TRACCIA Time Resolved Aerosol Characterization: Challenging Improvements and Ambitions

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1 TRACCIA Time Resolved Aerosol Characterization: Challenging Improvements and Ambitions Sezioni partecipanti: Firenze Resp. Naz. Franco Lucarelli FTE 3.1 Genova FTE 2.8 Milano FTE 2.1 L esperimento si inserisce nella linea di ricerca basata sull uso di tecniche di analisi con fasci di ioni (e non solo!) per lo studio del particolato atmosferico che, nel corso del tempo, si è concretizzata nelle sigle di CSN5: SCRIBA, MASAI, NUTELLA, NUMEN, MANIA, DEPOTMASS.

2 Il ruolo della PIXE per lo studio degli aerosol 5-10 minuti per rivelare fino a 20 elementi (Na al Pb) Buoni limiti di rivelabilità fino ai µg/g (ng/m 3 ) Possibilità di analizzare campioni con poca massa Analisi di campioni raccolti con alta risoluzione temporale Analisi non distruttiva senza alcun pretrattamento del campione può essere completata con l applicazione di alter tecniche IBA PIXE dà solo una parte delle informazioni richieste Altre tecniche competitive: ICP-MS XRF SR-XRF Un prerequisito è l uso dell appropriato set-up sperimentale che permetta di sfruttare in pieno le potenzialità della PIXE

3 1-3 min/campione Z>10

4 La tecnica PIXE deve essere usata quando la sua applicazione può dare informazioni uniche o in maniera molto più semplice o rapida rispetto a altre tecniche competitive Tempi di misura molto brevi (~ 60 sec rispetto a parecchi minuti o ore): centinaia di campioni possono essere analizzati in un giorno Rivelazione di tutti gli elementi crostali : studio degli episodi di trasporto dal Sahara e dell aerosol naturale Nessun pre-trattamento del campione: è importante quando si abbiano campioni con molta poca massa e quindi qualsiasi contaminazione è drammatica (per es. l aerosol minerale nelle carote di ghiaccio polari per studi sul paleoclima) È possibile analizzare campioni con pochissima massa: campioni raccolti con alta risoluzione temporale (per es. 1 ora invece di 24 ore)

5 Source apportionment MODELLI A RECETTORE La composizione del PM al sito recettore é una combinazione della composizione degli aerosol emessi dalle differenti sorgenti (profili delle sorgenti): Le particelle mantengono la composizione elementale/chimica caratteristica della loro origine x ij g f k ik kj Tecniche multivariate (APCA, PMF, ) hanno bisogno di una serie di campioni che contengono material dallo stesso set di sorgenti in proporzioni diverse. Aumentare la risoluzione temporale permette di avere campioni che hanno al loro interno una maggiore variabilità rispetto al contributo delle diverse sorgenti e questo rafforza molto le capacità delle tecniche multivariate.

6 TARANTO Statte Altoforno Orsini Cementificio

7 Il gruppo INFN si è affermato come riferimento mondiale per le analisi composizionali ad alta risoluzione temporale ( ~ 1 ora) utilizzando un campionatore streaker che raccoglie le frazioni fine e grossolana dell aerosol con risoluzione oraria.

8 APPLICAZIONI RECENTI 1. Progetto Europeo LIFE+ AIRUSE 2. Progetto Europeo LIFE+ DIAPASON (Roma) in coll. con ISAC-CNR 3. Acciaieria a Taranto, Port Talbot (Galles) 4. Inceneritore a Montale 5. Londra, Alicante, Catalogna APPLICAZIONI FUTURE 1. Studio sorgenti a Pechino 2. Presentato progetto città indiane 3. Particolato a Roma 4. Progetto LIFE+ CULTAIR?? 5. Richieste da Croazia, Polonia, Spagna, Italia IMPORTANTE 1. Attività di conto terzi!! 2. Attività di elevato valore scientifico: pubblicazioni su riviste internazionali (>10 negli ultimi 2 anni)

9 Analisi della composizione del PM ad alta risoluzione temporale con la tecnica PIXE (Particle Induced X-Ray Emission) Collo di bottiglia: il campionatore! Per consolidare la leadership INFN nel settore si intende progettare e costruire un nuovo dispositivo (STRAS: Size and Time Resolved Aerosol Sampler), che sia quindi di proprietà intellettuale INFN, e che abbia prestazioni nettamente migliori in termini di affidabilità e quantità del materiale depositato (target: aumentare di 1 OdG) permettere: per Ottenere migliori sensibilità e ampliare lo spettro di elementi rivelabili Ridurre ulteriormente i tempi di misura

10 Il nuovo campionatore verrà progettato sulla base delle principali esigenze analitiche ed in particolare dovrà superare le limitazioni attualmente presenti nel campionatore streaker. Impattazione non filtraggio Motori leggeri, affidabili, rotazione (struttura più compatta)

11 Fasi della realizzazione del campionatore 1) Test di opportuni motori per la movimentazione del campione 2) Studio di possibili alternative per la realizzazione del campionatori (per impattazione, filtraggio, circolare, lineare ) 3) Sviluppo di un prototipo di campionatore e modifica del controller attualmente in uso Fase intermedia: «scatola» per testare l effettiva separazione granulometrica richiesta 1) Per verificare le prestazioni del nuovo campionatore si farà uso della camera di simulazione atmosferica Chambre, costruita dal gruppo INFN di Genova (anche) grazie alla precedente sigla DEPOTMASS, per produrre aerosol con composizione e granulometria nota. Saranno necessari miglioramenti/modifiche di Chambre. A fini di validazione si utilizzeranno anche analisi SEM dei campioni raccolti

12 Messa a punto e validazione: misure in camera di simulazione atmosferica

13 Studi ancillari 1) Ulteriori sviluppi sul set-up (rivelatori, motori, sistema misura corrente) 2) Studio dei problemi che si creano per l analisi quantitativa aumentando lo spessore del deposito (sezioni d urto gamma.) 3) Sviluppo di tecniche complementari (ottiche) 4) Sviluppo delle tecniche di analisi multivariata (PMF, ME) per l identificazione delle sorgenti per un uso combinato dei dati tradizionali a risoluzione giornaliera con i dati ad alta risoluzione temporale

14 Set-up e acquisizione Sostituzione FC Sistema di rivelatori Determinazione della massa del deposito con tecnica STIM Acquisizione digitale

15 PIGE Il materiale che si deposita sul substrato non si distribuisce uniformemente ma si deposita sotto forma di grani. Per valutare quindi gli effetti della perdita di energia e dell autoassorbimento bisogna considerare ciò che avviene all interno dei singoli grani nonché le forme, le dimensioni e la densità del materiale che li compone. Per la radiazione la sezione d urto di produzione dipende fortemente dall energia del fascio che varia nell attraversare le particelle di dimensioni diverse; questo fatto porta a sensibili variazioni nel numero di emessi. E perciò necessario conoscere l andamento della curva di resa in modo da poter individuare regioni in cui la sezione d urto rimane pressoché costante (plateau) su un intervallo di energie confrontabile col la perdita d energia nel bersaglio.

16 Oltre le tecniche IBA: verso la caratterizzazione completa dell aerosol atmosferico Il nuovo dispositivo sarà adatto non solo alle analisi IBA ma anche alle metodologie ottiche sviluppate a Genova e Milano e che consentono di distinguere le sorgenti del particolato carbonioso ovvero la combustione di fossili da quella di biomassa

17 Sviluppo temporale 1 ANNO Studio delle varie opzioni possibili per la realizzazione dello STRAS (compreso le modifiche sul controller e la scelta dei motori per la rotazione) Realizzazione e test al SEM e in camera CHAMBRE di un pre-prototipo per verificare l effettivo funzionamento aerodinamico del campionatore Disegno del prototipo dello STRAS Sviluppo delle tecniche di analisi multivariata quantitativa Modifica dello strumento termo-ottico

18 Sviluppo temporale 2 ANNO Costruzione dei prototipi di STRAS e dei nuovi controller Test in camera e campagne ad hoc di interconfronto con altri campionatori Sviluppi nuovo set-up misure IBA Studio di fattibilità dell'uso di altre tecniche IBA per analisi quantitative di campioni più spessi Test volti alla modifica del set-up del fotometro attualmente in uso per adattarlo alle caratteristiche dei depositi raccolti con STRAS 3 ANNO Eventuali modifiche al prototipo di STRAS Prima campagna di raccolta del particolato con il nuovo STRAS, con modalità che saranno concordate con gli Enti esterni interessati (quali ad es. le Agenzie Regionali per la Protezione Ambientale o altri gruppi di ricerca nazionali o internazionali). Upgrade del sistema di acquisizione per misure IBA al LABEC Applicazione delle metodologie messe a punto ai campioni reali di PM già prelevati col nuovo campionatore

19 MILESTONES Giugno 2017: Studio delle varie opzioni possibili per la realizzazione dello STRAS Settembre 2017: Realizzazione e test di un pre-prototipo; modifica della camera di simulazione atmosferica Dicembre 2017: Progettazione del disegno del prototipo dello STRAS; modifica dello strumento termo-ottico. Sviluppo delle tecniche di analisi multivariata quantitativa Giugno 2018: Costruzione dei prototipi di STRAS e dei nuovi controller. Sviluppi nuovo set-up misure PIXE e test su uso di altre tecniche IBA. Dicembre 2018: Test in camera di simulazione atmosferica del prototipo e campagne ad hoc di interconfronto con il vecchio campionatore e altri campionatori certificati; modifica del set-up del fotometro attualmente in uso per adattarlo alle caratteristiche dei depositi raccolti con STRAS Giugno 2019: Eventuali modifiche al prototipo di STRAS; prima campagna di raccolta del particolato con il nuovo STRAS Dicembre 2019: Upgrade del sistema di acquisizione per misure IBA al LABEC. Analisi dei campioni raccolti

20 Richieste economiche SEDE/anno Missioni Costr. Apparati Inventariabile Consumo Manutenzione TOT Firenze Firenze Firenze Genova Genova Genova Milano Milano Milano

21 GRAZIE PER L ATTENZIONE