Emissioni di Polveri Fini e Ultrafini da impianti di combustione

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1 Meeting Gecos Piacenza, 28 settembre 2009 Emissioni di Polveri Fini e Ultrafini da impianti di combustione Stefano Consonni Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Presidente LEAP Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

2 La squadra interdisciplinare della ricerca LEAP Proff. Aldo Coghe e Stefano Consonni (Dip. di Energia del Politecnico di Milano) e Agostino Gambarotta (Univ. di Parma): fenomenologia della formazione di polveri nei processi di combustione in impianti fissi e mobili letteratura sulle emissioni da impianti fissi e mobili Proff. Stefano Cernuschi e Michele Giugliano (DIIAR del Politecnico di Milano): presenza di polveri ultrafini in atmosfera acquisizione della strumentazione progettazione ed esecuzione delle campagne di prova analisi, interpretazione dei dati raccolti nelle prove Proff. Enrico Bergamaschi (Univ. di Parma) e Pietro Apostoli (Univ. di Brescia): presenza polveri ultrafini in ambienti indoor implicazioni igienicosanitarie dell'esposizione a polveri ultrafini Ricercatori Politecnico e assegnisti di ricerca LEAP: ingg. Senem Ozgen, Giovanni Sghirlanzoni, Ruggero Tardivo Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

3 Il sostegno di Federambiente Stipula contratto di ricerca FederambienteLEAP 15 gennaio 2007 Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

4 Articolazione dello Studio Fase 1 (9 mesi) : revisione della letteratura definizione dello Stato dell'arte progettazione campagna sperimentale acquisizione strumenti Fase 2 (15 mesi): messa a punto tecniche di misura esecuzione misure analisi ed interpretazione dei risultati redazione rapporti Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

5 Le dimensioni dell'ultrafine Dimensioni particelle, nm Nanoparticelle (NP) Particolato Ultrafine (PU) Particolato Fine (PF) = PM2,5 Polvere atmosferica in sospensione Smog Fumo di tabacco Fuliggine Carbone da toner per fotocopiatrici Virus Batteri 0,001 0,01 0, Dimensioni particelle, µ m Ceneri Volanti Polvere sedimentata Polvere da cemento Spore di muffa Fumo da olio/grassi di cottura Polvere domestica Polline Capelli umani Polvere pesante Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

6 Al confine tra Stato gassoso e Stato solido Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

7 Fenomenologia della formazione (fuliggine) Schema della formazione di particolato nei processi di combustione in fiamme premiscelate omogenee Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

8 Particolato atmosferico (Milano) NANOPARTICELLA 50 nm FINE 2000 nm ULTRAFINE 100 nm 1000 nm Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

9 Curve granulometriche NUMERO (particelle per cm 3 ) NANOPARTICOLATO ULTRAFINE MASSA (migrogrammi per m 3 ) MASSA NUMERO DIMENSIONI, nanometri (1 miliardesimo di metro) Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

10 Fonti di particelle fini e ultrafini FONTI NATURALI Produzione non intenzionale Prodotti delle reazioni naturali di conversione gasparticelle Produzione non intenzionale FONTI ANTROPICHE Intenzionale (UF e NP di nuova sintesi) Motori a combustione Nanotubi di carbonio, interna,inclusi quelli a fullereni, carbon black metano Composti a base carboniosa derivanti da incendi boschivi o di materiali vegetali Emissioni vulcaniche (particelle primarie e secondarie fullereni e nanotubi di carbonio) Materiali biogenici (particelle primarie secondarie) e bioaerosol, specie in vicinanza di allevamenti estensivi Impianti produzione energia Combustione di biomasse, incenerimento rifiuti Fumi di polimeri plastici (PTFE; PET); superfici riscaldate, frittura, grigliatura cibi Metalli, ossidi di elementi metallici, carbonio, Nanosfere, cavi, aghi, tubi, anelli, piastre Native o rivestite : cosmetici, applicazioni medicodiagnostiche, elettronica, ottica Magnetite da fonti biogeniche (batteri, molluschi, artropodi, pesci, uccelli ); ferritina (12,5 nm) Polveri minerali prodotte dai venti per erosione (Ag, Au, ossidi ferrosi), tempeste di sabbia Fumi di elementi metallici (saldatura, fusione, ) ed elementi metallici derivanti da processi di combustione (Pt, Pa, Rd, Ir); Fuochi d artificio (Al) NanostruttureTiO 2, SiO 2 Spore fungine, batteri, lieviti, pollini e virus, organocolloidi Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

11 Composizione PM2.5 Fondo urbano di Milano Crostali, metalli, indefiniti 21.9% 3.4% C elementare Materia organica 34.1% NH 4 7.5% secondario secondario secondario SO 4 9.7% secondario INVERNO NO % PROGETTO PARFIL Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

12 Los Angeles ULTRAFINE (50100nm) Carbonio organico Metalli ossidi Carbonio elementare Solfati Nitrati Altro(ammoni o) Cass et al Phil. Trans Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

13 Gli ordini di grandezza delle concentrazioni Concentrazioni di PU in aree caratterizzate aree rurali e marine aree urbane bordi strada con traffico ambienti domestici cucine zone fumatori ristoranti autobus Numero particelle per cm3 Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

14 Numero di PU in aree urbane lombarde AREE DI TRAFFICO TRAFFICO FONDO URBANO FONDO URBANO ~ 90% del numero totale < 10nm Concentrazione in numero per centimetro cubo Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

15 PU in fondo urbano Milano Particle number concentration (cm 3 ) IQR average min max 5 percentile 95 percentile UB MILANO Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

16 PU in zona trafficata Milano Particle number concentration (cm 3 ) IQR average min max 5 percentile 95 percentile TRF MILANO Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

17 Gli ambienti di lavoro Processo Esterno, ufficio oltre Concentrazione nel range nm (particelle/cm³) Fusione di silice oltre Molatura oltre Brasatura oltre Taglio al Plasma oltre Panificazione oltre Pista d atterraggio oltre < 45 Saldatura con elettrodo rivestito Saldatura su acciaio Range dimensionale magg. rappresentato ( nm ) Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

18 Gli ambienti domestici locali domestici cucine pulizie fumo numero particelle per cm 3 Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

19 Esposizione personale Milano, area metropolitana [particelle cm 3 ] Giorno Lavorativo Cucina Treno Cucina Interno casa Ufficio urbano Sala stampa Metropolitana Ufficio urbano Interno auto Interno casa ora Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

20 Esposizione personale Milano, area metropolitana [particelle cm 3 ] Giorno Festivo SABATO , , , , , ,000 Interno casa Interno casa Fumo passivo Parrucchiera Estetista Percorso urbano in auto atmosfera interna Percorso urbano in auto atmosfera esterna Cucina cottura cibi Interno casa Percorso urbano in auto atmosfera interna Interno casa Cucina cottura cibi Interno casa ora Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

21 Esposizione personale Milano, area metropolitana Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

22 Polveri ultrafini e realtà naturale Le particelle di dimensioni nanometriche (1100 nm) sono presenti sulla terra da milioni di anni ed il genere umano è da sempre esposto ad un fondo di Particelle Ultrafini e NanoParticelle generate da processi naturali Su tale fondo si è innestato col tempo il contributo delle attività antropiche I temi di fondo sono la comprensione di: presenze in atmosfera (e ambienti indoor) fonti/emissioni legame tra emissioni e presenze livelli di esposizione ed implicazioni sanitarie Tra le fonti, certamente figurano gli impianti di combustione fissi (caldaie, centrali) e mobili (automobili, aerei, etc.) Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

23 La peculiare declinazione italiana dell'ultrafine A differenza di tutti gli altri Paesi, in cui il dibattito è motivo di approfondimento di ricerca, in Italia alcune componenti dell ambientalismo hanno postulato una connessione diretta tra combustione dei rifiuti e presunti effetti sulla salute del Particolato Ultrafine. Ciò prescindendo dai complessi meccanismi che presiedono la generazione, l'emissione e la diffusione degli inquinanti, nonché l'esposizione alla loro azione Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

24 Dal combustibile all'impatto sulla salute Impatto sulla salute Esposizione Presenza in atmosfera Generazione inquinante Emissione Diffusione in atmosfera Combustione Materiale combustibile Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

25 Combustione, emissioni di polveri e rifiuti La formazione di particelle solide nei processi di combustione é un fenomeno noto e studiato da molto tempo Al pari di tutte le altre combustioni, la combustione dei rifiuti può avere certamente un ruolo nella problematica dell ultrafine. Tuttavia, non esistono allo stato attuale elementi che possano giustificare per la combustione dei rifiuti un ruolo più critico (ai fini delle emissioni di particolato ultrafine) di altre combustioni di materiale solido (carbone, biomasse) né, più in generale, di altri combustibili. Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

26 Concentrazioni per impianti fissi, da letteratura Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

27 Concentrazioni per motori, da letteratura 1000 Diesel (senza filtro anti particolato) Milioni di particelle/cm nm a benzina, iniezione diretta a benzina, convenzionale 3050 mg/km mg/km nanoparticelle mg/km ultrafini Diametro delle particelle (nm) Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

28 L'indagine sperimentale Termoutilizzatore Hera Bologna Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

29 Risultati di questo studio: caldaia a pellet Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

30 Risultati di questo studio: caldaia a gasolio Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

31 Risultati di questo studio: caldaia a gas naturale Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

32 Risultati: termoutilizzatore Milano Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

33 Risultati: termoutilizzatore Brescia Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

34 Risultati: termoutilizzatore Bologna Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

35 Riepilogo dei risultati Caldaie Termoutilizzatori Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

36 In definitiva 1 La presenza di polveri ultrafini e nanoparticelle é una normale caratteristica degli ambienti esterni e confinati frequentati dall'uomo Tra le fonti, certamente figurano tutti i processi di combustione La misura richiede strumenti e tecniche molto sofisticate e impegnative I fenomeni che hanno luogo in atmosfera possono giocare un ruolo molto rilevante La difficoltà della misura e l'importanza dei fenomeni che hanno luogo a valle dell'emissione rendono al momento velleitaria la redazione di inventari emissivi Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

37 In definitiva 2 Da quanto emerso nello studio, i postulati circa il collegamento tra emissioni di ultrafini e termoutilizzazione non hanno riscontri fenomenologici né sperimentali Tra gli impianti esaminati, le concentrazioni (in numero) maggiori si riscontrano per caldaie a legna e gasolio, oltre che per motori Diesel Non esistono allo stato attuale elementi scientifici, né probanti né sospetti, per vincolare o tantomeno escludere la termoutilizzazione dei rifiuti a causa del ruolo presunto sulle presenze atmosferiche di particolato fine e nanopolveri Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

38 Il lavoro non é finito Estensione del sostegno di Federambiente per ulteriori campagne di misura e approfondimenti su: combustioni domestiche (caminetto) efficienza di cattura filtri a maniche speciazione chimica emissioni da motori automobilistici Risultati complessivi disponibili in autunno 2009 Progettazione ulteriori campagne su altre tipologie di impianti e di ambienti: turbogas centrali a combustibile fossile centrali a biomasse termoutilizzatori con altre tecnologie di trattamento fumi varietà di caldaie per riscaldamento ambienti esterni e confinati Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni

39 Grazie dell'attenzione Polveri fini e ultrafini da combustione S. Consonni