Determinazione di materiale particellare aerodisperso - Corso di Chimica Analitica della Sicurezza Corso di Laurea Specialistica in Chimica ...

Determinazione di materiale particellare
             aerodisperso

     Corso di Chimica Analitica della Sicurezza
 Corso di Laurea Specialistica in Chimica Industriale

Introduzione / classificazione inquinanti chimici aerodispersi

AERIFORMI                GAS
presenza un unico        VAPORI
stato della materia
                                  origine da reazione chimica
                                  Composizione diversa da quella
                      FUMI        dell’agente di origine
                      (solidi)
                                  Dimensioni spesso (non sempre) < 1 μm
PARTICELLARI                      origine meccanica
 O AEROSOL            POLVERI     Composizione uguale a quella
                      (solidi)    dell’agente di origine
Coesistenza di più
stati della materia               Dimensioni spesso (non sempre) > 1 μm

                      NEBBIE                                       2
                      (liquidi)

Introduzione /        unità di concentrazione

 Massa per volume di aria

 inquinanti aerodispersi
                → g, mg, μg, ecc.
                                    su L, cc (mL), m3, ecc. di aria

 oppure volume su volume (solo i.a. allo stato gassoso)
      %, ppm, ppb

 casi particolari: numero di particelle per volume di aria
       numero di fibre/L o cc

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Introduzione /          generalità sul campionamento

• Il campionamento è propedeutico alla fase analitica in qualsiasi
   procedura

• Ogni errore nel campionamento si ripercuote su tutta la procedura
   analitica e non è possibile rimediare, indipendentemente dalla
   tecnica analitica adottata

• Il campione deve essere
    – Rappresentativo

    – omogeneo

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Campionamento /                aerodispersi

• Il campionamento diretto
comporta il prelievo di aria ambiente che viene introdotta in un contenitore
    (vetro, metallo o plastica) dal quale viene prelevata per l’esecuzione delle
    analisi
(Viene anche definito prelievo istantaneo perché eseguito in tempi brevi)

• Il campionamento indiretto
Consiste nel captare mediante un opportuno substrato di raccolta gli inquinanti
  contenuti in un certo volume di aria fatta fluire verso lo stesso substrato

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Campionamento /          aerosol

 Nel campionamento di aerosol (almeno 2 fasi, materiale
 eterogeneo), lo scopo è di rendere omogeneo il campione, prima
 della analisi successiva.

 Questa esigenza introduce un passaggio analitico in più e, di
 conseguenza, una ulteriore fonte di errore

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Campionamento /           aerodispersi

Parametri di campionamento indiretto
  per garantire la rappresentatività del campione bisogna definire:

                           • FLUSSO
                           • DURATA
                           • VOLUME

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Campionamento /                    aerodispersi - flusso

•   Per eseguire un prelievo occorre fare in modo che un campione d’aria entri in un
    adatto contenitore (metodi diretti) o attraverso un substrato in cui gli inquinanti
    vengono trattenuti (metodi indiretti). In ambedue i casi è necessario realizzare un
    flusso, le cui dimensioni, sono rappresentate dal rapporto tra il volume ed il tempo. In
    pratica si realizzano flussi che vanno da qualche decina di cm3/min a qualche decina
    di l/min. Mentre nel campionamento diretto la portata ha un’importanza relativa, nei
    campionamenti indiretti il tipo di substrato adottato definisce, a volte in modo
    rigoroso, il flusso da impiegare durante il prelievo.
•   La concentrazione delle sostanze inquinanti o comunque di interesse presenti
    nell’aria ambiente subisce in genere delle variazioni nel tempo inerenti sia alle
    caratteristiche ambientali (volume, ventilazione, temperatura), sia alle attività che
    nell’ambiente si svolgono (emissioni discontinue di sostanze inquinanti,
    diversificazioni nel ritmo del lavoro ecc.). Per questo motivo è necessario che il flusso
    di campionamento rimanga costante per tutta la durata del prelievo. Infatti, se in
    corrispondenza di un incremento della concentrazione ambientale si impiegasse un
    flusso di campionamento più elevato di quello impiegato durante una fase in cui la
    concentrazione risulta minore, il campione d’aria complessivo prelevato non sarebbe
    rappresentativo della situazione esaminata: si avrebbe in realtà sul totale
    dell’inquinante raccolto un peso maggiore della situazione ambientale relativa alla
    sua massima presenza rispetto a quella della sua minor presenza

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Campionamento /            aerodispersi - flusso

• In ogni istante si deve verificare la seguente relazione
                                 Q=CF
In cui.
• Q quantità di sostanza prelevata nell’unità di tempo,
• C     concentrazione della sostanza nell’aria ambiente,
• F     flusso di campionamento.

Se la concentrazione della sostanza nell’aria ambiente (C) varia, anche
  la quantità di sostanza prelevata varia nell’unità di tempo (Q); ma se
  il flusso di campionamento (F) rimane costante, Q risulterà sempre
  proporzionale a C.
Quindi, per ottenere un campione d’aria rappresentativo, il flusso di
  prelievo deve rimanere costante dall’inizio alla fine del
  campionamento.

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Campionamento /            aerodispersi - durata

• La durata del campionamento può essere molto breve (pochi
  secondi), breve (decine di secondi o pochi minuti) o lunga (decine di
  minuti o alcune ore). In ogni caso, l’analisi del campione d’aria
  prelevato, consente di determinare la concentrazione media delle
  sostanze presenti nell’aria ambiente durante il periodo in cui si è
  effettuato il prelievo.
• I pratica, dato che le variazioni della concentrazione dell’inquinante
  sono abbastanza lente, la concentrazione rilevata mediante prelievi
  di brevissima (o breve) durata può essere considerata, pur essendo
  a rigore un valor medio, una concentrazione istantanea.

Come accennato in precedenza, un campionamento di tipo:

• diretto è in genere caratterizzato da una breve durata di prelievo,
• indiretto è contraddistinto da una lunga durata di prelievo.

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Campionamento /            aerodispersi - volume

• Nel caso dei metodi diretti, i volumi di aria che possono essere
  campionabili dipendono dalle dimensioni dei contenitori. Questi,
  possono essere rigidi (campionatori a volume fisso) e quindi
  consentire il prelievo di un volume di aria fisso (in genere da
  qualche frazione di litro a qualche litro); oppure flessibili
  (campionatori a volume variabile, come per esempio sacchi di
  plastica a siringhe di gas) e permettono di campionare un volume
  d’aria variabile ( da qualche cm3 a diversi litri)
• Nel caso dei metodi indiretti, il volume d’aria che viene fatto passare
  attraverso il substrato di raccolta, è in genere elevato, decine o
  centinaia di litri, a volte anche qualche metro cubo; il volume
  campionabile dipende dalla concentrazione dell’inquinante nell’aria
  ambiente e dalle capacità di captazione e di arricchimento del
  substrato.

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Campionamento /           aerodispersi

    La linea di prelievo per campionamento indiretto è
    costituita da:
•   Substrato raccolta inquinanti
•   Pompa di aspirazione
•   Contatore volumetrico
•   Flussimetro
• Accessori eventuali (serpentina di raffreddamento, termometro)
• Manometro
Tale tipo di apparecchiatura viene definita come
  campionatore d’area o fisso

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Penetrazione di aerosol nel tratto respiratorio

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Penetrazione di aerosol nel tratto respiratorio

   Dimensioni della particella aerodispersa caratterizzate dal

                     “Diametro aerodinamico”

      Il “diametro aerodinamico” di una particella irregolare
      corrisponde al diametro della particella sferica di densità
      unitaria che in aria sedimenta con la stessa velocità
      della particella irregolare

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Penetrazione di aerosol nel tratto respiratorio

LE CONVENZIONI PER IL CAMPIONAMENTO UNI EN 481 (1994)

Sulla base delle convenzioni UNI EN 481(1994) l’ACGIH
raccomanda per i dispositivi di campionamento delle frazioni di
interesse il rispetto dei seguenti tagli (diametro al quale si ha il
50% di penetrazione:

•Frazione inalabile: punto di taglio (cut-point) a 100 µm

•Frazione toracica: punto di taglio (cut-point) a 10 µm

•Frazione respirabile: punto di taglio (cut-point) a 4 µm

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Penetrazione di aerosol nel tratto respiratorio

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Esempi di sostanze e corrispondente frazione
                 granulometrica di interesse

   Silice cristallina
   Carbone
   Asbesto                     FRAZIONE RESPIRABILE
   Cadmio
   Grafite

   Asfalto (bitume), fumi di
   Legno “duro”
   Farina                       FRAZIONE INALABILE
   Piombo
   Manganese
   Nichel
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Mezzi Filtranti
       Esteri di cellulosa
       • porosità regolare
       • adatti per successiva determinazione di
       metalli per AAS
       • igroscopici
       •Adatti per determinazione di amianto in
       MOCF

       Fibra di vetro
       • non igroscopici
       • porosità indefinita
       • resistenza meccanica
       • basso costo

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Mezzi Filtranti
          Fibra di quarzo

           come fibra di vetro, con
          caratteristiche meccaniche
          superiori ed assenza di
          leganti, costo più elevato

          PVC
          • porosità regolare
          • peso contenuto e bassa
          igroscopicità
          • adatto per determinazioni
          metalli
          • cariche elettrostatiche
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Mezzi Filtranti
        PTFE
        • adatto per aerosol acidi/aggressivi
        • idrofobo
        • adatto per determinazioni outdoor
        (gravimetrie)

        Argento
        • porosità molto regolare
        • adatto per determinazioni silice
        cristallina in DRX
        • costo elevato

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Mezzi Filtranti

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Dispositivi di captazione

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Dispositivi di captazione
               Modelli di ciclone (per campionamento
               frazione respirabile)

               - Ciclone in nylon da 10 mm (Ciclone
               Dorr-Oliver): flusso operativo 1,7
               L/min con taglio 3,5µm (o 1,4 L/min
               taglio a 5 µm)

               - Ciclone tipo Casella (Ciclone
               Higgins-Dewell): flusso operativo 2,2
               L/min

               - Ciclone in alluminio: flusso operativo
               2,5 L/min

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Dispositivi di captazione

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Curva di efficienza

il punto di flesso corrisponde al
50% di efficienza e rappresenta il
valore nominale di taglio
dell’impattore

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Raccomandazioni generali per il
 monitoraggio delle particelle aerodisperse

Informazioni sulla natura, sulla distribuzione dimensionale
dell’aerosol oggetto di indagine e sul fine dell’indagine stessa
Individuazione dell’idoneo dispositivo di captazione e della
membrana filtrante
Bilancia analitica in grado di misurare 1µg di sostanza
Adeguato condizionamento dei filtri
Adeguata cura nella manipolazione dei filtri
Eliminazione delle cariche elettrostatiche
Verifica dei bianchi di controllo (replicati)
Calibrazione della linea di campionamento

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Raccomandazioni generali per il
monitoraggio delle particelle aerodisperse

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Alcune problematiche particolari

 campionamento di aerosol semivolatili (possibilità di perdita
degli analiti per evaporazione)
 Campionamento in condizioni di temperatura e/o pressione
e/o flussi di aria diversi da quelli standard (emissioni di camini)
 respirabilità di fibre aerodisperse (amianto)

 Strumenti a lettura diretta
 •Effetto piezoelettrico
 •Metodi ottici (scattering)
 •Assorbimento raggi β

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