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Chimica, Biotecnologia ed
Ingegneria per la Sostenibilità
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/
Seminario
29/11/2018
Attilio Citterio
Sviluppo Sostenibile
La sostenibilità è una parte cruciale della presente e futura tecnologia:
‘… soddisfare le necessità del presente senza compromettere le possibilità delle future generazioni di soddisfare le loro necessità
’
Commissione Brundtland, UN Earth Summit 1992
Rio de Janeiro, Brazil
Alcune declinazioni:
Non si deve sistematicamente alterare le distribuzioni naturali dei
componenti della crosta terrestre (es. metalli pesanti)
Non si deve sistematicamente incrementare le sostanze persistenti
prodotte dalla società (DDT, CO2, CFC, ecc.)
Non si deve sistematicamente deteriorare le basi fisiche e chimiche dei
cicli naturali produttivi della terra
Bisogna realizzare un uso oculato ed efficiente delle risorse (rispettando il
soddisfacimento delle necessità umane).
The Natural Step (Sweden)
Attilio Citterio
Regimi Socio-Ecologici
nella Storia Umana
uso annuale pro capite
Energia Materiali
Metabolismo umano di base(immissione di biomasse via nutrizione)
3.5 GJ 1 t
Cacciatori-raccoglitori(uso incontrollato dell'energia solare)
10-20 GJ 2-3 t
Società Agricola(uso controllato dell'energia solare)
60-80 GJ 4-5 t
Società Industriale/Tecnologica (uso di energia fossile)
250 GJ 20-22 t
Attilio Citterio
L'uomo sulla Terra ha prodotto un Posto
Insostenibile ! o ?
POPOLAZIONE USO DELL’ACQUA CONCENTRAZIONE CO2NUMERO DI AUTO
CONSUMO FERTILIZZANTI PERDITA DI FORESTE CONSUMO CARTA PESCA INTENSIVA
Attilio Citterio
E’ Essenziale che Chimici, Ingegneri,
Pubblici Amministratori e Noi Tutti
Dobbiamo Prestare Maggiore Attenzione
alle Conseguenze Ambientali e di
Sostenibilità dei Prodotti Chimici, dei
Processi Industriali e Attività Correlate
con cui questi Prodotti sono Realizzati
Nuova Sensibilità
Non si deve dimenticare la nostra
impronta chimico-ecologica
Attilio Citterio
Impronta Globale del Carbonio
State of the World 2017:
Is Sustainability Still Possible?
ISBN: 978-1-61091-449-9
Attilio Citterio
Sviluppo Sostenibile = Bilancio tra 3
Requisiti Primari:
I tre fondamenti della Sostenibilità:
I bisogni della società
(l’obiettivo sociale)
L’impiego efficiente delle scarse
risorse (l’obiettivo economico)
La necessità di ridurre la
pressione sull’eco-sistema al
fine di mantenere le basi
naturali per la vita (l’obiettivo
ambientale).
Profitto
ECONOMICO
Bisogni
SOCIALI
EquitàEco –
efficienza
Vivibilità Rispetto
AMBIENTALE
Sostenibilità
Nella comunità economica la sostenibilità è etichettata “the triple bottom line”
Attilio Citterio
Ecologia industriale =
scienza della sostenibilità
con enfasi sull’attento uso e
riuso delle risorse
Chimica verde e Biotecnologia =
scienze delle trasformazioni
chimiche a basso impatto
ambientale attente all’uso efficiente
delle risorse e dell’energia
Ingegneria Verde (per la Sostenibilità) e Sicurezza Intrinseca =
scienza e tecnologia rivolta alla riduzione/ eliminazione dei pericoli
associati ai materiali usati e alle operazioni, con inserimento
permanente ed inseparabile nella tecnologia di processo
Ecologia
industriale
Sviluppo
sostenibile
(DfE)Progettazione
per l’ambiente
Chimica/
Biotecnologia
Ingegneria
sostenibile
Ecologia Industriale - Chimica per la Sostenibilità
– Biotecnologie – Ingegneria Sostenibile
Attilio Citterio
I 12 Principi della «Chimica Verde» (Anastas et Warner, 1998)
1) Prevenzione
2) Economia atomica
3) Sintesi chimiche meno nocive
4) Progettazione di prodotti chimici più sicuri
5) Riduzione dei solventi e ausiliari
6) Miglioramento dell'efficienza energetica
7) Uso di materie prime rinnovabili
8) Riduzione della numero delle derivatizzazioni
9) Uso di catalizzatori anziché di reattivi stechiometrici
10) Progettazione per la degradazione
11) Analisi in tempo reale per ridurre l'inquinamento
12) Minimizzare i rischi di incidenti
Sicura
Semplice
1 stadio
Efficiente
Rinnov..
Ambiente.
Resa 100%
Sintesi
ideale
Attilio Citterio
Vie allo Sviluppo Sostenibile
Approcci pratici Supporti Operativi
Obiettivo
strategico
Sviluppo
sostenibile
Chimica Verde
Biotecnologia
Ingegneria
Verde
Ecologia
Industriale
Energia
rinnovabile
Catalisi
Microreattoristica
Scelta delle fonti
Gestione reflui
Intensificazione di
processo,
Mezzi per il
monitoraggio
Valutazione
Ciclo di vita
Metrica Verde
PAT e QbD
Attilio Citterio
Chimica Verde, Biotecnologie e
Ingegneria Verde per la Sostenibilità
Ambiti di studio ed applicazione:
a) Riduzione dell'inquinamento – Ecologia Industriale -
Economia circolare
b) Efficienza energetica e uso di fonti rinnovabili
c) Derivati del carbonio da biomasse anziché da fonti fossili
d) Ottimizzazione dei processi di produzione connessi alla
chimica
e) Salute e Sicurezza
Attilio Citterio
”Dalla nascita alla morte”
Impatti su:
• Salute umana
• Ecosistemi
• Risorse
Riduzione Inquinamento ed Impatti:
Valutazione dell’Impatto del Ciclo di Vita
Caso dell'elemento Indio (In, costo 250 $/kg).
Attilio Citterio
Prevenzione e Riduzione
Riciclo e Riuso
Trattamento
Smaltimento
Sostenibilità del Prodotto e del Processo:
Gerarchia nella Prevenzione dell’Inquinamento
Au
men
to S
oste
nib
ilit
à
Gli atomi presenti
negli scarti sono gli
stessi che nelle
materie prime usati
per produrli!!
Attilio Citterio
Ecosistemi Naturali e Industriali e DFE:
Metabolismo Industriale
Analogia tra sistemi industriali e sistemi naturali:
entrambi hanno cicli di energia e nutrienti/materiali.
strategie della natura per far fronte alla sostenibilità:
• riciclaggio/decomposizione
• ripristino
• conservazione e controllo della popolazione
• permanenza in loco delle tossine
• funzione multiple di un organismo
Attilio Citterio
Rifiuti ed Economia Circolare15
Rifiuti per destinazione (%)
Ripristino ambientale
21,0%
Discarica
31,6%
Incenerimento
4,8%
Altro 8,9%
Recupero
23,4%Trattamento
chimico-fisico –biologico
10,3%
Codici per l'Identificazione delle Plastiche
Attilio Citterio
Fonti Energetiche
La maggior parte dell’energia usata dall’uomo è ricavata da varie fonti,
alcune primarie, altre derivate da queste
Fonti Primarie:• Energia solare
• Energia lunare
• Energia geo
– Geotermica
– Nucleare
Fonti Derivate:
• Primo ordine
• Combustibili Fossili
• Biomasse
• Cadute d’Acqua
• Maree
• Vento
• Onde
• Secondo ordine
• Elettricità
• Animale
• Umana
Valori medi della
distribuzione dei
consumi di
energia (in TW)
Totale: 13.0 ,
U.S.A.: 3.3 ,
Italia : 0.25
(TW = Terawatt)
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
Petro
lio
Ga
s
Carb
on
e
Idro
Bio
ma
ss
e
Rin
no
va
bili
Nu
cle
are
4,52
2,70 2,96
0,286
1,21
0,280,828
TW
Attilio Citterio
Combustione
{CH2O} + O2 → CO2 + H2O
Fotosintesi
CO2 + H2O → {CH2O} + O2
CO2
Piante
Animali
Carbonio
Fossile
Piante morte
------------------
Animali mortih
Ciclo del
Carbonio{CH2O}
Ciclo del Carbonio
H2O
Dal processo di fotosintesi vengono fissate complessivamente
circa 21011 ton di carbonio all’anno, con un contenuto
energetico equivalente a 70 miliardi di tonnellate di petrolio,
circa 10 volte l’attuale fabbisogno energetico mondiale
Attilio Citterio
Uso della Biomassa come alternativa alle
Fonti fossili 18
Produttività media delle risorse
agricole e forestali: 10 tonnellate
materia secca/ettaro/anno
Biomassa/
bio-organismi
Risorse Fossili
(petrolio, gas)
CO2
Polimeri,
Composti
chimici e
Combustibili
> 106 anni
1-10 anni
Attilio Citterio
Uso dei Bio-Rifiuti (anche Umido Domestico)
per Produrre CH4 + CO2 (biogas rinnovabile)19
http://www.montello-spa.it/video/
CH4 + CO2
Anziché
"CHO" + O2
Attilio Citterio
"Filiera Bio" e Chimica per la Sostenibilità -
L’albero della Chimica da Fonti Rinnovabili20
MATERIE
PRIME:
biomasseagricoltura scarti
alimentari rifiuti organici
alghe silvicoltura
BIORAFFINERIA
chimica di base plastiche
e fibre
catalizzatori e additivi
oleochimica e lubrificanti
Solventi
amidi e derivati
chimica fine e specialità
agrofarmaci
tensioattivi e detergenti
cosmetici e farmaci
Prodotti
Energia
Attilio Citterio
Bioraffineria di Crescentino (Bio-Etanolo)
Attilio Citterio
Costituenti Alimentari della Biomassa
Amido: 70-75% (frumento)
Rapidamente disponibile e
idrolizzabile
Base per le comuni “bioraffinerie”
Oli: 4-7% (frumento), 18-20% (soia)
Rapidamente separabile dalla
pianta
Base per l’oleochimica e il
biodiesel
Proteine: 20-25% (frumento), 80%
(soia)
Componente chiave dei cibi
Applicazioni in prodotti chimici
NH
NH
NH
NH
NH
NH
NH
NH
NH
NH
NH
O
O
O
OH
O
O
NH2
O
OH
O
N
NHO
O
S
O
OH
O
O
O
O
O
O
( ) 7
( ) 7
( ) 7O
OH
OH
OH
O
OH O
OH
OOH
OOH
O
OHO
OH
OOH
OOH
O
OHO
OH
OOH
OOH
OOH
OH
OH
OH
OH
OH
Attilio Citterio
Costituenti Non Alimentari della Biomassa
Lignina: 15-25%
Complessa struttura aromatica
Alto contenuto energetico
Resistente alla conversione
biochimica
Emicellulosa: 23-32%
Lo xilosio è il secondo zucchero più
abbondante nella biosfera
Polimero di zuccheri a 5- e 6-
carboni, marginale alimento
biochimico
Cellulosa: 38-50%
La forma più abbondante di
carbonio nella biosfera
Polimero del glucosio, valida
materia prima biochimica
O
O
O
OH
OHO
OH
OH
OH
OH
O
O
O
OH
OH O
OH
OH
OH
OH
O
O
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OHO
OH
OH
OH
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O
O
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OH
O
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OH
O
OH
OH
O
OOH
OH
O
OH
OH
O
OOH
OH
OH
OH
OOH
O
OH
O
OH
O
OH
OH
OH
O
CH3
O O
OH
OH
OH
O
CH3
O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3 O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3O
CH3 O
Attilio Citterio
Bio-Raffineria – Nuova Fonte di Prodotti Chimici ed Energia
Semi
Oli
Chimica fine
Fibre
Plastiche
CompostiChimici
Solventi
Combustibili
Piante
Attilio Citterio
Complementarietà delle Diverse Visioni
della Biotecnologia
BIOTECNOLOGIE
Biotecnologie Rosse
Applicazioni Mediche
Proteine terapeutiche, diagnostica, terapia genica …
Biotecnologie Verdi
I vegetali
Agricoltura, alimentazione, OGM…
Biotecnologie Blu
La via marina
Organismi marini, alghe…
Biotecnologie Gialle
Ambiente
Bioremediation, trattamenti acque…
Biotecnologie Bianche
Biotecnologie Industriali
Fermentazione, catalisi
Attilio Citterio
Progettazione di Reazioni e Processi:
Abilitare l'Innovazione in (Bio)Chimica e Tecnologia
Tecnologia
In silico-
Sistemi esperti
Processo
Nanotecnologia
Bio-processo
Proget.
Prodotto
Catalisi
Demand Planning
Campaign Planning
Sistemi di gestione
dei processi
Sintesi
Flessibilità
Efficienza economica
Meno scarti
-100
0 Cooling water/Air
100 D3-Gen.
200 Hot Utility D3 D6
300
400 SourceD31-Gen.
500
Enthalpy
Sink
Cold UtiliDty6-Gen.
D31
R(-20)
STem
pera
ture
[°C
]
Sintesi di
Processo
Attilio Citterio
Intensificazione di Processo:
Aspirazioni dell’Industria Chimica
Dove siamo ... ... e dove vorremmo essere
Attilio Citterio
Intensificazione di Processo:
Esempi di Apparecchiature Intensificate
Attilio Citterio
Intensificazione di Processo:
Reattore Microstrutturato per Epossidazione
Reazione
(microstrutturato)
Mescolamento
(microstrutturato)
evaporazione H2O2
(microstrutturato)
Modello di Sintesi :
Peculiarità:
• Modulare (operazioni
unitarie, capacità)
• Multi-funzione (catalisi e
reazione)
• Reazione sotto pressione
• Reazioni in regimi
esplosivi
CH CH2
O
CH3
CH CH2CH3
+H2O
2( vap) / -H
2O
TS -1> 95%
http://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/fileadmin/documents/brochures/uhde_brochures_pdf_en_10000032.pdf
H2O2 al 100% !!!
Attilio Citterio
Bioreattori Industriali
Farmaci
Prodotti chimici
(acido lattico)
Enzymi
Attilio Citterio
31
Evoluzione Tecnologica
L’evoluzione tecnologica procede generalmente ciclicamente in 2 modi:
1) Incrementale, sottolineata da piccoli miglioramenti e variazioni nei
prodotti esistenti o nei sistemi che migliorano la qualità della vita
senza variare i sistemi economici, culturali e naturali
2) Trasformativa, nuove “tecnologie trasformative” cambiano
profondamente lo scenario tecnologico.
Velo
cità
in
novazio
ne
60 anni 55 anni 50 anni 40 anni 30 anni
1785 1845 1900 1950 1990 2020
Idraulica
Tessuti
Ferro
Vapore
Ferrovie
Acciaio
Elettricità
Chimica
Motore I.C.
Petrolchimici
Elettronica
Aviazione
Net. Digitale
Software
Nuovi mezzi
Biotecnologia
Infosfera
Terra Ingegnerizzata
Attilio Citterio
Grazie dell'Attenzione
https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/
Attilio Citterio
Attilio Citterio
AMFAARPAA
AJAASBCAA
ESAA-AECAFFRAA
FEAPRAIRA
NWPAACODRA/NMSPAA
FCRPAMMPAA
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
EPACTFFCACERFACRAA
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CERCLACZMIA
COWLDAFWLCA
MPRSAA
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SMCRASWRCASDWAA
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ro d
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gg
i
Emissioni/scarti:
Crescita Cumulativa delle Norme Ambientali
Attilio Citterio
Ampiezza dello Spazio Chimico: Nunero di
Composti Chimici (Stime EPA, 2015)
Numero di Composti Chimici:
Composti Chimici in Commercio:
Composti Chimici Industriali:
Nuovi Composti Chimici:
Pesticidi:
Additivi Alimentari:
Ingredienti Cosmetici:
Farmaci per l’uomo:
28,000,000
10,000,000
240,000
3-4,000
800
9,500
8,500
3,500
(in milioni di prodotti)
/anno
(in 21,000 prodotti)
(in 50,000 prodotti)
• Limitando la sintesi strettamente alla combinazione di 30 atomi di solo C, N,
O, o S, sono possibili più di 1060 strutture!
• Espandendo gli elementi disponibili ad altri eteroatomi (quali, P e alogeni), i
limiti al numero di possibili strutture supera l’immaginazione.
• Il tutto chiarisce quanto sia ampio lo “spazio chimico”
Attilio Citterio
Rischio = f(Pericolo, Esposizione)
Leggi e Rischio Chimico
Le leggi attuali, con poche eccezioni, riguardano l’inquinamento dopo
che è stato prodotto. In generale si focalizzano su trattamenti o
abbattimenti dell’inquinamento e sono note come leggi di “imposizione e
controllo”. In molti casi esse pongono limiti sull’inquinamento e
tempistiche di adeguamento, con poca attenzione alla possibilità che
scienza/tecnologia possano raggiungere tali obiettivi e con scarso
riguardo all’economicità.
Il Rischio associato ai composti chimici tossici è una funzione del
Pericolo e dell’Esposizione. Le leggi “end of the pipe” tentano di
controllare il Rischio operando sulla prevenzione dell’Esposizione ai
composti chimici dannosi e tossici. Purtroppo piuttosto spesso la
prevenzione dell’Esposizione ha fallito.
Attilio Citterio
• La chimica verde, anziché limitare il Rischio controllando
l'Esposizione ai composti chimici pericolosi, tenta di ridurre e
preferenzialmente eliminare il Pericolo evitando la necessità di
controllare l’Esposizione. Essa si fonda sul principio che se non si
usano o producono sostanze pericolose allora il Rischio è zero e
non ci si deve preoccupare di trattare le sostanze dannose o
limitare la nostra esposizione ad esse.
• La chimica verde ha guadagnato un forte posizione nell’area della
ricerca e sviluppo sia nell’industria che nelle università. Molte
conferenze e riunioni si tengono ogni anno su questo tema.
Rischio = f(Pericolo, Esposizione)
Riduzione del Pericolo/Chimica per la Sostenibilità
Controllando il pericolo, non è necessario preoccuparsi dell’esposizione!
Attilio Citterio
Green Chemistry:
• P. T. ANASTAS, WILLIAMSON Green Chemistry: Frontiers in benign
chemical syntheses & processes UOP, ISBN No. 0198501706 (1990).
• P. T. ANASTAS, J.C. WARNER, Green Chemistry: Theory and Practice,
UOP, ISBN No. 0198506988 (1990).
• P.T. ANASTAS, HEINE, WILLIAMSON, Green Chemical Syntheses &
Processes, UOP ISBN 084123678x (2001).
• CANN, CONNELLY Real World Cases in Green Chemistry, ACS, ISBN
0841237336 (2000).
• Di DUNCAN, J. MACQUARRIE, J.H. CLARK, Handbook of Green Chemistry
and. Technology, Blackwell, Oxford. ISBN 0632057157 (2002).
• M. Lancaster, Green Chemistry An Introductory Text; Royal Society of
Chemistry: Cambridge, UK, 2002.
• Di V. K. Ahluwalia, M. Kidwai New Trends in Green Chemistry, Springer.
ISBN 140201872X (2004).
• A. Matlack, Introduction to Green Chemistry CRC Press (2001) ISBN
0824704118
• K.M. Doxsee, J.E. Hutchinson, Green Organic Chemistry: Strategies, Tools,
and Laboratory Experiments; Brooks/Cole, Thomson Learning Inc., 2004.
Testi sulla Chimica Verde e Sotenibie
Attilio Citterio
Testi sulla Chimica Verde e Sostenibile
• R. Sanghi, M. M. Srivastava Green Chemistry: Environment Friendly Alternatives, Alpha Science International, Ltd (2003).
• Doxsee & Hutchison, Thomson Green Organic Chemistry: Strategies, Tools, and Laboratory Experiments, 2004.
• Girard, J.E. Principles of Environmental Chemistry; Jones and Bartlett: Sudbury, MA, 2005.
• A. Perosa, F. Zecchini, P. Tundo Methods and Reagents for Green Chemistry: An Introduction, Wiley-Interscience (2007) ISBN 0471754005
• Handbook of Green Chemistry - Green Processes, III; Wiley-VCH, Weinheim(2012) ISBN 978-3-527-31576-5 .
Green Metrics: • Marco Eissen, Jürgen O. Metzger, Eberhard Schmidt and Uwe Schneidewind,
10 Years after Rio: Concepts on the Contributions of Chemistry to a Sustainable Development, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 414-436.
• Andraos, J. Org. Proc. Res. Develop. 2005, 9, 149; 404
Sustainability Ethics: • Hans Jonas, The Imperative of Responsibility: In Search of an Ethics for the
Technological Age, Univ. Chicago Press, Chicago, 1984.
Attilio Citterio
Testi sulla Ingegneria Verde
• Anastas, P. T.; Zimmerman, J. B., “Design through the Twelve Principles of Green Engineering.” Environmental Science and Technology, 37 (5): 94A-101A, 2003.
• McDonough, W.; Braungart, M.; Anastas, P.T.; Zimmerman, J.B. “Applying
the Principles of Green Engineering to Cradle-to-Cradle Design.”
Environmental Science and Technology, 37 (23): 434A-441A, 2003.
• M. Doble, A.Kumar Green Chemistry and Engineering Academic Press (2007)
ISBN 0123725321.
• Roger Arthur Sheldon, Isabel Arends, and Ulf Hanefeld Green Chemistry and
Catalysis Wiley-VCH (2007) ISBN 352730715X.
• P.T. Anastas, C.A.M. Afonso, J.P.G. Crespo Green Separation Processes:
Fundamentals and Applications Wiley-VCH, (2005) ISBN 3527309853.
• P.T. Anastas, L.G. Heine, T.C. Williamson Green Engineering (Acs
Symposium Series, 766) Oxford Univ. Press (2001), ISBN 0841236771.
• Lankey, R.L., Anastas, P.T. (Eds). Advancing Sustainability through Green
Chemistry and Engineering. Washington 2002, Oxford University Press.264 p
• http://www.greenbiz.com/enewsletter
Attilio Citterio
Letture sulla Minimizzazione dei Rifiuti
R Carlson, Silent Spring, Houghton Mifflin, 1962, New York
Freeman, H. M., Industrial Pollution Prevention Handbook, McGraw Hill, 1995.
D. Luper Chem. Eng. Prog. 1996, 92, 58.
J Aguado & D Serrano, Feedstock Recycling of Plastic Wastes, 1999, Royal
Society of Chemistry, Cambridge.
C Christ, Production-Integrated Environmental protection and Waste Management
in the Chemical Industry, Wiley-VCH, 1999, Weinheim
Storia dello sviluppo dei detergenti e relativi problemi ambientali
www.chemistry.co.nz/detergenthistory.htm
Bishop, P.E., Pollution Prevention: Fundamentals and Practice, McGraw Hill,
2000.
Air Pollution Prevention and Control: Bioreactors and Bioenergy (C. Kennes, M.
C. Veiga (Eds) Wiley, 2013.
Waste Management and Valorization: Alternative Technologies, (E. C. Rada Ed.)
Apple Academic Press, 2016.
J.P. Chen, L.K. Wang, M.S. Wang, Y. Hung, N.K. Shammas: Remediation of
Heavy Metals in the Environment,, CRC Press, 2016.
Attilio Citterio
Informazioni sulla Chimica Verde e
Sostenibile
http://www.chemistry.org/portal/a/c/s/1/acsdisplay.html? DOC=greenchemistryinstitute\index.html
http://www.chemsoc.org/networks/gcn/
http://www.rsc.org/science/esef.html
http://www.gscn.net/indexE.html
http://www.epa.gov/greenchemistry/index.html
http://web.chem.monash.edu.au/GreenChem/
http://eco-web.com/
Presidential Green Chemistry Challenge Awards -Winners and nominations: http://www.epa.gov/greenchemistry/
Real-world Cases in GC (M.C. Chann, M.E. Connelly)
http://academic.scranton.edu/faculty/CANNM1/greenchemistry.html