CONTROLLO DELL'INQUINAMENTO AMBIENTALE con particolare riferimento all'atmosfera nel territorio di Castrovillari e nel suo comprensorio

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1 ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE "E. FERMI" CASTROVILLARI Via Piero della Francesca Tel Fax Dis. Scol. n. 19 Cod. Min. CSTF REGIONE CALABRIA Assessorato all'ambiente ITIS "E. Fermi" Castrovillari CONTROLLO DELL'INQUINAMENTO AMBIENTALE con particolare riferimento all'atmosfera nel territorio di Castrovillari e nel suo comprensorio Finanziamento Regione Calabria Dip. 5 Settore 17 Tutela dell'ambiente dall'inquinamento Prof. Giovanni Malagrinò Prof. Giuseppe Piloro Prof. Francesco Volpe Alunni della V sez. A e B corso Chimico a.s. 2001/02

2 INDICE 1 PREMESSA 2 LA MATRICE ARIA 3 IL PROBLEMA DELL AMBIENTE 4 INQUINAMENTO DELL ARIA 5 GLI INQUINANTI DELL ATMOSFERA 6 CARATTERISTICHE E EFFETTI DEI PIU COMUNI INQUINANTI SULLA SALUTE UMANA 7 PARAMETRI PER LA CARATTERIZZAZIONE DELLA QUALITA DELL ARIA 8 - ANALISI DELL'ARIA: LE STRATEGIE E I METODI 9 - ANALISI DELL'ARIA: INTRODUZIONE AI RISULTATI 10 - ANALISI DELL'ARIA: I RISULTATI 11 - ANALISI DELL'ARIA: CONCLUSIONI RINGRAZIAMENTI BIBLIOGRAFIA 2

3 1 -PREMESSA Questo breve lavoro è indirizzato a coloro che sui giornali o alla tv sentono continuamente parlare di inquinamento e vorrebbero saperne di più. Questo desiderio non è solo una sana curiosità intellettuale: vi sono sufficienti ragioni per pensare che l argomento sia di vitale importanza per tutti. L alterazione dell ambiente provocata da molte delle attività umane rende concreto il pericolo di catastrofi ecologiche, quali sconvolgenti cambiamenti di clima o la sostituzione di terre ricoperte di vegetazione con estese superfici di deserto. L inquinamento è un soggetto che interessa la vita di ognuno di noi : ogni aumento della quantità di sostanze estranee emesse nell ambiente corrisponde ad un peggioramento delle condizioni generali di vita. Se aumenta l inquinamento, vi saranno sempre più malattie polmonari e maggiore incidenza dei tumori. E possibile combattere tutto questo? Perché questo si realizzi è necessario che si crei una volontà comune che pesi sulle scelte di coloro che politicamente ed economicamente decidono. A sua volta la formazione di questa volontà richiede la conoscenza, almeno su grandi linee, di come certe azioni producano certi effetti. Il fenomeno dell inquinamento presenta molteplici aspetti, tutti connessi tra loro : occorre sapere da dove gli inquinanti provengono, quali sostanze e quali processi ne emettono in maggiore quantità, come gli inquinanti si diffondono, come si trasformano chimicamente, quali effetti provocano. E necessario infine avere una idea delle possibili azioni che possono ridurre al minimo la quantità delle sostanze immesse nell ambiente. Nell ambito più generale di qualità della vita, l aria occupa, accanto all acqua, al suolo e al benessere sociale, una posizione sicuramente predominante. Nonostante ciò è forse il bene più insidiato; sono sempre più frequenti e di dominio pubblico esempi di veri e propri disastri ambientali, oltre a casi in cui i danni possono sembrare meno preoccupanti 3

4 solo perché l effettiva portata il più delle volte è ignorata. A causa di ciò diventa sempre più importante poter disporre di mezzi di valutazione il più possibile rappresentativi della qualità dell aria. L Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha individuato tre effetti principali degli inquinanti atmosferici sulla salute in caso di prolungata esposizione (1): tossicità ematica tossicità genetica cangerogenicità Pertanto la presenza sul territorio di una rete di rilevamento dell inquinamento atmosferico consentirebbe di conoscere lo stato delle qualità dell aria e di seguirne l evoluzione. E evidente come tramite le conoscenze fisiche ed antropiche del territorio è possibile l individuazione di indicatori, che permettono, in sinergia con gli enti preposti alla salvaguardia dell ambiente, di creare condizioni utili a migliorare la qualità della vita. Sulla base di queste premesse l ITIS E.Fermi di Castrovillari ha costituito un gruppo di lavoro che ha proposto un progetto mirante a valutare la qualità dell atmosfera, nel territorio di Castrovillari e del suo hinterland, con particolare riferimento all area ricadente nella zona del Parco del Pollino, per rilevare la presenza di diversi inquinanti e determinare la loro concentrazione. Le attività programmate consistono: studio dell aria e dell inquinamento atmosferico per familiarizzare gli allievi alle tematiche da sviluppare nel corso del progetto; analisi della qualità dell aria, ovvero raccolta di dati sperimentali mediante misurazioni effettuate sul posto, con un laboratorio mobile, appositamente attrezzato per le rilevazioni di interesse; la divulgazione dei risultati ottenuti mediante la produzione di un cd-rom. 4

5 Tali attività hanno visto coinvolti anche gli alunni delle scuole medie inferiori presenti sul territorio, con interventi teorici, pratici, applicativi nei quali sono intervenuti gli allievi del nostro istituto con funzioni di tutoraggio e sensibilizzazione. 2 LA MATRICE ARIA L atmosfera terrestre, detta comunemente aria, è un enorme involucro gassoso costituito da aria vera e propria e cioè da una miscela di azoto, ossigeno, di vapore acqueo, di vari altri gas e di particelle liquide e solide sospese. L atmosfera viene suddivisa in un certo numero di regioni stratiformi concentriche con la terra, caratterizzate da un diverso stato termico, elettrico e da proprietà e composizioni differenti. Altezza ( Km ) termosfera Mesopausa Stratopausa mesosfera stratosfera 6 17 Tropopausa troposfera t ( C) Fig. 1 Andamento schematico della temperatura dell aria in funzione della quota 5

6 La troposfera, regione caratterizzata da una diminuzione costante di temperatura di circa 6 C/Km in altezza, contiene i ¾ dell aria e quasi tutto il vapore acqueo ed è la zona interessata all inquinamento atmosferico. In tabella n.1 è riportata la composizione di questa regione. TABELLA N.1: Composizione media della bassa atmosfera (aria secca) Gas Peso molecolare (P.M.) approssimato Composizione in Volume( * ) Composizione in peso % ppm % ppm Massa totale (g) Azoto (N2) Ossigeno Argo (A) Anidride carbonica Neon (Ne) Elio (He) Metano Cripto (Kr) Ossido nitroso Idrogeno Xeno (Xe) (*) In condizioni standard: t = 0 C; p = 760 mmhg 6

7 Nella stratosfera la temperatura cessa di diminuire e l aria che la costituisce ha ancora una composizione percentuale identica quella della troposfera ma con limitata umidità. Nella mesosfera la temperatura ricomincia a decrescere per poi riprendere repentinamente a ricrescere nella termosfera. 3 IL PROBLEMA DELL AMBIENTE L ambiente è tutto ciò che ci circonda: aria, acqua e suolo. Nell ambiente oltre all uomo vivono molte altre specie animali e vegetali. Esse utilizzano l ambiente per la propria vita: l aria per respirare, il suolo e l acqua per il nutrimento. Qualsiasi attività vitale, ed in particolare quella umana, altamente organizzata, tende in qualche modo a modificare l ambiente circostante. Non vi è niente di allarmante in tutto questo: l ambiente, anche quello atmosferico, possiede i mezzi per ammortizzare e riportare sotto controllo queste variazioni, se esse non superano certi limiti. Tuttavia, tutto ha un limite e in molti casi questo limite è pericolosamente vicino a essere superato. L inquinamento atmosferico è stato definito come l accumulo di sostanze in concentrazioni tali da provocare danni temporanei o permanenti ad uomini, animali, piante, beni. La società moderna è caratterizzata da una grande facilità di spostamento; copriamo sempre maggiori distanze in sempre minor tempo ed abbiamo sempre una maggiore autonomia individuale di movimento. Quest ultimo fatto si realizza grazie alla larghissima diffusione dell automobile. Chiunque abbia frequentato una scuola guida sa come funzione un motore a combustione interna. Una miscela di aria e combustibile viene aspirata in una camera di scoppio e viene accesa mediante una scintilla o per compressione. Il risultato principale della combustione è la formazione di anidride carbonica ed acqua. Tuttavia, accanto a queste, i gas di scarico delle automobili contengono altre sostanze: ossido di carbonio, ossidi di azoto, idrocarburi, materiale 7

8 particolato sotto forma di fuliggine e di composti del piombo e, nel caso di motori diesel, una certa quantità di ossidi di zolfo. Un tempo si guardava all aria e all acqua come riserve immense, in grado di assorbire i rifiuti senza subire modificazioni. La quantità di sostanze immesse nell aria e nell acqua, nei paesi industriali, è diventata così grande da sporcare permanentemente sia l aria che l acqua. Solo negli ultimi decenni si è cominciato a prendere coscienza del problema ambiente. E nata così la scienza dell ambiente. La tutela dell ambiente, indispensabile per la salvaguardia della vita stessa, diventa urgente e necessaria. 4 INQUINAMENTO DELL ARIA l inquinamento atmosferico determina una modificazione della normale composizione dello stato fisico dell aria atmosferica, dovuta alla presenza nella stessa di una o più sostanze in quantità e con caratteristiche tali da alterare le normali condizioni ambientali e di salubrità dell ari; da costituire pericolo ovvero pregiudizio diretto o indiretto per la salute dell uomo; da compromettere e alterare le risorse biologiche, gli ecosistemi, i beni materiali pubblici e privati. 5 GLI INQUINANTI DELL ATMOSFERA Il numero degli inquinanti primari emessi nell atmosfera ammontano a qualche centinaio. Se facciamo riferimento alla quantità globale di tutti gli inquinanti emessi, vediamo che cinque di essi contribuiscono da soli a più del 95% del totale. Questi inquinanti sono: l ossido di carbonio, il biossido di zolfo, gli ossidi di azoto, gli idrocarburi, il materiale particolato. La concentrazione di questi inquinanti con quella dell ozono, viene utilizzata come indice della qualità di un aria, e la legge fissa i valori massimi che queste concentrazioni possono raggiungere. Nell atmosfera, inoltre, le sostanze così dette primarie subiscono delle trasformazioni reagendo tra loro con i costituenti fondamentali dell aria, dando luogo a inquinanti secondari in numero ancora maggiore. 8

9 Inquinanti contenenti zolfo Figura 2: Mascherina antiinquinamento I principali composti dello zolfo presenti nell atmosfera sono: SO 2, SO 3, H 2 S, i solfuri e i mercaptani. SO 2 è un inquinante primario che è immesso nell atmosfera come prodotto della combustione di benzine e gasoli. Le più comuni fonti di SO 2 sono: auto, impianti di riscaldamento, industrie quali fonderie e raffinerie, impianti di incenerimento e centrali termoelettriche. Le emissioni di SO 2 sono distribuite in modo non uniforme; si considera più inquinata la zona tra il 30 e 60 di latitudine nord fino alla quota di m, in quanto questa parte dell atmosfera, che rappresenta circa il 20% del totale, può essere considerata anche per tempi lunghi un sistema isolato. L anidride solforosa a contatto con l ossigeno si ossida producendo SO 3, che, pertanto, può essere considerato un inquinante secondario. L anidride solforica reagisce con l acqua facilmente presente trasformandosi in acido solforico e solfati, i quali producono atmosfere inquinanti a carattere acido e riducente, come quelle di Londra e di Los Angeles. L H 2 S produce inquinamenti rilevanti solo in quelle aree nelle quali esistono particolari attività industriali, quali ad esempio concerie, raffinerie e cartiere. L H 2 S non è mai solo, ma sempre lo si trova accompagnato da mercaptani e da solfuri organici; esso si ossida facilmente a SO 2. 9

10 ENTRANO t/anno ATMOSFERA ESCONO PER Cause naturali (trascurabili) tra 30 E 60 N vulcani Attività umane 7x 10 7 Auto 1.8 x 10 6 SO 2 Industrie 9 x x 10 6 t PRECIPITAZIONI Riscaldamento 5.4 x 10 6 Impianti d incenerimento 2.7 x p.p.b. EFFETTO Centrali termoelettriche 4.5 x 10 7 GRAVITAZIONALE Figura 3 :Bilancio approssimato dell anidride solforosa (SO2) nella porzione di atmosfera compresa tra 30 e 60 di latitudine nord fino alla quota di metri. Inquinanti contenenti azoto L azoto è presente nell atmosfera sotto forma di ossidi, indicati generalmente con NOX, di acido nitrico e di ammoniaca. Gli ossidi di azoto presenti nell atmosfera sono : l ossido di azoto (NO), il biossido di azoto (NO 2 ) in equilibrio con il dimero (N 2 O 4 ) e l anidride nitrica (N 2 O 5 ). Essi si formano dalla combustione di sostanze organiche e sono principalmente prodotti nei motori a scoppio e nella combustione del metano. L anidride nitrica si idrata facilmente con formazione di acido nitrico (HNO 3 ) che può essere immesso anche direttamente, ma solo a livello locale, dalle industrie che lo producono o lo manipolano. L ammoniaca (NH 3 ) viene prodotta dalle industrie locali, che la manipolano, e da processi di putrefazione e di combustione di sostanze organiche. Tale 10

11 sostanza conferisce all atmosfera un carattere basico non sufficiente a neutralizzare gli acidi presenti in essa. Altri composti dell azoto, rinvenuti in atmosfere inquinate, sono i perossiacilnitrati, che sono prodotti secondari di complesse reazioni fotochimiche. Figura 4 ENTRANO t/anno ATMOSFERA ESCONO PER Cause naturali 1.8 x 10 4 tra 30 E 60 N Reazione biologica 1.8 x 10 4 Attività umane 4.5 x 10 7 Auto 1.8 x 10 7 TRASFORMAZIONI Industrie 1.8 x x 10 6 t IN NITRATI Centrali termoelettriche 5.4 x 10 6 Riscaldamento 1.8 x p.p.b. INTERAZIONI CON Impianti d incenerimento 1.8 x 10 6 LA VEGETAZIONE NO x Bilancio approssimato degli ossidi di azoto (NOx) nella porzione di atmosfera compresa tra 30 e 60 di latitudine nord fino alla quota di metri. Da tale bilancio è escluso l ossido nitroso (N2O) costituente naturale dell atmosfera. Inquinanti contenenti carbonio Il più comune è l anidride carbonica (CO 2 ), ma notevole importanza riveste anche il monossido di carbonio (CO), il quale, prodotto dalla combustione incompleta delle sostanze organiche in difetto di ossigeno, viene immesso nell atmosfera dagli scappamenti degli autoveicoli, soprattutto quando questi ultimi bruciano miscele molto ricche. Questa quantità si aggiunge a quella che viene generata nella troposfera a partire dal metano. Tuttavia, vi sono altre 11

12 fonti che contribuiscono notevolmente alla produzione di monossido di carbonio: incendi di boschi, processi di incenerimento di rifiuti, combustioni agricole di sterpaglia, di residui di raccolti e di vegetazioni. Anche alcune attività industriali specifiche contribuiscono all inquinamento di monossido di carbonio. Tra queste ricordiamo l industria cartaria, petrolifera e di fonderia. Un altra sorgente di CO, a livello di ambienti ristretti, è il fumo di tabacco. La concentrazione di CO delle città è, a causa del traffico, ben superiore a 0,1 ppm, che costituiscono il valore normale di un area non inquinata. Le zone di pesante traffico e dove barriere architettoniche, come sottopassaggi e gallerie, impediscono la libera circolazione dell aria, si possono raggiungere per qualche secondo concentrazioni di ppm. Questo è ovviamente un caso limite, ma media di ppm nei centri cittadini e di 4-5 ppm nelle zone residenziali non sono rare. Figura 5 ENTRANO t/anno INTERA ATMOSFERA ESCONO PER Cause naturali 1.8 x Vulcani 9 x 10 9 FOTOSINTESI 1.8 x Decomposiz. Sost. org. 1.8 x Respirazione 9 x 10 8 CO x t ASSORBIMENTO NEGLI Attività umane 1.8 x OCEANI 325 p.p.b. Combustione 1.8 x Industrie 1.8 x 10 5 REAZIONE CON LE ROCCE Bilancio approssimato dell anidride carbonica (CO2) nell intera atmosfera. 12

13 Idrocarburi Le diverse categorie di idrocarburi hanno differenti proprietà, utilizzazioni, nocività. Idrocarburi inquinanti sono quelli insaturi e aromatici, che sono immessi nell atmosfera assieme ai prodotti delle combustioni, condotte sia a volume costante (motori a combustione interna) sia a pressione costante (centrali termiche, impianti di incenerimento). Ad esempio, l etilene, se presente nell atmosfera, rallenta la crescita delle piante interferendo con gli ormoni che ne regolano il metabolismo. Particolato (Particelle sospese) Nell atmosfera sono presenti anche microscopiche goccioline liquidi o piccole particelle solide a cui viene dato complessivamente il nome di particolato atmosferico. Particelle e goccioline possono formarsi con vari meccanismi di condensazione e di dispersione. Una parte di questi processi, anzi, ancora una volta, la maggior parte, considerando l atmosfera nel suo complesso sono di origine naturale. Le dimensioni del particolato sono molto variabili e possono andare un millesimo di micron fino a qualche millimetro. Di seguito sono riportate le dimensioni di alcuni costituenti il particolato (il diametro espresso in micron): 13

14 nerofumo 0,001-0,3 Fumo di tabacco 0,01-0,2 Aerosol di piombo 0,1-5 Pigmenti di vernici 0,1-10 Pesticidi 0,5-10 Nebbia 1-50 Emissioni di cementifici Ceneri Sabbia sollevata dal vento Il particolato atmosferico può diffondere la luce del sole riemettendola in tutte le possibili direzioni; il risultato è che una quantità minore di luce raggiunge la superficie della Terra. Questo fenomeno presenta effetti locali, per esempio la diminuzione di visibilità, ed effetti globali, come una possibile influenza sul clima. La presenza del particolato favorisce la formazione delle nebbie, perché le particelle forniscono nuclei intorno a cui condensarsi alle microscopiche goccioline che formano la nebbia. 14

15 Figura 6 ENTRANO t/anno ATMOSFERA ESCONO PER Cause naturali 10 8 tra 30 E 60 N Nebbia 2.7 x 10 8 GRAVITA Polveri naturali 5.5 x 10 7 Particelle Polveri meteoriche 1 x 10 3 IMPATTO Attività umane x 10 7 t Polveri e ceneri industriali 2.7 x 10 7 FORMAZIONE DI NUCLEI Scarico rifiuti solidi 1.8 x 10 6 DI CONDENSAZIONE Composti di zolfo 5.5 x µg/m 3 Riscaldamento 1.8 x 10 6 DILAVAMENTO Autoveicoli 1.8 x 10 6 Bilancio approssimato delle particelle sospese nella porzione di atmosfera compresa tra 30 e 60 di latitudine nord fino alla quota di metri. 6 CARATTERISTICHE E EFFETTI DEI PIU COMUNI INQUINANTI SULLA SALUTE UMANA E cosa ormai ben nota che la presenza nell atmosfera di alcune sostanze di cui ci stiamo occupando, non sia particolarmente conveniente per l uomo e per il mantenimento di un buono stato di salute. Molte sostanze esplicano i loro effetti patologici quando sono presenti in concentrazioni molto basse; Spesso l'attività di una sostanza è amplificata dalla presenza di altre che reagiscono con essa o servono da veicolo per dirigerla verso particolari organi del corpo umano; alcuni prodotti chimici si accumulano in certi organi e vi permangono 15

16 per un tempo molto lungo. Per esempio idrocarburi clorurati sono stati riscontrati nel sangue di individui che avevano vissuto per qualche tempo in aree nel quale era presente un elevata concentrazione di queste sostanze, molti anni dopo che gli individui in questione avevano abbandonato tale area. Dunque, gli effetti della esposizione agli inquinanti possono manifestarsi con molto ritardo. Le ricerche su questo punto devono necessariamente essere condotte con la collaborazione di esperti in diversi campi (tossicologi, fisiologi, chimici, fisici e medici del lavoro. Gli effetti degli inquinanti sulla salute umana sono molto diversi e dipendono dalle proprietà chimico fisiche delle molecole che compongono gli inquinanti stessi. DI seguito sono descritti gli effetti dei più comuni inquinanti ambientali. Ozono E il principale rappresentante dello smog fotochimico. Alle concentrazioni di 0,05 ppm inizia la percezione del suo caratteristico odore, a 0,1 ppm produce secchezza delle mucose, a 1 ppm si hanno dolori di capo e solo a livelli elevati, cioè a concetrazioni maggiori di 1,7 ppm, si può avere congestione ed edema polmonare. Ossidi di azoto Il biossido di azoto (NO2) è il rappresentante del gruppo degli ossidi di azoto, in quanto NO, N2O, N2O3, N2O4, N2O5 tendonon a trasformarsi in NO2 per reazioni chimiche che avvengono nell atmosfera. A concentrazioni di 1-3 ppm inizia la percezione del suo odore, a ppm si ha irritazione delle mucose, dosi ancora più elevate possono provocare gravi conseguenze, come a circa 150 ppm bronchiolite e a circa 500 ppm, anche per esposizioni di pochi minuti, edema polmonare e morte. Come effetto cronico sono descritte fibrosi polmonari ed enfisema polmonare conseguenti ad esposizioni di ppm. 16

17 Anidride solforosa Gli ossidi di zolfo sono inquinanti molto comuni, derivanti dalla combustione dove per ogni parte di SO3 si producono in generale parti di SO2. Al di sotto dei 25 ppm gli effetti irritanti dell SO2 sono limitati alle congiuntiviti ed al tratto superiore dell apparato respiratorio con aumento delle secrezioni, ciò, in quanto trattasi di un gas altamente solubile. Alle concentrazioni di 0,3 ppm è avvertito come odore sgradevole, a 1ppm il polso accelera così come il respiro, a 1,6 ppm sono stati descritti fenomeni di bronco-costrizione, a 10 ppm causa irritazioni ad occhi naso e gola. Le conseguenze a lungo termine per esposizioni a bassi livelli sono di alta incidenza di naso-faringitti, tosse insistente ed espettorazione abbondante. Particolato Il particolato può essere considerato in linea generale costituito da due grandi frazioni: le particelle di diametro maggiore a 10 micron, di origine naturale e che il corpo può bloccare meccanicamente, e particelle di 0,1 micron che possono giungere fino agli alveoli polmonari e di lì passare direttamente nel sangue e derivano dalla combustione o dai processi industriali. Quest ultima è la frazione più pericolosa perché l organismo non ha sviluppato nessuna difesa meccanica contro queste particelle. Nel particolato sono presenti diverse sostanze inquinanti, tra le quali quelle più pericolose sono sicuramente il piombo, il mercurio e l asbesto i cui effetti saranno brevemente trattati di seguito. Piombo La maggior parte del piombo presente nel particolato del piombo presente nel particolato proviene dagli additivi aggiunti alla benzina, quantità di gran lunga minori derivano dall incenerimento dei rifiuti solidi, dalla combustione del carbone, dalla lavorazione die minerali. Del particolato di piombo presente 17

18 nell aria circa un terzo si deposita nei polmoni e circa la metà di esso viene trasferita nel sangue dopo un paio di giorni. Il contenuto medio di piombo nel sangue della popolazione industriale è ormai intorno a 200 µg/l, un valore che è pericolosamente vicino a quelli che con sicurezza sono associabili a effetti dannosi per la salute. Ad esempio a concentrazioni µg/l possono manifestarsi fenomeni di intossicazione grave, come il saturnismo i cui sintomi (crampi addominali, paralisi dei centri nervosi, anemia) sono ben noti per il loro presentarsi in soggetti colpiti da avvelenamenti. Il piombo si accumula principalmente nel sangue, nei reni e nelle ossa; esso può provocare aborti nelle donne incinte e può essere trasferito nella placenta provocando un calo di fertilità negli uomini. La presenza di livelli anormali di piombo nell organismo, è stata messa in relazione con una serie di effetti che vanno dalla facile irritabilità a casi di ritardo mentale, soprattutto in età infantile. Mercurio Il mercurio entra nel corpo prevalentemente per ingestione, perché, attraverso la catena alimentare, si accumula in particolari cibi, come alcuni tipi di pesce; il mercurio metallico ha una tendenza non trascurabile a passare allo stato gassoso e particolari categorie di lavoratori a contatto con il metallo e con i suoi sali inorganici e organici possono presentare intossicazioni. Come e più del piombo si lega ai gruppi contenenti zolfo, degli enzimi e delle membrane cellulari. Vengono così provocati seri danni al sistema nervoso. L espressione inglese matto come un cappellaio, il simpatico cappellaio matto di Alice nel paese delle meraviglie, derivano entrambi dal fatto che i sali di mercurio venivano usati per infeltrire i cappelli. Gli addetti a queste lavorazioni erano, quindi, particolarmente soggetti a disturbi di tipo nervoso. Asbesto I termini asbesto e amianto sono impiegati per indicare un materiale a base di fibre di silicati di diametro intorno ai millionesimi di millimetro che si uniscono a formare aggregati più grandi. Questi materiali trovano impiego in 18

19 diversi settori tecnologici, per esempio nell edilizia come isolante acustico e come materiale antincendio e rivestimento dei freni e delle frizioni. Le piccole fibre di asbesto possono giungere fino ai polmoni provocando delle microferite che possono degenerare in forme tumorali. Il processo è abbastanza lungo e richiede anche anni dall inizio dell esposizione. L azione dell asbesto è cumulativa e irreversibile; effetti patologici gravi si rendono manifesti solo dopo lunghe esposizioni in ambienti che contengono nell aria concentrazioni elevate di inquinante. Fortunatamente nell aria cittadina, non si ritrova più di qualche fibra per metro al cubo. Benzene e derivati ( Tuolene e o-m-p- Xileni ) Il benzene (C 6 H 6 ) è un composto chimico formato da sei atomi di idrogeno e sei di carbonio disposti a struttura planare esagonale(fig.1) è un liquido incolore, altamente infiammabile, che possiede un odore inconfondibile; sia il liquido che il vapore provocano effetti fisiologici dannosi agli animali ed alle persone. Il benzene deve essere considerato velenoso e deve essere trattato con precauzione. Il tempo di permanenza del benzene in atmosfera è molto elevato, valutabile in diversi giorni, in quanto la sua reazione con radicali ossidrilici procede molto lentamente. Il benzene fu ottenuto in passato principalmente come sottoprodotto della distillazione del carbone fossile; oggi la fonte più importante è la lavorazione del petrolio. Le emissioni naturali di questo composto sono pressoché nulle, per cui la sua presenza in atmosfera è essenzialmente dovuta a processi di tipo antropico. Tali processi sono riconducibili all industria petrolifera ed alla combustione di prodotti petroliferi, inclusi i carburanti. Infatti, il benzene, come altri idrocarburi aromatici, costituisce una delle specie chimiche presenti nel petrolio greggio. L emissione da combustione di prodotti petroliferi è, soprattutto, il consumo di carburanti, causano l emissione in atmosfera di grandi quantità di benzene, particolarmente nei centri urbani, ove, infatti, vengono registrate le concentrazioni più elevate e, di conseguenza, ove sono previste le esposizioni più elevate. 19

20 Da alcuni casi conclamati di esposizione di lavoratori è stata messa in evidenza la natura dannosa del benzene. Infatti, può causare avvelenamento cronico per esposizione a concentrazioni relativamente basse, ed avvelenamento acuto persino letale per esposizioni a forti concentrazioni. Le concentrazioni letali sono vicine a ppm, e provocano la morte entro un minuto, mentre 7500 ppm provocano la morte entro minuti. L intossicazione acuta si manifesta rapidamente e presenta la seguente successione di sintomi: ebbrezza, eccitazione psichica, nausea, vomito, alterazione del sensorio, perdita della coscienza, sudorazione, convulsioni, ipotermia, paralisi dei centri bulbari, morte. L avvelenamento può avvenire per contatto con la pelle che, perdendo il grasso, conduce alla desquamazione secca e alla formazione di papule vescicolari. L intossicazione cronica riduce l attività emopoietica del midollo osseo, con conseguente anemia. I sintomi sono: leucopenia, anemia, diminuzione delle piastrine, astenia, pallore, dispnea da sforzo, manifestazioni emorragiche. La massima concentrazione tollerabile nell aria, per una esposizione di 8 ore giornaliere, è di 20 ppm in volume (65 mg/m3). Il 46% del benzene inalato viene trattenuto nel corpo ed è assorbito rapidamente nel sangue. Il benzene è eliminato parzialmente per via polmonare e nelle urine. Per le ragioni sopra esposte il benzene può essere classificato come cangerogeno genotossico. Le sorgenti di benzene sono attribuibili alle attività antropiche; è quindi possibile stimare grossolanamente quali possono essere i contributi relativi alla sua emissione in atmosfera. La scarsissima quantità di dati disponibili e l assenza di alcuni inventari delle emissioni permette solo di stimare questi contributi. Nella tabella seguente vengono riportate le stime dei vari contributi. 20

21 Tab. 2 Sorgente Emissione % Scarichi autoveicolari benzina 70 Scarichi autoveicolari Diesel 10 Evaporazione di carburanti da veicoli 13 Distribuzione dei carburanti 5 Altre combustioni 1 Processi industriali 1 Toluene Il toluene è un liquido incolore con caratteristico odore aromatico con formula C7H8, è presente nelle benzine, dove i composti aromatici tendono a sostituire gli additivi a base di piombo per motivi di inquinamento ambientale. Dopo l etilene, il benzene ed il propilene, nell ordine, il toluene è il quarto prodotto organico, come quantità, tra quelli utilizzati come materie prime. Si ricava dal trattamento di frazioni petrolifere e, l emissione nell atmosfera dipende quasi esclusivamente dalla combustione parziale dei prodotti petroliferi. Il toluene è un prodotto chimico di relativa tossicità. L esposizione, se prolungata, può essere pericolosa. Contaminazioni in parti del corpo con toluene non sono nocive se rimosse rapidamente, mentre il contatto con gli occhi può provocare gravi danni. Xileni Gli xileni, cioè gli isomeri orto, meta, para, tutti di formula bruta C8H10 sono composti aromatici della famiglia del benzene. Questi composti venivano recuperati dai sottoprodotti della preparazione del coke metallurgico, con la crescita della domanda come componenti di benzine ad alto numero di ottani, il petrolio è divenuta la loro fonte principale, grazie ai processi di reforming. 21

22 L emissione in atmosfera dipende, prevalentemente, come per il benzene e toluene da parziale combustione dei prodotti petroliferi. Sono dei prodotti chimici di relativa tossicità, e, a contatto delle pelle possono determinare infiammazioni ed eritemi locali, mentre concentrazioni del vapore superiori allo 0,1% nell aria sono irritanti per gli occhi. Carbonio monossido (CO) Il monossido di carbonio CO più semplicemente noto come ossido di carbonio, è un gas incolore ed inodore, si compone di molecole biatomiche semplici, ognuna composta da un atomo di carbonio combinato con un atomo di ossigeno. Nell ambiente urbano piccole quantità di CO sono normalmente presenti nell atmosfera, originate dai gas di scarico delle automobili. Effetti fisiologici molto importanti risultano principalmente dalla facilità con la quale l emoglobina del sangue si combina con il CO per formare la carbossiemoglobina. La funzione essenziale dell emoglobina è di trasportare l ossigeno dai polmoni ai tessuti, ed il CO combinandosi con quella impedisce questa funzione. Questo è l effetto principale, ma vi sono anche alcune modifiche secondarie nella chimica del corpo che tendono a complicare la situazione. Nella maggior parte dei casi il 10% del sangue può essere reso inattivo senza che la persona ne soffra visibilmente. Una disattivazione del % provoca tuttavia mal di testa, nausea, svenimento e vomito; una del 30-40% annebbiamento della vista, indebolimento della coordinazione muscolare; una del40-60% è causa di debilità fisica e di confusione mentale che porta alla perdita dei sensi; mentre con il 60% del sangue reso inattivo è probabile che sopraggiunga la morte. L affinità del CO per l emoglobina è circa 250 volte quella dell ossigeno, e per questo motivo piccole percentuali di CO riducono sensibilmente la capacità ossidante del sangue. 22

23 E impossibile attribuire un valore preciso agli effetti prodotti in seguito all inspirazione di CO dall aria perché essi dipendono dal peso corporeo e dal grado di attività; tuttavia si possono considerare rappresentativi i dati riportati nella tabella. Condizioni di equilibrio di CO nel sangue Tab. 3 Aria inspirata (CO, %) Saturazione del sangue (%) 0, , , , , , ,16 70 Effetti fisiologici della percentuale di CO inspirata Tab. 4 0,01 % CO nell aria Nessun effetto O,02 % CO nell aria Mal di testa, rallentamento mentale entro poche ore 0,06 % CO nell aria Mal di testa in meno di 1 ora, perdita dei sensi in 2 ore 0,1 % CO nell aria Perdita dei sensi in 1 ora; effetto mortale entro 4 ore 7 PARAMETRI PER LA CARATTERIZZAZIONE DELLA QUALITA DELL ARIA L'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha indicato come parametri di controllo per la qualità dell'aria le concentrazioni di alcune sostanze presenti nell'atmosfera. L'OMS, in campo internazionale, e il Ministero dell'ambiente, per l'italia, hanno stabilito quali sono i valori limite per tali parametri. Valori al di sopra dei valori limite indicano che l'aria possiede un alto grado di inquinamento. 23

24 Tabella 5. Valori limite di qualità dell aria nell ambiente esterno (D.P.C.M. del 28 Marzo 1983 n. 30 e D.P.R. del 24 Maggio 1988 n. 203) Inquinante Valore limite Biossido di zolfo (SO 2 ) Mediana delle concentrazioni medie di 24 h nell arco di 1 anno:80 µg/m 3 Biossido di zolfo (SO 2 ) 98 percentile delle concentrazioni medie di 24 h nell arco di 1 anno:250 µg/m 3 Biossido di zolfo (SO 2 ) Mediana delle concentrazioni medie di 24 h rilevate durante l inverno:130 µg/m 3 Biossido di azoto (NO 2 ) 98 percentile delle concentrazioni medie di 1h rilevate durante l anno:200µg/m 3 Ozono (O 3 ) Concentrazione media di 1 h da non raggiungere più di una volta al mese: 200µg/m 3 Monossido di C (CO) Concentrazione media di 8 h: 10 µg/m 3 Concentrazione media di 1 h: 40 µg/m 3 Piombo Media aritmetica delle concentrazioni medie di 24 h rilevate in 1anno:2 µg/m 3 Fluoro Concentrazione media di 24 h: 20 µg/m 3 Fluoro Media delle concentrazioni medie di 24 h rilevate in un mese: 10 µg/m 3 Particelle sospese Media aritmetica di tutte le concentrazioni medie di 24 h rilevate nell arco di 1 anno: 150 µg/m 3 Particelle sospese 95 percentile di tutte le concentrazioni medie di 24 h rilevate nell arco di 1 anno: 300 µg/m 3 Idrocarburi totali (escluso il metano come C) Concentrazione media di 3 h consecutive in periodo del giorno da specificarsi espressa secondo le zone a cura delle autorità regionali competenti: 200 µg/m 3 (da adottarsi solo nelle zone e nei periodi in cui si siano verificati superamenti significativi dei valori dell ozono) Accanto a quelli limite, il Ministero ha definito i valori guida, cioè quelli che caratterizzano un'aria di buona qualità. Tabella 6. Valori guida di qualità dell aria nell ambiente esterno (D.P.R. del Maggio 1988 n. 203) Inquinante Valore guida Biossido di zolfo (SO 2 ) Media aritmetica delle concentrazioni medie di 24 h nell arco di 1 anno: µg /m 3 Biossido di zolfo (SO 2 ) Valore medio delle 24 h: µg/m 3 Biossido di azoto (NO 2 ) 50 percentile delle concentrazioni medie di 1 h rilevate durante l anno:50µg/m 3 Biossido di azoto (NO 2 ) 98 percentile delle concentrazioni medie di 1 h rilevate durante l anno: 135µg/m 3 Particelle sospese Media aritmetica delle concentrazioni medie di 24 h rilevate nell arco di 1 anno: µg fumo nero equivalente/m 3 (1 Aprile- 31 Marzo) Particelle sospese Valore medio delle 24 h: µmg fumo nero equivalente/m 3 (dalle 00 alle 24 di ogni giorno). 24

25 8 - ANALISI DELL'ARIA: LE STRATEGIE E I METODI I parametri per la valutazione della qualità dell'aria La qualità dell'aria è stata valutata determinando le concentrazioni delle seguenti sostanze inquinanti nell'atmosfera: 4 Monossido di carbonio 4 Benzene 4 Toluene 4 Etilbenzene 4 M-p-xileni I siti delle misure Le misure sono state effettuate nei seguenti siti: 4 Via Padre Pio - Castrovillari 4 Piazza Mercato - Castrovillari 4 Piazza Municipio - Castrovillari 4 Variante di Morano Calabro Le zone di Castrovillari scelte per le misure, sono tra loro diverse sia dal punto di vista urbanistico che di traffico. Una situazione a parte è, poi, quella di Morano Calabro, un piccolo centro collinare situato a pochi chilometri da Castrovillari. Alcuni rilievi sono stati eseguiti anche a Frascineto e a S. Basile. Gli operatori Le determinazioni sono state eseguite dagli alunni delle classi V Chimico A e V Chimico B dell' I.T.I.S. "E. Fermi" di Castrovillari sotto la supervisione dei docenti proff. G. Piloro e F. Volpe. Alle attività hanno preso parte gli alunni e i docenti delle scuole medie di Morano C. e "E. De Nicola" di Castrovillari. 25

26 Durante gli esperimenti la consulenza tecnica è stata offerta dal Dr. B. Caruso della CO.E.Co s.r.l., la ditta fornitrice delle apparecchiature. 26

27 Figura 8: Misure a Morano Calabro. La raccolta dei dati Gli esperimenti sono stati condotti nel mese di novembre del 2001, in giorni differenti nei diversi siti. Per consentire a tutti gli studenti coinvolti di partecipare alle diverse attività, le determinazioni sono state effettuate in orario scolastico, dalle ore 8,30 alle ore 13,30. Le rilevazioni sono state ripetute, in ogni postazione, ad intervalli di 15 minuti. Determinazione del contenuto di monossido di carbonio. Principio del metodo Lo spettro di assorbimento del monossido di carbonio presenta un massimo in corrispondenza della lunghezza d'onda 4,67 µm, la quale corrisponde a una radiazione che cade nella regione dell'infrarosso (IR) dello spettro 27

28 elettromagnetico. L' intensità dell'assorbimento alla lunghezza d'onda λ di una qualunque specie chimica dipende dalla sua concentrazione, attraverso la seguente relazione ( Legge di Lambert e Beer): A (λ)= ε b c Nella quale A è l'assorbanza misurata alla lunghezza d'onda λ, ε è il coefficiente di estinzione un parametro caratteristico della specie assorbente, b il cammino ottico della radiazione e c la concentrazione della specie assorbente. Poiché ε è una costante per una data molecola e b è un parametro strutturale dello strumento impiegato, è possibile determinare la concentrazione desiderata misurando l'assorbanza: c= costante x A (λ). La concentrazione del monossido di carbonio è determinata misurando la assorbanza a λ=4,67 µm e ricavando da essa la concentrazione applicando la legge di Lambert e Beer. Apparecchiatura e principio di funzionamento Le concentrazioni di CO nell'aria sono state determinate impiegando l'analizzatore CO11M dell'environment S.A.. Gli elementi caratteristici dell'apparecchiatura sono: Sorgente di radiazioni IR a larga banda ( IR transmitter) Disco rotante asservito da un motore elettrico (Correlation wheel) Cella di misura a multi-riflessione (optical bench) Canale di ingresso del campione da analizzare (Sample inlet) Rivelatore IR (IR detector) Pc Il campione viene aspirato attraverso un tubo di PTFE collegato nel retro dell'analizzatore e dotato di un filtro che trattiene le eventuali polveri. Il campione è aspirato nella cella di misura mediante una pompa. 28

29 La sorgente di radiazione è costituita da un filamento riscaldato ad una temperatura prefissata. La radiazione emessa è a larga banda e viene inviata sul disco ruotante il quale è suddiviso in sei sezioni: 2 settori opachi, 2 settori vuoti e 2 settori con cella di CO. La radiazione incidente passa sequenzialmente attraverso le tre sezioni del disco rotante generando tre diverse radiazioni sequenziali che giungendo al rivelatore generano tre differenti segnali elettrici: un segnale di zero, corrispondente al settore opaco; un segnale di "misura", corrispondente al settore vuoto; un segnale di riferimento, corrispondente al passaggio attraverso la cella contenente una concentrazione nota di CO alla pressione di 0,5. Il fascio di misura e quello di riferimento, dopo avere attraversato la cella di misura sono filtrati con un filtro interferenziale, in maniera da lasciare emergere una radiazione monocromatica con λ=4,67 µm. L'azzeramento è effettuato rendendo uguali il segnale di misura e quello di riferimento. Se il campione inserito nella cella di misura contiene CO, il raggio di riferimento non risulta più attenuato, mentre lo è il raggio di misura. Questa attenuazione provoca uno sbilanciamento misurato dal rivelatore, dal quale, applicando la legge di Lambert e Beer, può essere determinata la concentrazione di CO in ppm o in mg/m 3. Il rivelatore è costituito da una cella Pb-Se, raffreddata a -30 C. Dopo pre amplificazione, il segnale analogico è convertito in digitale e processato attraverso il pc. Determinazione delle concentrazioni di benzene, toluene e xilene (BTX). Principio del metodo L'aria da analizzare è introdotta in un tubo contenente una sostanza che adsorbe selettivamente i composti aromatici volatili, tra i quali il benzene, il toluene e lo xilene. I gas adsorbiti vengono desorbiti dal substrato mediante riscaldamento a 350 C e poi inviati ad un gas cromatografo utilizzando come gas di trasporto l'azoto. I componenti della miscela vengono separati e identificati mediante l'analisi dei tempi di ritenzione. Ogni specie,infatti, impiega un tempo caratteristico, denominato tempo di ritenzione, per migrare dall'ingresso all'uscita della colonna cromatografica e giungere così al 29

30 rivelatore. Le concentrazioni delle diverse specie vengono determinate calcolando, mediante processi di integrazione matematica, il valore dell'area sottesa dai picchi caratterizzanti il cromatogramma. Figura 9: cromatogramma con indicazioni per il tempo di ritenzione di diversi aromatici. Apparecchiatura e principio di funzionamento Per la determinazione del BTX è stato impiegato il misuratore VOC 71 M della Environment S.A. combinato con un rivelatore a fotoionizzazione (PID= photoionization detector). L'apparecchiatura comprende: Un sistema di campionamento Un gascromatografo con rivelatore PID Un pc per: a) la programmazione delle misure, b) l'acquisizione e c) la rielaborazione dei dati. 30

31 Il campione di aria è introdotto in un tubo di campionamento contenente una specie che adsorbe selettivamente i composti volatili e aromatici, i quali vengono successivamente desorbiti per riscaldamento a 350 C e vengono inviati al gascromatografo utilizzando un gas inerte, in questo caso l'azoto, come gas di trasporto. La miscela di composti volatili così ottenuta è riadsorbita nel tubo di "pre-focussing", un tubo di silice contenente un adsorbente poco selettivo rispetto alla dimensione delle molecole da adsorbire. Mediante riscaldamento a 350 C e ventilazione con azoto, la miscela BTX è immessa nella colonna cromatografica ( EPA624). La separazione dei diversi componenti avviene all'interno della colonna. Ogni specie, infatti, migra a una velocità caratteristica. I gas all'uscita della colonna cromatografica giungono al rivelatore PID, il quale genera una micro corrente che è amplificata da un elettrometro e tradotta, tramite un adatto convertitore, in un segnale digitale che può essere letto e elaborato dal microprocessore. I componenti della miscela sono identificati attraverso il tempo di ritenzione, in questo caso definito come il tempo che intercorre tra il desorbimento nel tubo di prefocussing e il tempo a cui una data specie giunge al rivelatore PID. Il benzene, il toluene e i tre isomeri dello xilene sono riconosciuti dal microprocessore in base ai tempi di ritenzione, mentre le loro concentrazioni sono determinate attraverso l'integrazione dei picchi del cromatogramma. 31

32 Figura 10: Apparecchiature per la misura delle concentrazioni di monossido di carbonio e di benzene, toluene, xilene e etilbenzene nell'aria. Figura 11: Sistemazione della bombola contenente il gas di trasporto (azoto), necessario per la misura delle concentrazioni di benzene, toluene, etilbenzene e m-p-xilene. 32

33 9 - ANALISI DELL'ARIA: INTRODUZIONE AI RISULTATI La concentrazione La concentrazione è una grandezza chimico-fisica che è utilizzata per esprimere la composizione di un miscuglio, cioè di un materiale derivante dal mescolamento di diverse sostanze. Essa è la misura del rapporto tra la quantità presente in un miscuglio di un componente e quella del miscuglio stesso. Essa può essere definita in un numero diverso di modi e, pertanto, espressa adottando unità di misura diverse. Poiché i questo lavoro le concentrazioni sono state espresse in ppm e µg/mc, si riportano di seguito le due definizioni necessarie a comprendere il significato dei dati presentati. Parti per milione (ppm) Questa unità di misura è stata impiegata per esprimere la concentrazione del monossido di carbonio così definita: massa in grammi di CO concentrazione= di grammi di aria Milligrammi per metro al cubo (µg/mc) In questo modo sono espresse le concentrazioni del monossido di carbono e del benzene e dei suoi derivati. In questo caso la concentrazione è definita nel modo seguente: µg di soluto concentrazione= volume di aria in mc ricordando che 1 µg corrisponde a un milionesimo di grammo. 33

34 Proprietà fisiche degli inquinanti rilevati Il monossido di carbonio a temperatura ambiente è un gas. La sua presenza nell' aria è dovuta alla combustione incompleta dei combustibili (benzina o diesel). Il benzene, il toluene, l'etilbenzene e gli xileni a temperatura ambiente sono liquidi che bollono alle temperature riportate nel quadro informativo. Queste sostanze sono tra i principali componenti della benzina e la loro presenza nell'aria è provocata dalla loro mancata combustione, particolarmente a motore freddo. Quadro informativo Punti di ebollizione Benzene Toluene Etilbenzene Xilene (isomeri) 80 C 112 C 136 C ~ 138 C 10 - ANALISI DELL'ARIA: I RISULTATI Determinazione della concentrazione di monossido di carbonio La concentrazione di monossido di carbonio è stata misurata ad intervalli regolari di 15 minuti. I dati raccolti sono stati impiegati per costruire i grafici di seguito riportati. 34

35 Concentrazioni del monossido di carbonio concentrazione (ppm) CO mercato Castrovillari municipio Castrovillari Padre Pio Castrovillari Morano Calabro Tempo (ore) Figura 12: Variazione della concentrazione di monossido di carbonio rispetto al tempo nei vari siti di misurazione. I dati registrati a Castrovillari hanno un andamento similare: la concentrazione di CO raggiunge un picco intorno alla 11. Prima delle la concentrazione di CO è molto più bassa, probabilmente a causa di un minore traffico automobilistico nei dintorni dei siti di misura. Nelle prime ore del mattino, l aria a piazza mercato ha un più elevato contenuto di CO; questo è facilmente spiegabile, visto che nei mercati le attività e, quindi, il traffico automobilistico, cominciano molto presto. Nettamente diversa si presenta la situazione a Morano Calabro: il tenore di CO, infatti, rimane pressoché costante nell arco della giornata e sempre a un valore più basso di quelli relativi a Castrovillari. La posizione geografica di Morano, situato in montagna e distante da grossi insediamenti civili e industriali, è la ragione del basso contenuto di CO della sua aria. I dati a disposizione non consentono di fare un confronto diretto con i valori limite e i valori guida dei decreti ministeriali già citati, perché questi ultimi si riferiscono a medie calcolate su valori misurati nell arco di un intera giornata. 35

36 Avendo il progetto lo scopo di sensibilizzare gli studenti al problema ambientale, gli esperimenti sono stati condotti sempre in orario scolastico in maniera da consentire il pieno coinvolgimento degli allievi delle classi VA e VB dell ITIS E. Fermi e di quelli delle scuole medie di Morano e E. De Nicola di Castrovillari. Nonostante ciò è possibile notare che in tutti i casi la concentrazione di CO rimane sempre al di sotto dei valori limite. Nel caso di Morano è addirittura possibile affermare che nell arco dell intera mattinata il contenuto di CO dell aria è sempre ben al di sotto del valore limite stabilito. I dati registrati a S. Basile e a Frascineto sono simili a quelli relativi a Morano. Figura 13: Misure in corso. 36

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