Il recupero del fosforo, risorsa (quasi) finita.

Autore

Ario Fahimi

Data

5 Aprile 2023

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3' di lettura

DATA

5 Aprile 2023

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Storia e importanza del fosforo per l’uomo e l’ambiente

Il fosforo è un elemento naturale essenziale per tutte le forme di vita: basti pensare che è un componente chiave del DNA, RNA e delle membrane cellulari e di altre molecole biologiche come l’adenosina trifosfato (ATP), ossia la principale fonte di energia per le cellule viventi. Il fosforo fu scoperto per la prima volta nel 1669 dall’alchimista tedesco Hennig Brand 1, che stava tentando di ricavare l’oro dal riscaldamento dell’urina. Scoprì, invece, una sostanza che brillava nell’oscurità, che chiamò ‘fosforo’, dall’etimologia greca ‘portatore di luce’.

Nei secoli successivi il fosforo divenne un componente importante in molti processi industriali e agricoli, come la produzione di fertilizzanti, detergenti, additivi alimentari e semiconduttori. Basti pensare che il corpo di un uomo adulto medio richiede circa un grammo di fosforo al giorno; per sostenere una persona per un anno è quindi necessario estrarre 22.5 kg di roccia fosfatica.

Tuttavia, la natura finita delle riserve di fosforo e la sua criticità come risorsa sono diventate oggetto di preoccupazione negli ultimi anni con la crescita esponenziale della popolazione mondiale. Secondo le Nazioni Unite, infatti, la popolazione mondiale dovrebbe raggiungere quasi i 10 miliardi entro il 2050 con conseguente aumento del 60-70% della produzione alimentare 2.

L’uso del fosforo in agricoltura è stato anche associato a impatti ambientali, come l’accumulo nei corpi idrici superficiali, fenomeno denominato ‘eutrofizzazione’, attraverso cui avviene la distruzione della flora e della fauna marina, oppure l’erosione dei suoli dovuta alla mala gestione nei Paesi in via di sviluppo (per la maggioranza localizzati in Africa e Sud America) e gli alti costi dei fertilizzanti chimici, con conseguente perdita di fosforo per oltre il 50% delle attività antropiche.

Per affrontare la criticità di questa risorsa, istituti di ricerca, enti governativi e realtà industriali stanno adottando misure per promuovere pratiche sostenibili e aumentare la consapevolezza del problema soprattutto a livello sociale

L’alchimista, di Pieter Bruegel il Vecchio (circa 1558).

Fosforo come materia prima: distribuzione e criticità

Si stima che «la base di riserva globale di roccia fosfatica, soprattutto dal minerale di apatite, sia di circa 60 miliardi di tonnellate, la maggior parte concentrata in Marocco, Cina e nel Sahara occidentale (che rappresentano oltre il 75% delle riserve mondiali) e si pensa che «potrebbe esaurirsi nei prossimi decenni», sollevando preoccupazioni sulla futura sicurezza alimentare a partire dai paesi più popolati – e più vulnerabili – come India e Brasile3.

Inoltre, la disomogenea distribuzione geografica potrebbe portare a problemi di sicurezza legati all’approvvigionamento e tensioni geopolitiche, inducendo le maggiori organizzazioni mondiali –  come la Commissione Europea – a inserire il fosforo e la rocce fosfatiche nella lista delle materie prime critiche identificate come essenziali per l’economia dell’Unione Europea e la sua autonomia strategica 4.

Infatti, eventi come le guerre (non da ultima quella scoppiata tra Russia e Ucraina), possono indurre a un’escalation sui rialzi del prezzi dei fertilizzanti (per il Perfosfato Triplo di oltre il 90%) come riporta la Borsa merci telematica italiana 5.

Risulta quindi importante prendere misure alternative di approvvigionamento del fosforo – in primis il riciclo da scarti – in maniera tale da mitigare gli effetti shock della sua catena del valore.

Distribuzione delle 10 maggiori riserve globali di rocce fosfatiche. In alto a destra il grafico a barre mostra il volume di produzione di ciascuna delle Nazioni con maggiori riserve globali. Dati reclutati aggiornati da US Geological Survey (USGS)

Metodi di recupero del fosforo nel contesto di un’economia circolare

Esistono diversi metodi per recuperare il fosforo, ben riassunti dall’agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (ENEA)6:

  • trattamento delle acque reflue, attraverso una serie di processi chimici/biologici e dal fango risultante dalla depurazione come possibile ammendante del suolo o come combusto negli impianti di termovalorizzazione;
  • letame animale, attraverso la digestione anaerobica: un processo che utilizza microrganismi per abbattere il letame in assenza di ossigeno. Il processo produce metano e un liquido ricco di sostanze nutritive che può essere utilizzato come fertilizzante;
  • processi industriali, come scoria dalla produzione di acciaio;
  • scarti alimentari, per precipitazione della ‘struvite’ mediante aggiunta di magnesio per ottenere un tipo di fertilizzante;
  • urine, attraverso i bagni di diversione – tipiche in aree in cui mancano le infrastrutture per il trattamento delle acque reflue;
  • infine, nei prossimi anni ,dalle batterie al litio (con chimica catodica LiFePO4), a seguito dell’ondata di ‘elettrificazione’ che ha interessato il settore dei trasporti durante il periodo di rincari energetici dovuti alla guerra in Ucraina.

L’innovazione di queste tecniche di recupero del fosforo non può prescindere da un’analisi del ciclo di vita per valutare l’impatto economico e ambientale, al fine di garantire la sostenibilità durante l’applicazione 7.

Ciò è strettamente legato anche al concetto di economia circolare, nell’ottica di mirare a mantenere le risorse in uso il più a lungo possibile, estrarne il massimo valore, quindi recuperare e rigenerare prodotti e materiali al termine della loro vita utile 8.

Inoltre il riciclo di questa risorsa critica è in linea con gli obiettivi di sviluppo sostenibile (SDG) grazie a varie iniziative, tra cui spiccano quelle proposte da:

  • Associazione Internazionale dei Fertilizzanti (IFA), con «una serie che mostra l’impegno dell’industria dei fertilizzanti nel raggiungimento degli SDG, chiamata Agenda 2030: Trasformare il nostro mondo»;
  • Commissione Europea, avviando un piano d’azione per contribuire al raggiungimento dell’obiettivo del «patto verde europeo – Green Deal – per il 2030 di ridurre le perdite di nutrienti del 50%» 9

Ciò pone le basi per un futuro approvvigionamento globale del fosforo da fonti secondarie, il che consentirà di definire una linea più sottile per delineare le differenze tra materia prima e scarto.


Immagine realizzata dall’autore: ciclo di vita del fosforo in ottica di economia circolare. Le foto sono da Pexels e alcune sono eseguite con la cortesia dei seguenti autori: Kelly, Cotton Bro Studio, Mark Stebnicki, Mirko Fabian,  Oleksandr Pidvalnyi, Pok Rie.


A cura di Marta Castellini.

Note

  1. K. Ashley, D. Cordell e D. Mavinic, A brief history of phosphorus: From the philosopher’s stone to nutrient recovery and reuse, in“Chemosphere”, 84, 2011, pp.737–746. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2011.03.001
  2. C.R. Walton, O. Shorttle, F.E. Jenner, H.M. Williams, J. Golden, S.M. Morrison, R.T. Downs, R.B. Chowdhury, G.A. Moore, A.J. Weatherley, M. Arora, Key sustainability challenges for the global phosphorus resource, their implications for global food security, and options for mitigation, in “Journal Cleaner Production”, 140, 2017, pp. 945–963. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.07.012.
  3. US Geological SurveyPhosphate rock, Mineral Commodity Summaries, 2023.
  4. European Commission, 2020. Study on the Eu’s list of Critical Raw Materials – Critical Raw Materials Factsheets. https://doi.org/10.2873/11619.
  5. G. Orefice, Guerra in Ucraina e fertilizzanti, allarme per gli aumenti record dei prezzi, in “Il Sole 24 Ore” ,8 Marzo 2022.
  6. Piattaforma Italiana del Fosforo, Le tecnologie disponibili per il recupero del fosforo, Report P4, 2019.
  7. A. Fahimi, S. Federici, L.E.  Depero, B. Valentim, I. Vassura, F. Ceruti, L. Cutaia ed E. Bontempi,  Evaluation of the sustainability of technologies to recover phosphorus from sewage sludge ash based on embodied energy and CO2 footprint, in “Journal of Cleaner Production”, 125762, 2021, https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125762.
  8. M. El Wali, S.R. Golroudbary e A. Kraslawski, Circular economy for phosphorus supply chain and its impact on social sustainable development goals,  in “Science of the Total Environment” 777, 146060, 2021, https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146060.
  9. M. Smol, The importance of sustainable phosphorus management in the circular economy (CE) model: the Polish case study, in “Journal of  Materials Cycles and Waste Management”, 21, 2019, pp. 227–238. https://doi.org/10.1007/s10163-018-0794-6.
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