I.P.I.A. V. Floriani di Vimercate (MI) Indice Classe I B Operatore Meccanico Anno scolastico 2008/2009 Lavoro realizzato nell ambito della sperimentazione regionale triennale dagli alunni: A. Romeo A. Scarfò N. Rossi A. Falà J. Graziano 1. Rapporto tra uomo e ambiente...pag. 4 2. I Principali Inquinanti dell Atmosfera...Pag. 6 3. Il Ciclo del Carbonio e l Effetto Serra...Pag. 10 4. Direttive Europee e Limiti di Emissioni...Pag. 13 5. La Marmitta Catalitica.....Pag. 16 6. Il filtro Antiparticolato... Pag. 18 7. Glossario....Pag. 20 2 3
Rapporto tra Uomo e Ambiente L equilibrio del rapporto uomo ambiente è stato fortemente influenzato dai progressi socio economici e tecnico scientifici avvenuti negli ultimi due secoli. Lo sviluppo industriale, anche se ha condotto nei paesi più sviluppati ad un miglioramento delle condizioni di vita, ha causato tuttavia l instaurarsi di squilibri nell ambiente con la comparsa di nuovi inquinanti e l aumento delle loro concentrazioni. In particolar modo è andata crescendo la quantità e la qualità di sostanze chimiche immesse nell atmosfera e questo ha portato ad un netto peggioramento delle caratteristiche qualitative dell aria che respiriamo. L aria delle grandi città è contaminata da numerosi inquinanti dovuti alla presenza massiccia di insediamenti industriali, traffico veicolare e insediamenti urbani. Gli inquinanti direttamente emessi dai processi di combustione vengono definiti Inquinanti Primari e sono il monossido di carbonio (CO), il monossido di azoto (NO), il biossido di carbonio (CO 2 ), ed il particolato in sospensione. Gli inquinanti primari sono soggetti a processi di trasformazione chimico fisica con formazione di nuove specie di inquinanti detti Inquinanti Secondari che spesso risultano più tossici. Gli inquinanti secondari sono: il biossido di azoto (NO 2 ), l ozono (O 3 ), la for maldeide, i nitrati, l acido nitrico e centinaia di altre specie minori che formano lo Smog Fotochimico perchè per innescare questi processi è necessaria la presenza della luce; questo tipo di smog si verifica in estate con maggiore intensità. Secondo stime ACI nel 1950 circolavano 342.000 auto, una ogni 135 abitanti, oggi le auto sono una ogni 1,8 abitanti. È necessario cambiare atteggiamenti culturali nei confronti della mobilità; si può affermare che il sistema di mobilità basato sulle auto private è pericoloso per l ambiente e per l uomo ed è economicamente molto svantaggioso. 4 5
I Principali Inquinanti dell Atmosfera Monossido Di Carbonio (CO): ha affinità per l emoglobina formando la carbossiemoglobina (affinità 240 volte maggiore dell O2).Causa diminuzione della vigilanza, della vista, della capacità di apprendimento, alterazioni cardiovascolari e polmonari, fino ad arrivare al coma e alla morte. Biossido Di Zolfo (SO 2 ): Le fonti di maggiore emissione sono le raffinerie di petrolio, le fonderie, il riscaldamento per uso domestico. E il gas prodotto dalla combustione dei combustibili fossili contenenti zolfo: carbone, cherosene, gasolio. Fra i derivati più tossici dell SO 2 vi è l acido solforoso (H 2 SO 3 ) che rappresenta la maggior componente acida dell inquinamento atmosferico. Insieme ad altri prodotti non solforati, l SO 2 e suoi derivati formano lo smog pesante delle aree urbane industrializzate presente in inverno. Negli ultimi anni a seguito delle nuove discipline sui combustibili e dell utilizzazione di nuovi combustibili i livelli di SO 2 sono scesi. Gli effetti nocivi sono a carico dell apparato respiratorio. Anidride carbonica: (CO 2 ): anche questo gas è emesso principalmente dai processi di combustione. La concentrazione dell'anidride carbonica ha subito un aumento, dal 1750, del 31%. Nel 2004 la concentrazione nell'atmosfera era di 379 ppm; nell'era preindustriale di 280 ppm. È il gas serra maggiormente responsabile del riscaldamento globale dovuto ad attività antropiche. Biossido Di Azoto (NO 2 ): che insieme alle polveri sottili può essere notato per il colore rosso marrone che caratterizza il panorama dei centri urbani. Ha effetti negativi sull apparato respiratorio (riduzione della funzionalità respiratoria) e provoca danni anche all apparato cardio circolatorio. 6 7
Ozono (O 3 ): inquinante secondario, viene creato dalla reazione chimica degli ossidi di azoto (NO x ) e dei composti organici volatili (VCO) in presenza della luce solare e quindi viene considerato un inquinante estivo. Le aree urbane nei mesi estivi, tendono ad avere livelli di ozono molto elevati, anche le aree rurali tendono ad avere livelli di ozono elevati a causa del vento. È irritante alle vie respiratorie, può causare tosse e dolore a seguito di respiri profondi; questi sintomi si possono accentuare a seguito di esercizio fisico all aperto. Benzene: viene immesso nell atmosfera dalla combustione dei veicoli alimentati a benzina. Aggiunto alla benzina ha funzione antidetonante, ma viene prodotto anche durante la combustione a partire da altri idrocarburi aromatici. Gli effetti tossici sono sostanzialmente tre: effetti ematopoietici e immunosoppressivi, leucemogeni e clastogeni. Particolato sospeso fine (PM 10 /PM 2,5 ): il complesso delle particelle solide e liquide disperse nell'atmosfera che nel caso delle emissioni prodotte dai motori a combustione interna dei veicoli è composto principalmente di derivati del carbonio, composti organici altamente volatili e diossine. Gli effetti sulla salute dipendono dalle dimensioni del particolato e dalla sua concentrazione. Provoca malattie respiratorie e cardiovascolari; entra in casa anche dalle finestre chiuse e attraversa gli alveoli polmonari. La composizione delle particelle fini è variabile e dipende da diversi fattori: fonti, clima, stagione, topografia.. In una stessa località varia da anno ad anno, da stagione a stagione, da giorno a giorno. Non è quindi possibile definire un valore soglia al di sotto del quale non si verificano effetti avversi alla salute umana. Le dimensioni variano tra 100 micron e 0,1 millesimi di micron ( 1 micron equivale a 1/1000 del millimetro). Empiricamente viene ritenuto come limite massimo accettabile in aria esterna 150 microgrammi/m 3. 8 9
Il Ciclo del Carbonio e l Effetto Serra ossigeno. L anidride carbonica è anche assorbita dagli oceani e utilizzata dal fitoplancton, microrganismi vegetali ai vertici della rete alimentare dei mari, per formare la propria struttura. Questo gas, come gli altri gas serra, ha la caratteristica di essere trasparente alla radiazione solare, permettendole di giungere sulla Terra. Ma quando questa viene riflessa dalla superficie terrestre verso l atmosfera e si trasforma in radiazione infrarossa è invece assorbita dalla CO 2, che ne trattiene il calore e induce così il riscaldamento globale. Nel caso in cui l assorbimento del biossido di carbonio superi le L elemento carbonio è uno dei componenti essenziali della materia emissioni, in atmosfera si ha un calo di concentrazione della CO 2 e vivente. Buona parte della massa solida degli organismi vegetali l effetto che ne consegue è un abbassamento globale delle ed animali è costituita da carbonio. Ma non solo, lo possiamo temperature, che in passato è coinciso con le ere glaciali. ritrovare in forma solida, nelle rocce, e gassosa, nell atmosfera, Viceversa, se la concentrazione di biossido di carbonio aumenta in principalmente sotto forma di anidride carbonica. atmosfera, cioè le emissioni superano l assorbimento. Le analisi Il biossido di carbonio (CO 2 ) viene assorbito dalle piante e usato geologiche ci dicono senza ambiguità che si sta entrando in un nei processi fotosintetici, che lo trasformano in zuccheri liberando periodo di riscaldamento globale. Un cambiamento nelle temperature globali non significa solo più caldo o più freddo ma 10 11
anche cambiamenti nel regime delle precipitazioni, nella modificazione degli ecosistemi e degli habitat di vita di animali e piante. Inoltre, in passato, questi processi erano lenti e graduali e consentivano agli ecosistemi di adattarsi; oggi la grande produzione di inquinanti e le emissioni di anidride carbonica rendono il processo troppo veloce. Nella figura sottostante è possibile vedere l aumento della CO 2, misurata in parti per milione, in atmosfera negli ultimi 1000 anni: è difficile non associare il consumo dei combustibili fossili da parte dell uomo al verticale aumento della CO 2. Direttive Europee e Limiti di Emissioni La comunità europea ha emanato dal 1991 una serie di direttive sulle emissioni di inquinanti da parte dei veicoli. Le normative che si sono susseguite hanno progressivamente e drasticamente ridotto i limiti accettabili di emissione e per la metà del 2008 la normativa definita Euro 5 ha ridotto dell'80% le emissioni di particolato e del 20 25% quelle degli ossidi di azoto e degli idrocarburi. Gli agenti inquinanti principali, dopo l'eliminazione dei carburanti che utilizzavano come antidetonante il piombo, sono l'ossido di Carbonio (CO), gli Idrocarburi Incombusti (HC) e i vari Ossidi di Azoto (NO x ) e il Particolato. Dal 1996 sono stati introdotti limiti differenziati per i veicoli alimentati a benzina e per quelli alimentati a gasolio perché il motore diesel con il suo elevatissimo rapporto di compressione e il suo carburante specifico emette intrinsecamente meno ossido di carbonio ma maggiori idrocarburi e ossidi di azoto e di ciò viene tenuto conto per praticità. 12 13
Direttiva Data di entrata in vigore CO HC NO x HC+NO x PM Direttiva Data di entrata in vigore CO NO x HC+NO x PM Euro 1 Gennaio 1993 2,72 0,57 0,4 0,97 Euro 2 Gennaio 1997 2,2 0,3 0,2 0,5 Euro 3 Gennaio 2001 2,3 0,2 0,15 Euro 4 Gennaio 2006 1 0,1 0,08 Euro 5 Gennaio 2009 1 0,1 0,06 0,005 Euro 6 (previsto) Settembre 2014 1 0,1 0,06 0,005 Limiti europei di emissioni per le autovetture a benzina misuati in g/km Euro 1 Gennaio 1993 2,72 0,97 0,14 Euro 2 Gennaio 1997 1 0,7 0,08 Euro 3 Gennaio 2001 0,64 0,5 0,56 0,05 Euro 4 Gennaio 2006 0,5 0,25 0,3 0,025 Euro 5 Gennaio 2009 0,5 0,18 0,23 0,005 Euro 6 (previsto) Settembre 2014 0,5 0,08 0,17 0,005 Limiti europei di emissioni per le autovetture diesel misuati in g/km Il grafico mostra la diminuzione dei limiti di emissione nel passaggio da una normativa alle successive, per le autovetture a benzina. Il grafico mostra la diminuzione dei limiti di emissione nel passaggio da una normativa alle successive, per le autovetture diesel. 14 15
Marmitta Catalitica biossido di azoto (NO 2 ) azoto molecolare (N 2 ) monossido di carbonio (CO) anidride carbonica (CO 2 ) È costituita da un corpo dotato di centinaia di piccoli canali (CPSI channels per square inch o canali per pollice quadro) oppure in passato da sferette di ceramica che permettevano il passaggio del gas di scarico attraverso gli interstizi, questo corpo può essere in metallo oppure in ceramica. Su di esso viene depositato uno strato aggrappante e poi viene depositato per impregnazione e successiva cottura in forno il metallo nobile (Platino, Palladio, Iridio), in quantità ben determinate. La marmitta catalitica attua le seguenti trasformazioni chimiche: entrambi i prodotti della reazione sono normali costituenti dell atmosfera. Il motore per poter utilizzare tale elemento, senza perdere in modo eccessivo le sue prestazioni, deve essere costruito seguendo determinati accorgimenti: Deve utilizzare un incrocio delle valvole leggermente maggiore, così come l'anticipo d'apertura per le valvole di scarico, dato che il catalizzatore per via delle sue caratteristiche costituisce una strozzatura, che rallenta la fuoriuscita dei gas di scarico. Avere un controllo della combustione dettagliato e preciso, con l'utilizzo di unità di controllo in modo da poter regolare (grazie all'utilizzo della sonda lambda) sia il rapporto stechiometrico per non rovinare il catalizzatore con il carburante incombusto, che la fasatura d accensione, in modo da garantire sempre una combustione ottimale e completa. 16 17
Filtro Antiparticolato sostanza chimica detta "cerina". Tali agglomerati, essendo più grossi del particolato originario, diventano "imprigionabili" dal filtro e non si disperdono in atmosfera. Il processo è controllato in modo automatico dal sistema FAP. Fisicamente la cerina è collocata in uno speciale serbatoio di 5 litri, presente fin dall'uscita dalla fabbrica. L'obiettivo principale di questo dispositivo è ovviamente il rispetto dei limiti di emissione euro 4 e quindi la cattura del PM 10 di origine carboniosa emessa dai motori diesel, particolato pericoloso in quanto contiene sostanze fortemente tossiche come gli idrocarburi policiclici aromatici. Il filtro attivo antiparticolato adottato per abbattere le emissioni inquinanti da polveri sottili dei motori diesel chiamato sistema FAP aggrega il particolato dei gas di scarico in agglomerati di particelle senza un legame chimico miscelando al gasolio una 18 19
Glossario Smog = Lo smog è una forma di inquinamento atmosferico. Il termine nacque come fusione delle due parole inglesi smoke (fumo) e fog (nebbia). La sua prima comparsa viene generalmente identificata in un articolo del 1905, presentato a un convegno sulla salute pubblica Particolato = Particolato, particolato sospeso, pulviscolo atmosferico, polveri sottili, polveri totali sospese (PTS), sono termini che identificano comunemente l'insieme delle sostanze sospese in aria (fibre, particelle carboniose, metalli, silice, inquinanti liquidi o solidi) Direttiva = Nell'ambito del diritto comunitario viene detto Direttiva dell'unione Europea uno degli atti che il Parlamento europeo congiuntamente con il Consiglio e la Commissione può adottare per l'assolvimento dei compiti previsti dal Trattato che istituisce la Comunità Europea maniera equiparabili o per garantire che un oggetto sia corrispondente ad un campione depositato quale esempio. Uno degli usi è ad esempio quello di "omologare" tra di loro vari titoli di studio all'interno di una o più nazioni; in Italia il termine viene perlopiù associato al campo dei veicoli: si certifica che un tipo di veicolo, sistema, componente o unità tecnica è conforme alle disposizioni amministrative. Ppm = Parti per milione (ppm) è una notazione che indica i rapporti tra quantità misurate omogenee. Ad esempio viene usata per indicare livelli estremamente bassi di concentrazione di un elemento chimico, ma anche per esprimere errori di misurazione, o tolleranze. Il valore delle ppm è equivalente alla quantità assoluta frazionale moltiplicata per un milione (10 6 ). Molecola = Si definisce molecola (dal latino scientifico "molecula", derivato a sua volta da "moles": mole, "piccola quantità") il più piccolo insieme di atomi aggregati da legami chimici, capace di esistenza allo stato libero e tale da mantenere tutte le proprietà chimiche della sostanza considerata (elemento o composto non ionico). Può essere monoatomica, cioè costituita da un solo atomo (è il caso dei cosiddetti gas nobili elio, argon, xeno, neon e metalli), o poliatomica, cioè costituita da più atomi, uguali (omoatomica) o diversi (eteroatomica). Immatricolazione = L immatricolazione è la procedura di base alla quale un veicolo, riconosciuto idoneo alla circolazione, entra a far parte della "popolazione dei veicoli". Omologazione = Il termine omologazione, traducibile come "accordare", si usa in vari campi per riunire tra loro oggetti in qualche L auto ad idrogeno... L auto del futuro? 20 21