximos años según los informes del Pacto Verde Europeo para interpretar el comportamiento de los resultados en los próximos años.