Il laboratorio LAMI Università di Cassino L esperienza di San Vittore del Lazio Attività di ricerca

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1 Il laboratorio LAMI Università di Cassino L esperienza di San Vittore del Lazio Attività di ricerca

2 Laboratorio LAMI DiMSAT Università di Cassino Centro SIT per: umidità,, pressione, temperatura, massa (PalMer( PalMer), lunghezze (PalMer), acustica (PalMer( PalMer) Collaborazioni di ricerca ventennali con INRIM, Torino

3 L impianto di termovalorizzazione di San Vittore del Lazio (FR) Collaudo (2002) Ruolo dell Universit Università di Cassino Strategia di comunicazione con il territorio Da luglio 2006: ACEA s.p.a. è proprietaria

4 Trend delle emissioni dei macroinquinanti: NOx NOx [mg/nm 3 ] /9/03 29/1/04 27/6/04 24/11/04 23/4/05 20/9/05 17/2/06 17/7/06 14/12/06 Reference document on the Best Available Techniques for Waste Incinerator EU Commission (2005) -(143 WMI in Europe)

5 Trend delle emissioni dei macroinquinanti: polveri 10 8 Polveri [mg/nm 3 ] /9/03 29/1/04 27/6/04 24/11/04 23/4/05 20/9/05 17/2/06 17/7/06 14/12/06 73% of the WMI in Europe presents a limit of 5 mg/nm 3 )

6 Le attività di controllo e di ricerca Coordinamento e supervisione analisi microinquinanti Analisi termofluidodinamica della camera di combustione Caratterizzazione acustica dell impianto Analisi sull applicazione delle B.A.T. Technologies) all impianto (Best Available Progettazione, realizzazione e supervisione scientifica di un laboratorio per la caratterizzazione chimico-fisica del CDR Coinvolgimento con parere vincolante nella progettazione del potenziamento dell impianto sulla base delle B.A.T. (fino a 24 MWe) Confronto tecnico-economico economico tra i diversi sistemi di incenerimento (su griglia, gassificatori,, pirolisi) Caratterizzazione delle polveri emesse dall impianto in termini morfologici, dimensionali e di composizione (metalli pesanti - SEM)

7 Coordinamento e supervisione analisi microinquinanti Supervisione nel monitoraggio dei microinquinanti Scelta dei laboratori di fiducia per l Amministrazione (Eco Research BZ, INDAM BS) Diossine in falda

8 Coordinamento e supervisione analisi microinquinanti ng I-TEQ/kg Scorie (14%) x 1.6 = 0.22 ng I-TEQ Ceneri (7%) x 93 = 6.5 ng I-TEQ CDR in ingresso Fumi 8 Nm 3 x = 0.05 ng I-TEQ Le diossine in uscita sono pari a 6.8 ng I-TEQ/ kg kg CDR Il limite più restrittivo per l emissione l complessiva di diossine in impianti di incenerimento è contenuto in una legge giapponese del 1997 (New Guideline for Controlling Dioxins: 5 ng I-TEQ/ kg RSU )

9 Analisi termofluidodinamica della camera di combustione Analisi termofluidodinamica camera di post-combustione della (D.M. 5 febbraio 1998 e D.L. n. 133/05: temperatura minima dei gas nella camera di combustione di 850 C raggiunta anche in prossimità della parete interna; tempo di permanenza minimo dei gas nella camera di combustione di 2 secondi).

10 Potere calorifico = kj/kg

11 Installazione di un termometro ad infrarossi monocromatico (C0 2 ) Land CD1 Incinerator thermometer

12 Caratterizzazione acustica dell impianto (convenzione di ricerca settembre 2006) Implement the noise reduction measures described in 4.7, and in doing so to achieve a noise level of below 35 db (A) at a minimum distance of 160 m Integrated Pollution Prevention and Control, Draft Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration, Draft March 2004

13 Analisi sull applicazione delle B.A.T. (Best Available Technologies) Incarico di ricerca nell agosto 2006 Coinvolgimento con parere vincolante nella progettazione del potenziamento dell impianto (fino a 25 MWe) Progetto da presentare entro la fine dell anno 2006

14 Progettazione, realizzazione e supervisione scientifica di un laboratorio per la caratterizzazione chimico-fisica del CDR Data inizio attività: : 2 agosto 2006 Analisi chimico-fisica e merceologica Un responsabile e un operatore Accreditamento SINAL entro due anni

15 Caratterizzazione delle polveri emesse dall impianto in termini di composizione (metalli pesanti - SEM)

16 Caratterizzazione delle polveri emesse dall impianto in termini di composizione (metalli pesanti - SEM) Chiung-Wen Hu, Mu-Rong Chao, Kuen-Yuh Wu, Gou-Ping Chang-Chien, Wen-Jhy Lee, Louis W., Wei-Shan Lee, Characterization of multiple airborne particulate metals in the surroundings of a municipal waste incinerator in Taiwan, Atmospheric Environment 37 (2003)

17 Caratterizzazione delle polveri emesse dall impianto in termini morfologici e dimensionali Problematiche metrologiche nella misura della concentrazione delle polveri da sorgenti e in atmosfera

18 Definizioni sulle polveri e sull aerosol atmosferico Le tipiche distribuzioni di concentrazione di polveri in atmosfera Composizione chimico-fisica delle polveri Le trasformazioni dell aerosol atmosferico Effetti delle polveri sulla salute umana La concentrazione delle polveri in atmosfera Il problema indoor La misura gravimetrica Il conteggio delle polveri (APS) La misura della distribuzione delle polveri (SMPS) Confronto tra diverse fonti di emissione

19 La nanoscienza ha avuto un rapido sviluppo negli ultimi tempi: airborne nanoparticles and nanotechnology Ricerca con Google: , nanoparticles web sites, atmospheric nanoparticles 161 web sites , nanoparticles web sites, atmospheric nanoparticles web sites Il prefisso nano è utilizzato dal momento che le proprietà dei materiali cambiano in funzione delle dimensioni del materiale attorno ai 10-9 m. P i,q =f(l x, l y, l z )

20 Un nanometro corrisponde alla lunghezza di crescita della barba corrispondente al tempo necessario per portare il rasoio al viso 1 nm = 10-3 μm = 10-9 m Il limite superiore per considerare delle particelle come nanoparticelle varia in funzione delle diverse applicazioni polveri grossolane (PM10) D eq <10 μm polveri fini (PM2.5.5) D eq <2.5 μm Polveri ultrafini - D eq < 0.1 μm Nanoparticelle D eq < μm m (50 nm)

21 Il contributo dei veicoli su strada sulle PM10 è solo del 25%

22 Il diametro di un capello umano è pari a circa nm Parametri fisici Dimensione Forma Area superficie esterna Concentrazione Velocità assunzione Radioattività Parametri chimici Composizione Corrodibilità Parametri biologici Organo o tessuto coinvolto Condizioni di salute Variabilità individuale

23 L aerosol atmosferico è una sospensione metastabile di particelle di varie dimensioni e composizione sospese in aria. Al contrario delle sospensioni colloidali (in liquido), gli aerosol generalmente non possono rimanere stabili per periodi prolungati. Alcuni dei componenti possono essere volatili e suddividersi tra le particelle e la fase gassosa. La più importante proprietà delle nanoparticelle è probabilmente la dimensione (diametro). Sono definiti diametri equivalenti quelli di particelle sferiche che si comportano allo stesso modo nel particolare apparato di misura. Poiché esistono molteplici modi di misurare la dimensione, ci sono diversi modi di definire diametri equivalenti

24 Diametro equivalente aerodinamico Il diametro aerodinamico equivalente di una particella è definito come il diametro di una sfera di densità unitaria (ρ = 1 g cm -3 ) che ha la stessa velocità di deposizione della particella in questione. Quest ultima non deve avere necessariamente una densità unitaria e/o essere sferica. Poichè la maggior parte delle particelle sono composte di materiale con densità maggiore di quella standard, di conseguenza il diametro aerodinamico equivalente è tipicamente maggiore del diametro della particella. Comunque, forme molto irregolari presentano un fattore di forma molto grande (per una sfera = 1) con conseguente riduzione del diametro equivalente aerodinamico.

25 L aerosol atmosferico è caratterizzato da una distribuzione delle dimensioni delle particelle. Number distribution, surface area distribution, mass distribution vs. dimensione Nelle diverse rappresentazioni uno o più picchi (mode) possono essere osservati. Passando dalla number alla surface area alla mass distribution si osservano mode spostate verso dimensioni maggiori.

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28 L aerosol atmosferico tipicamente evolve nel seguente modo: 1. le particelle sono generate, in aggiunta a quelle direttamente emesse, per nucleazione di vapori supersaturi; 2. le piccole particelle crescono per coagulazione e/o condensazione in particelle più grandi; 3. le particelle si depositano su superfici (anche di particelle più grandi) per diffusione; 4. le particelle più grandi si depositano per sedimentazione o sono semplicemente lavate dall atmosfera per precipitazione.

29 Coagulazione termica Per particelle con d p < 0.1 μm (raggio particella < libero cammino medio molecolare) il processo diffusivo è di tipo molecolare e non si può applicare la legge di Fick ma la descrizione matematica dei moti browniani. Generalmente si utilizzano coefficienti correttivi di tipo empirico rispetto alla diffusione di tipo continuo. Es.: da particelle monodisperse di diametro 1 μm si riporta il tempo necessario per arrivare ad avere un valore di concentrazione pari a metà (t 1/2N ) o per avere tutte particelle di diametro doppio (t 2d ).

30 Intercettamento Impatto inerziale

31 Coagulazione cinematica in un flusso laminare All interno di un campo di moto caratterizzato da un gradiente di velocità, le particelle tenderanno a seguire diverse linee di flusso con differenti velocità. Può esserci la possibilità di una coagulazione cinematica per intercettamento. I tal caso la probabilità aumenta all aumentare delle dimensioni (d p > 2.5 µm). W.C. Hinds, 1999, Aerosol Technology Properties, Behaviour,, and Measurement of Airborne Particles, Wiley and Sons, New York.

32 Condensazione La condensazione di vapori è il processo dominante per il trasporto di massa dalla fase vapore al particolato con conseguente crescita delle dimensioni delle particelle presenti nell aerosol atmosferico. La condensazione richiede un vapore supersaturo (pressione parziale maggiore della pressione di saturazione ed una superficie su cui il vapore condensa (ad esempio quella di particelle presenti nell aerosol).

33 Meccanismi di deposizione e rimozione Deposizione per diffusione: molto più efficiente per piccole particelle, non è un processo di trasporto di particelle su grandi distanze. Modello diffusivo continuo (legge di Fick) per particelle più grandi e molecolare (moti browniani) per particelle più piccole. A differenza delle molecole di gas, le particelle tendono ad incollarsi su delle superfici che rappresentano quindi un pozzo con concentrazione pari a zero.

34 Meccanismi di deposizione e rimozione Deposizione per sedimentazione gravitazionale: deposizione su terreno o sulla superficie di altre particelle più grandi (scavenging). Es. Concentrazione di particelle di 1/cm 3. In tab. Sono riportate le particelle depositate dopo 100 s. Diffusione Sedimentazione gravitazionale

35 Meccanismi di deposizione e rimozione DR interaction èla deposizione per intercettamento di particelle che diffondono. Tale interazione rappresenta un meccanismo di deposizione praticamente indipendente dal diametro. La diffusione è il solo meccanismo di rimozione per particelle fino a 100 nm. Particelle più grandi possono essere rimosse per intercettamento, impatto e sedimentazione gravitazionale. In aggiunta a questi processi che rimuovono direttamente massa, le particelle possono essere rimosse per coagulazione. La coagulazione non rimuove massa ma sposta la dimensione delle particelle in altri range (accumulation mode) dove altri processi di rimozione di massa sono più efficienti.

36 Effetti delle particelle sulla salute umana Numerose ricerche negli ultimi anni hanno rilevato la pericolosità delle polveri sulla salute umana. La frazione fine e ultrafine sono di particolare interesse per la loro capacità di raggiungere i polmoni e la regione alveolare. Nelle aree industrializzate la maggior parte delle particelle fini e ultrafini è originato da attività antropiche, in particolare da processi di combustione industriale e da emissioni connesse al traffico stradale.

37 Effetti delle particelle sulla salute umana La legislazione vigente nella maggior parte dei casi è però incentrata esclusivamente sulla massa emessa. Tale approccio sembra inadeguato dal momento che le particelle con diametro > 2.5 μm tendono a precipitare nelle vie respiratorie.

38 Effetti delle particelle sulla salute umana Nel 1997 l EPA (Environmental Protection Agency) ha rivisto i limiti focalizzando l attenzione anche sul PM2.5.

39 Deposizione di particelle nel tratto respiratorio Il legame tra le particelle presenti in atmosfera e la salute umana è rappresentato dalla respirazione con conseguente deposizione di particelle nel tratto respiratorio. La deposizione di particelle interessa non solo per capire gli effetti sulla salute umana ma anche il trasporto di prodotti farmaceutici. La deposizione nei polmoni è basata sui meccanismi già analizzati: sedimentazione, impatto inerziale, intercettamento, diffusione e elettroforesi. Però, a differenza dei filtri, il sistema di deposizione è molto più complicato a causa della variazione di geometria, della portata, in condizioni molto umide che potrebbero portare ad una crescita delle particelle per condensazione. Necessità di un approccio sperimentale con sviluppo di equazioni di tipo empirico.

40 Deposizione di particelle nel tratto respiratorio

41 Deposizione di particelle nel tratto respiratorio Dal punto di vista della deposizione, il sistema respiratorio si può suddividere in tre parti, diverse per struttura, flusso, funzionalità, tempo di residenza e sensibilità alle particelle. La prima è la regione extratoracica (verde): include naso, bocca, faringe e laringe. L aria inalata viene qui riscaldata e umidificata. La seconda è la regione tracheobronchiale (arancione e rosso scuro). Questa regione è disegnata come un albero rovesciato dove la trachea rappresenta il tronco che si divide ulteriormente in bronchi e bronchioli. La terza è la regione alveolare, responsabile per gli scambi di massa tra l aria presente nei polmoni ed il sangue (rosso chiaro).

42 Deposizione di particelle nel tratto respiratorio Il sistema respiratorio di un adulto processa m 3 di aria al giorno (0.5 l di aria inalati a riposo per 12 volte a minuto). Un adulto inala circa di particelle in città al giorno, 100 volte di più che in zone incontaminate La superficie di scambio è pari a circa 75 m 2 con circa 2000 km di capillari. I meccanismi di deposizione più importanti sono la sedimentazione e l impatto per le particelle più grandi, la diffusione per quelle più piccole. Le particelle che entrano in contatto con le pareti (molto umide) non rientrano nel flusso. Una soluzione completa del moto non è possibile tramite le equazioni fondamentali (Navier-Stokes). Qualche informazione sui meccanismi di deposizione nei vari tratti si è ottenuta sperimentalmente.

43 Deposizione di particelle nel tratto respiratorio Il meccanismo di deposizione per impatto è osservato nei tratti a grande sezione, con velocità elevate. La deposizione per sedimentazione èpiùimportante nelle piccole vie per particelle grandi, dove le velocità sono basse. La deposizione per diffusione, per particelle con diametro < 0.5 μm, è importante nella regione alveolare. Una significativa frazione di particelle ultrafini e nanoparticelle (20-80%) è depositata nei polmoni ad ogni respiro.

45 Deposizione di particelle nel tratto respiratorio Dopo la deposizione, le particelle permangono per tempi variabili, funzione delle proprie proprietà fisico-chimiche e del meccanismo di rimozione. La superficie delle prime due regioni è rivestita da uno strato di muco che è trasportato lentamente verso la laringe e, quindi, al tratto gastrointestinale. Questo trasporto permette di rimuovere le particelle dal tratto respiratorio nel giro di qualche ora. La regione alveolare non presenta lo stesso strato di muco. Le particelle insolubili depositate in questa regione sono rimovibili molto lentamente, con periodi variabili di mesi o anni. Le particelle solubili passano invece la membrana alveolare per entrare nel sangue.

46 Deposizione di particelle nel tratto respiratorio Aumento numero di decessi Aumento numero di giorni di ricovero Effetti respiratori: Diminuzione breve periodo della capacità respiratoria, aumento dolori toracici Infiammazioni polmonari Danni permanenti ai polmoni Aumento del numero di attacchi asma Effetti cardiovascolari: - Mancanza di ossigeno nel sangue - Aumento del numero di infarti Aumento del rischio di tumori Aumento predisposizione a infezioni tra I bambini

49 La concentrazione di polveri in atmosfera

50 Numero di particelle in atmosfera part./cm 3 nelle remote zone continentali e aree marine part./cm 3 nelle aree urbane part./cm 3 lungo le strade e durante la formazione di nuove nanoparticelle, generalmente durante periodi di elevata radiazione solare

51 In summer: PTS = 15.4 μg/m part./cm 3 average peak diameter = 67 nm In winter: PTS = 19.5 μg/m part./cm 3 average peak diameter = 59 nm Birmingham city: PTS = 45.8 μg/m part./cm 3 average peak diameter = 30 nm Background area: part./cm 3

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53 The particle number (D<500 nm) concentrations and size distributions at the underground subway station were very similar to those measured at the urban background monitoring site indicating that the source of particles of this size is street traffic. The average daytime particle number concentration was (±14 000) particles cm 3 compared to (±17000) particles cm 3 at an urban background monitoring site (D<320 nm).

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55 Nonostante la massa emessa di particelle dei motori diesel sia molto maggiore dei motori alimentati a benzina, durante percorsi autostradali i due tipi di motore presentano emissioni in numero simili.

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57 The concentration of fine and ultrafine particles decay to about half of the maximum at a distance of m at Brisbane Shi et al. observed a faster decline of particle number concentration than mass concentration in Birmingham

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59 1991: riscaldamento a carbone, motori a due tempi 1998: riscaldamento a metano,, auto moderne Scavenging (coagulation) più importante diffusione

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61 La concentrazione di polveri in ambienti confinati

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65 Cooking activities: part./min (especially frying and stove cooking) Tobacco smoking: part./min Incense stick burning: part./min Tobacco smoke and incense burning particles are more reactive than cooking particles Based on the current study, smoking one cigarette can produce aerosol particles equivalent to the amount produced during intermediate cooking for about half hour and tobacco smoke particles may stay airborne up to 10 h. Cooking activities (2 hours): 5 10 part Tobacco smoking (20 cigarettes, 5 minutes): part Incense stick burning (5 hours): part Incinerator (1 hour): part

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67 Municipal waste incineration plant (23 MW) 1. Aerodynamic particle sizer (APS) 2. Scanning mobility particle sizer (SMPS) costituita da differential mobility analyzer (DMA) e condensation particle counter (CPC)

68 How long do they persist in the atmosphere? Modeling indicates that for typical urban conditions characteristic times and transit distances for 90% reduction of total number (mainly ultrafine) concentrations are on the order of a few minutes and m, respectively. Thus high ultrafine and nanoparticle concentrations from engines are expected to be found mainly on and near roadways a hotspot problem

69 Municipal waste incineration plant (23 MW) EMISSIONI MOTORI ( part/km/veh) EMISSIONI INCENERITORI ( part/h) DATI FLUSSO VEICOLARE Volume del traffico sui tratti elementari della rete autostrade per l Italia. Anni (edizione Luglio 2005): veicoli ogni ora sull A1 n. auto equiv ESP off EMISSIONI CONTATTO RUOTE-STRADA 1 ora di emissione di nanoparticelle dell inceneritore corrisponde al passaggio di circa 4000 veicoli per un tratto di 10 km (ESP on e soglia di rilevabilità > 15 nm) ESP on km