RIUSO SOSTENIBILE DI SCARTI AGRICOLI PER MATERIALI ECO COMPATIBILI

Nowadays, building sector is the most responsible for environmental degradation, global warming, and climate change with the 50% of carbon emissions, 20–50% of consumption of energy and natural resources, and 50% of total solid wastes production in the world. Ecological concerns such as environmental safety, energy efficiency and saving, and recyclability and reuse of wastes, have resulted in an increasing interest in new alternatives materials derived from renewable resources. Several studies are focused on new resources and sustainable materials that could be involved and integrated into building process with the aim of replacing traditional building materials, e.g., concrete, steel, plastic components; eco-friendly materials are fully recyclable, sustainable, non-toxic for human and animal health, with a low carbon foot and generally obtained by using natural and renewable sources. Totally in accordance with the circular economy statements, eco-building materials could be also obtained by the reconversion of wastes, e.g., solid wastes coming from urbanized area and agricultural wastes. Each year in the world the agricultural wastes (AW) production increases at an average rate of 5% to 10 %. The AW unplanned reuse represents a big issue for environment pollution protection, i.e., soil contamination and air pollution, and rural landscape degradation. Moreover, a not properly AW disposal management of also results in a waste of many valuable biomass resources. In the last years, the valorization of AW is become an important step for environmental protection, energy saving and sustainable development. The effective transformation and re-utilization of agricultural waste is affected by lags of agricultural automation, and by the large quantity, mostly unknown, and distribution at territorial level of agricultural wastes; these aspects result in an inadequate strategy and policy of disposal management and recycling process. This PhD research project stems from the need to exploit wastes or by-products materials deriving from agricultural processes, and their potential reuse in the building sector for renovation or new construction materials. The aim was to evaluate the potential use of some agricultural wastes, i.e., plastic films, sheep wool fibers, cardoons stem fibers, to improve the agriculture building’s sustainability and their energy efficiency. By turning them into a resource for manufacturing new products (e.g., plastic granules, natural reinforcement fibers, insulating elements), a dual purpose could be achieved by obtaining benefit for farmers with a disposal wastes cost reduction, and by improving environmental protection. Since a waste could become a resource when it is available and easily accessible, to evaluate the availability of these wastes the first step was to analyze their amount and spatial distribution at a territorial level, by using a Geographical Information Systems (GIS) model. Then, by considering sheep wool fiber, an experimental trial was developed in order to evaluate its physical and mechanical properties and its effects of reinforcement fiber on raw earth materials behaviors. At the end, the estimated available cardoon stems yearly amount was combined with sheep wool fiber yearly amount and reported in a GIS map with the aim of obtaining basic information needed to define suitable location for waste collection centers in the analyzed study area. The GIS-based model results provided key information for a correct disposal management and for the analysis of the environmental impact related to the logistics and supply phase due to the transportation of the estimated amount wastes to future collection centers. Definitely, to close a material’s production cycle, by using it from the cradle to the cradle, it’s the only possible way to reduce global warming and CO2 emissions in the atmosphere, changing an ever-growing and unsustainable production process that characterized the modern society.

Al giorno d’oggi l’industria delle costruzioni, con il 50% delle emissioni di anidride carbonica, fra il 20% e il 50 % di consumo di risorse energetiche e naturali, e con il 50% della produzione di rifiuti solidi, è considerata a livello mondiale la principale responsabile del degrado ambientale, del riscaldamento globale e dei cambiamenti climatici. Aspetti come la salvaguardia ambientale, il risparmio e l’efficienza energetica, il riciclo e valorizzazione degli scarti, hanno determinato un aumento di interesse verso nuovi materiali alternativi ottenibili da risorse rinnovabili. Molti sono gli studi focalizzati sull’utilizzo di nuove risorse e materiali sostenibili che possono essere integrati nei processi di costruzione al fine di sostituire i materiali tradizionali come per esempio il cemento, l’acciaio e i materiali plastici. I materiali eco sostenibili sono generalmente totalmente riciclabili, non tossici per la salute umana e animale, con una bassa impronta energetica e ottenuti dall’utilizzo di risorse naturali e rinnovabili. In completo accordo con i requisiti dell’economia circolare, tali materiali possono anche essere ottenuti dalla valorizzazione, mediante recupero e riconversione, dei rifiuti, sia per esempio solidi urbani che derivanti dai processi di produzione agricola. In particolare, la produzione degli scarti agricoli aumenta in media ogni anno di una quantità compresa fra il 5% e il 10%. Il non riutilizzo di tali scarti rappresenta un grande problema in termini di inquinamento e degrado ambientale, soprattutto riguardo la contaminazione dei suoli, inquinamento delle falde e deterioramento del paesaggio rurale. Inoltre, una non appropriata gestione degli scarti determina anche uno spreco di risorse quali grandi quantità di biomasse. Negli ultimi anni la valorizzazione degli scarti agricoli è diventato un importante step per la protezione ambientale, la salvaguardia energetica e lo sviluppo sostenibile. Tuttavia, l’effettiva trasformazione e il riuso di tali scarti sono in parte compromessi da una mancanza di automazione ed innovazioni in campo agricolo, ma soprattutto dalla mancanza di adeguate informazioni sulla quantità e la localizzazione a livello territoriale che comportano un’inadeguata gestione dei rifiuti e del processo di riciclo. Il mio progetto di dottorato di ricerca nasce dall’esigenza di investigare sul potenziale riuso degli scarti e dei sottoprodotti agricoli nel campo delle costruzioni sia per il restauro che per la realizzazione di nuove costruzioni, soprattutto rurali. Lo scopo è stato quello di valutare il potenziale riutilizzo di alcuni scarti agricoli, come film plastici utilizzati per la copertura delle serre, fibre di lana di pecora e fibre ottenibili dagli steli del carciofo, col fine di migliorare la sostenibilità e l’efficienza energetica dei fabbricati rurali. La conversione degli scarti derivanti da produzioni agricole per la realizzazione di nuovi componenti da utilizzare nella bioedilizia, come per esempio granuli plastici, fibre naturali di rinforzo per materiali bio-compositi, o per materiali termo isolanti, consente il raggiungimento di un doppio beneficio, infatti da una parte si ottiene un beneficio per gli agricoltori che vedrebbero ridotti gli oneri e costi relativi allo smaltimento di rifiuti alle volte considerati “speciali” che diventerebbero anzi un bene di scambio, e al contempo si attuerebbe un sistema di salvaguardia e prevenzione dell’ambiente dai danni inerenti il loro smaltimento, lecito e non. Poiché uno scarto può essere considerato risorsa nel momento in cui esso è disponibile e facilmente reperibile, il primo passo di questo studio è stato quello di valutare la disponibilità degli scarti oggetto di studio. Mediante l’utilizzo di una metodologia “Geographical Information Systems” (GIS), è stata analizzata e valutata la loro disponibilità, anche in termini di volumi, e la loro distribuzione nel territorio, nelle diverse aree di studio considerate. Successivamente, dopo aver effettuato una accurata campagna sperimentale riguardante la caratterizzazione fisica e meccanica delle fibre di lana di pecora, sono stati eseguiti una serie di test meccanici, termici e fisici che hanno permesso di valutare l’utilizzo di tale fibra come fibra di rinforzo per elementi costruttivi in terra cruda. Infine, si è presa in considerazione la fibra ottenibile dagli steli del carciofo. Anche in questo caso, tramite un modello GIS che ha permesso la realizzazione di mappe tematiche, è stata valutata ed analizzata la disponibilità di tale fibra che è stata in ultima analisi confrontata con la distribuzione e la produzione annua delle fibre di lana. L'utilizzo di modelli GIS consente di ottenere informazioni fondamentali per una corretta gestione dei rifiuti e per determinare la più idonea localizzazione per futuri centri di raccolta di tali scarti, potendone anche considerare l’impatto, dal punto di vista logistico e non, sul territorio. La chiusura del ciclo di produzione di un qualunque materiale, dalla culla alla culla (parafrasando una frase celebre) rappresenta l’unica via possibile per ridurre il riscaldamento globale, le emissioni di CO2, invertendo la rotta di un processo di produzione irreversibile e non sostenibile.