La metodologia di campionamento delle polveri sottili

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1 Milano, 6 Giugno 2007 Particolato atmosferico: dal campionamento all analisi La metodologia di campionamento delle polveri sottili Roberta Vecchi Istituto di Fisica Generale Applicata Università degli Studi di Milano & INFN - Milano Importanza delle particelle atmosferiche - impatto ambientale: - variazione delle proprietà ottiche dell'atmosfera con effetti sulla visibilità e sul bilancio energetico terrestre - nuclei di condensazione per formazione di nubi e nebbie - contaminazione del suolo e delle acque attraverso deposizione secca e umida - catalisi di reazioni chimiche in atmosfera - erosione e deterioramento di materiali - effetti sulla salute: - possono raggiungere l'organismo attraverso l'apparato respiratorio ed avere effetti sulla salute più o meno dannosi in dipendenza della loro natura fisico-chimica. 1

2 ... ma cosa si intende con polveri sottili? Le dimensioni delle particelle 2

3 Definizione di classi dimensionali PTS (Particolato Totale Sospeso): è composto da tutte le particelle con d ae inferiore a µm (era la frazione normata nel passato) PM10: è composto da tutte le particelle con diametro (d ae ) inferiore a 10 µm frazione di particolato normata per legge in Europa PM2.5: è composto da tutte le particelle con d ae inferiore a 2.5 µm prevista normativa nel prossimo futuro (già in USA) PM1: è detta anche frazione sub-micronica, è composta da particelle con d ae inferiore a 1 µm PM0.1: è detta anche frazione ultrafine, è composta da particelle con d ae inferiore a 0.1 µm Le particelle hanno forme molto differenziate particelle atmosferiche raccolte su filtro Immagini fornite dal Centro di Microscopia Elettronica, ARPA Lombardia 3

4 Aerosol atmosferico Insieme di particelle liquide e solide in sospensione in atmosfera Origine primaria: immesse direttamente in atmosfera dalle sorgenti Origine secondaria: prodotte in atmosfera da processi chimici e fotochimici, in particolare conversione gas-particelle Quali sono le sorgenti? 4

5 1) Sorgenti naturali, quali ad esempio: Spray marino Trasporto di Sabbia Sahariana Eruzioni vulcaniche Incendi di foreste ed altre ancora 2) Sorgenti antropogeniche, quali ad esempio: Traffico Attività Industriali Riscaldamento domestico Centrali termoelettriche Inceneritori ed altre ancora 5

6 La composizione chimica (composizione media tipo in area urbana) PM10 Metalli pesanti Elementi suolo PM2.5 Metalli pesanti Elementi suolo Altro Altro Solfato di Ammonio Materiale organico Carbonio elementare Nitrato di Ammonio Solfato di Ammonio Materiale organico Carbonio elementare Nitrato di Ammonio Il campionamento 6

7 DETERMINAZIONE DELL OBIETTIVO Scelta e Preparazione filtri CAMPIONAMENTO Determinazione concentrazione in massa Determinazione composizione Analisi e modellizzazione dati Campionatori di particolato Aria aspirata e introdotta in una testa di prelievo Testa di prelievo Ingresso aria Dimensioni del particolato selezionate dalla geometria della testa di prelievo e dal flusso Tubo di raccordo Particolato raccolto su opportune membrane filtranti Pompa Membrana Filtro filtrante 7

8 Alto volume (HVS) raccolgono grandi quantità di PM utilizzano filtri di grandi dimensioni (Φ=150 mm) e quindi è possibile suddividere il campioni in più parti da sottoporre ad analisi diverse o alla stessa analisi da parte di più laboratori solo alcuni sono sequenziali utilizzano prevalentemente filtri in fibra Basso volume (LVS) raccolgono modeste quantità di PM (pochi mg) utilizzano filtri di piccole dimensioni (Φ=47 mm) di svariata tipologia, adatti a numerose tecniche di laboratorio sono generalmente sequenziali Filtri a profondità: tipicamente sono filtri in fibra (di vetro/quarzo). Hanno grande capacità di ritenzione e trattengono le particelle sia sulla superficie che all interno.tendono a rilasciare fibre quando maneggiati e spesso hanno alti valori di bianco. Filtri a membrana: per es. PTFE, esteri di cellulosa, policarbonato. Hanno bassa capacità di ritenzione e trattengono le particelle solo s sulla superficie. Non rilasciano materiale quando maneggiati e hanno valori v di bianco molto più bassi dei filtri in fibra. Filtro in fibra di polistirene Filtro in esteri di cellulosa Filtro in policarbonato 8

9 L efficienza di raccolta è la percentuale di particelle di una determinata dimensione che il filtro è in grado di trattenere. Per l aerosol atmosferico i filtri non funzionano come setacci microscopici nei quali, cioè, solo le particelle più piccole dei pori passano oltre. NB: il minimo di efficienza a circa 0.2 µm ( µm) si deve al fatto che attorno a questo range dimensionale la diffusione è poco efficace perché le particelle sono già troppo grosse ma, d altro canto, esse sono ancora troppo piccole perchè l intercettazione e/o l impatto siano efficaci. Tipologie di Campionamento Campionamenti integrali: si raccolgono tutte le particelle indipendentemente dalle loro dimensioni (PTS, Particolato Totale Sospeso) Campionamenti frazionati: si selezionano le particelle campionate in base alla loro granulometria ponendo a monte del filtro un opportuno dispositivo (impattore, ciclone) che opera la separazione dimensionale. 9

10 Campionamento di PTS Si raccolgono tutte le particelle indipendentemente dalle loro dimensioni (limite sup. circa 50 µm): PTS, Particolato Totale Sospeso La testa di prelievo è costituita da un portafiltro in acciaio a cono aperto di 47 mm di diametro, come indicato sul DPCM del 28/5/83. Il prelievo a norma di legge, per la determinazione di PTS, deve avere una durata di 24 ore. La normativa vigente prevede che il prelievo avvenga con flusso di aspirazione fissato in 20 litri/minuto. IMPATTORE INERZIALE Nell impattore inerziale il taglio dimensionale avviene per separazione inerziale nella testa di prelievo raccolta su filtro D ( µ m) 50 W F 3 Impattore a stadio singolo Impattore multistadio 10

11 Effective Cut-off Diameter Il cut-off corrisponde ad un intervallo di valori pertanto si definisce il cut-off reale (Effective Cut-off Diameter, ECD) di ogni stadio come quel valore di d ae per il quale il 50% delle particelle con quel d ae vengono raccolte nello stadio e il 50% passano oltre: ECD = d cut-off reale = d 50% Hinds, 1999 Definizioni di PM10 e PM2.5 Definizioni di PM10 e PM2.5 D.M. 60/2002 PM10: frazione di particelle sospese in aria ambiente che passano attraverso un sistema di separazione in grado di selezionare le particelle atmosferiche di diametro aerodinamico di 10 µm, con un efficienza di campionamento pari al 50% PM 2.5: frazione di particelle sospese in area ambiente che passano attraverso un sistema di separazione in grado di selezionare le particelle atmosferiche di diametro aerodinamico di 2.5 µm, con un efficienza di campionamento pari al 50% 11

12 La norma definisce il misurando per convenzione, specifica le caratteristiche tecniche della testa di prelievo per PM2.5 nonché tutti i parametri operativi che sono coinvolti nell intero processo di misura. In particolare, lo standard descrive: - il metodo di misura manuale gravimetrica per il PM2.5 utilizzando filtri singoli; - tutte le caratteristiche del metodo, inclusa la valutazione degli errori di misura; - le procedure da adottare per determinare l equivalenza di metodi gravimetrici o automatici rispetto allo standard Nella EN14907 è illustrato come effettuare la valutazione delle incertezze e l individuazione delle differenti possibili sorgenti di errore, dati fondamentali per fornire risultati di concentrazione scientificamente robusti. La concentrazione in massa (espressa in µg/m 3, dove per volume la norma intende quello in condizioni attuali ovvero nelle condizioni reali registrate durante il campionamento) dovrebbe infatti essere fornita sempre corredata dal valore della propria incertezza. Non di minor importanza sono infine le procedure di QA/QC (Quality Assurance/Quality Control) relative a tutto il processo di misura dalla preparazione dei filtri, al campionamento e alla pesata in laboratorio. 12

13 Testa di prelievo EN (standard europeo) Low Volume Sampler Flusso: 2.3 m 3 /h Per le diverse frazioni dimensionali si montano ugelli opportuni High Volume Sampler Flusso: 68 m 3 /h (EN12341) 30 m 3 /h (EN14907) Testa di prelievo EPA (standard americano) Flusso: 1 m 3 /h per PM2.5 si monta impattore WINS o ciclone 13

14 CICLONE L aerosol è campionato tangenzialmente attraverso fessure rettangolari laterali ed è introdotto nella cavità conica. La traiettoria delle particelle non è deterministica: formula semi-empirica di Lippmann per la determinazione del diametro di taglio D 50 N ( µ m) = K F F = flusso K = costante empirica N = -0.5 se il flusso è laminare all interno della cavità IMPATTORE INERZIALE MULTISTADIO 14

15 DETERMINAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE IN MASSA Metodo manuale: determinazione gravimetrica della massa E' il METODO di RIFERIMENTO Prima e dopo il campionamento 48 ore di condizionamento in ambiente controllato con T = 20 ± 1 C e U.R. = 50 ± 5 % pesata con bilancia analitica con sensibilità di <10 µg (per LVS) e <100 µg (per HVS) e alloggiata nella stessa stanza in cui si effettua il condizionamento dei filtri. 47 mm 15

16 Metodi automatici: più adatti alle reti di monitoraggio 1. campionatori automatici basati su elementi oscillanti (TEOM, Tapered Element Oscillating Microbalance) - L elemento vibra ad una frequenza che dipende dalle sue proprietà geometriche e meccaniche e dalla massa del filtro. - Man mano che le particelle sono raccolte dal filtro la frequenza di oscillazione naturale dell elemento diminuisce. Consentono una risoluzione temporale elevata (1 4 ore) Funzionano in continuo con intervento dell operatore molto ridotto; Permettono la gestione in tempo reale 2. strumenti (β-gauge) basati sull assorbimento β Misurano l attenuazione di un fascio di particelle β, prodotte da una sorgente radioattiva, da parte del campione su cui è depositato il particolato. Con buona approx il numero di particelle β trasmesse attraverso un film sottile e uniforme è dato da: I I 0 = flusso incidente; µ x = I 0 e µ = coeff. di assorbimento massico (cm 2 /g); x = spessore massico del campione (g/cm 2 ) Noti µ e I 0, la misura di I può essere messa in relazione diretta con la massa del campione di particolato. µ e I 0 generalmente vengono determinati misurando I in funzione di x per alcuni campioni standard. 16

17 quindi nessun problema per il campionamento del particolato fine e la determinazione della concentrazione in massa? relazione dott. Febo!! Grazie per l attenzione! roberta.vecchi@unimi.it 17