PREMESSA
L’inquinamento dell’aria si verifica quando sono immesse nell’atmosfera sostanze che ne alterano la composizione naturale, Figura 1 e Figura 2. Gli inquinanti immessi possono essere classificati in funzione della loro concentrazione (macro e microinquinanti) o della loro origine (primari e secondari), senza alcun riferimento al loro grado di nocività. Le conseguenze dell’inquinamento dell’aria sono note e non riguardano soltanto gli impatti diretti sulla salute umana, ma anche l’alterazione degli ecosistemi, fenomeni di corrosione, danni al patrimonio artistico, ecc. Gli effetti dell’inquinamento si risentono soprattutto a livello locale, ma anche globale, ed hanno un costo elevato per la nostra società moderna. Ciò ha promosso l’emanazione di numerose normative a livello comunitario, nazionale e regionale, che hanno per obbiettivo la tutela della salute e dell’ambiente e la riduzione dell’inquinamento. Parallelamente sono stati intrapresi monitoraggi della qualità dell’aria da parte, in particolare, delle Agenzie Regionali per la Protezione dell’Ambiente, con l’applicazione di modelli diffusionali per simulare le dispersioni degli inquinanti e fare previsioni sulle loro concentrazioni a livello del suolo. Tra gli inquinanti maggiormente monitorati vi è il particolato atmosferico: l’attenzione dapprima puntata sulle Polveri Totali Sospese (PTS), si è, poi, rivolta alle polveri fini, con riferimento alla frazione con diametro aerodinamico inferiore a 10 o 2.5 μm (rispettivamente PM10 e PM2,5).
Il particolato atmosferico è un aerosol costituito da un sistema di particelle solide, liquide o formate da fasi diverse, disperse in aria. Le particelle di un aerosol hanno, generalmente, forma, dimensioni, natura chimica, densità, differenti. La particolare attenzione che oggi è rivolta alle polveri fini è dovuta a molteplici fattori. Le polveri fini, se respirate, possono raggiungere gli alveoli polmonari. Esse hanno una reattività chimica e biologica elevata a causa della notevole superficie rispetto al volume. Basti pensare che da un cubo di lato pari a 1 cm, con un’area superficiale complessiva di 6 cm2 , si possono ottenere mille miliardi di cubetti di lato 1 µm (un millesimo di millimetro) con una superficie complessiva di ben 60000 cm2 !
Le polveri fini possono adsorbire sulla loro superficie gas e vapori e fungere, quindi, da carriers di altri inquinanti aerodispersi. Più interazioni tra particelle e substrato biologico possono contribuire alla loro patogenicità e i loro effetti possono persistere per lunghi periodi di tempo. La loro patogenicità è determinata anche dalla loro durabilità in vivo, cioè dalla loro biopersistenza.
Per i motivi sopra esposti le PTS e il PM10 sono due indicatori che forniscono una stima delle immissioni regionali di polveri in atmosfera. La quantificazione di questi indicatori è necessaria per valutare la qualità dell’aria che respiriamo. Questi monitoraggi e controlli derivano, inoltre, da richieste di riduzione delle emissioni contenute in accordi internazionali ed è esplicitamente prevista dal Piano Regionale per il risanamento, il miglioramento e il mantenimento della qualità dell’aria (L.R. n. 2/2007).
Le emissioni convogliate a camino delle attività industriali e artigianali devono essere autorizzate dalla Regione Autonoma Valle d’Aosta. Nelle autorizzazioni possono essere fissati dei limiti alle emissioni di specifici inquinanti, tra cui le polveri totali, connessi al ciclo produttivo e alle materie prime utilizzate.
Figura 1 Emissioni convogliate e diffuse in atmosfera.
Figura 2 Gas di scarico dei veicoli a motore e impianti di riscaldamento.
Quando non si utilizzano strumenti automatici la determinazione delle concentrazioni di polveri nell’aria o alle emissioni richiede l’espletamento di due fasi distinte: il campionamento e l’analisi. La Sezione Analisi Mineralogiche, Morfologiche e Microanalisi dell’ARPA Valle d’Aosta ha messo a punto un metodo analitico strumentale per la determinazione della concentrazione di polveri, mediante analisi gravimetrica.
IL CAMPIONAMENTO DELLE POLVERI AERODISPERSE
Per quanto concerne il monitoraggio del particolato atmosferico l’ARPA Valle d’Aosta utilizza sia strumenti automatici che pompe di aspirazione dell’aria collegate a teste di prelievo per il particolato fine.
Per il prelievo del particolato atmosferico si campiona un volume noto d’aria , utilizzando una pompa collegata ad una testa di separazione ad impatto inerziale che seleziona la frazione di particolato di interesse, PM10 o soltanto PM2.5. L’aria aspirata passa attraverso un filtro in microfibra di vetro su supporto di PTFE (politetrafluoroetilene). Si tratta di un filtro "in profondità", del diametro di 47 mm, che permette di separare le particelle solide in sospensione che si depositano sia alla sua superficie che all’interno, Figura 3.
I filtri sono pesati prima e dopo i prelievi e per differenza si ricava la massa di particolato campionata. La concentrazione di particolato si ottiene dividendo successivamente il valore della massa per il volume d’aria aspirato. Prima delle pesate i filtri devono essere condizionati per 48 ore in modo da eseguire le due pesate nelle stesse condizioni ambientali di temperatura ed umidità relativa.
Figura 3 Immagine al SEM (Microscopio Elettronico a Scansione) di un filtro in microfibra di vetro, rispettivamente, prima e dopo il prelievo di particolato (si osservano alcune particelle di polvere depositatesi sul filtro).
Anche nel caso dei controlli a camino si utilizzano filtri e pompe di aspirazione dell’aria ma in questo caso le teste di prelievo sono specifiche per le polveri totali e il campionamento deve essere effettuato in condizioni isocinetiche (cioè aspirando l’aria alla stessa velocità di quella dei fumi che fuoriescono dal camino).
IL CONDIZIONAMENTO DEI FILTRI E LE ANALISI GRAVIMETRICHE
Per quanto concerne il condizionamento dei filtri e le analisi gravimetriche le norme di riferimento sono l’EUROPEAN STANDARD EN 12341 1999 ("Air quality. Determination of the PM10 fraction of suspended particulate matter. Reference method and field test procedure to demonstrate reference equivalence of measurement methods") e il D.M. 60/2002 ("Procedure operative ai fini della certificazione di equivalenza dei metodi e dei sistemi per il campionamento e la misura del PM10 da parte dei laboratori primari di riferimento") successivamente abrogato dal D.Lgs. n. 155/2010 ("Attuazione della direttiva 2008/50/CE relativa alla qualità dell'aria ambiente e per un'aria più pulita in Europa").
Per le pesate si devono utilizzare delle bilance analitiche aventi una risoluzione di almeno 10 μg. La bilancia deve essere installata e utilizzata nella camera di pesatura. Il condizionamento dei filtri deve essere eseguito a T = 20°C ± 1°C e Ur = 50 % ± 5 % per 48 ore.
Per eseguire il condizionamento dei filtri l’ARPA Valle d’Aosta si è dotata di una apposita camera di pesata, Figura 4, dotata di filtri dell’aria da trattare e trattata, che ha le seguenti dimensioni: H = 270 cm; L = 200 cm; P = 150 cm ed un volume di circa 8 m3. All’interno della cabina la temperatura e l’umidità relativa dell’aria sono mantenute costanti (20°C ± 0.5°C e 50 % ± 2 % rispettivamente).
La camera di pesata viene sottoposta periodicamente a manutenzione e mappatura, con il rilascio di un certificato di conformità. Nel corso della mappatura sono eseguiti rilievi di temperatura a bulbo umido e a bulbo asciutto (utilizzando uno psicrometro digitale) nel punto centrale della cabina, dopo la stabilizzazione delle condizioni termoigrometriche.
Figura 4 La camera di pesata
Figura 5 Particolare della bilancia elettronica
Per pesare i filtri si utilizza una microbilancia elettronica a sei cifre decimali (MAX 5.1 g , d= 1 μg) a compensazione elettromagnetica, Figura 5. La bilancia è posta su un tavolino antivibrante. All’accensione della bilancia viene eseguito automaticamente un test di autodiagnosi dei circuiti elettronici e della schermatura contro le correnti d’aria che termina con l’azzeramento del display.
Anche la bilancia è sottoposta a manutenzione e taratura annuale con il rilascio di un certificato di taratura DKD (Deutscher Kalibrierdienst).
Periodicamente vengono eseguiti dei controlli interni della bilancia utilizzando alcune masse certificate DKD (campioni di riferimento) da 5, 10, 100 e 500 mg (valore nominale o valore "vero"). I dati acquisiti sono registrati su apposite schede dette carte di controllo (Control Charts).
Per utilizzare le masse si usano delle apposite pinzette con la punta di gomma. Ogni due anni le masse vengono ricertificate in quanto possono subire delle variazioni di peso dovute all’usura o al loro utilizzo. Per mezzo delle masse certificate e delle carte di controllo possiamo verificare nel tempo se il nostro processo di misura è "sotto controllo" o "fuori controllo", Figura 6. Si utilizzano le carte di controllo allo scopo di individuare tempestivamente l’insorgere di errori sistematici durante un processo di misura (in presenza di errori sistematici un processo si dice "fuori controllo"). Nel caso che il processo di pesata risulti "fuori controllo" viene richiesto immediatamente l’intervento tecnico alla ditta costruttrice della bilancia.
Figura 6 Variazione nel tempo della massa di un campione di riferimento da 100 mg nel caso di un processo di pesata "sotto controllo".
La bilancia analitica, la camera di pesata in cui è posta e le procedure di controllo sono il nucleo del metodo gravimetrico per la determinazione della concentrazione di polveri in atmosfera. Per aumentare l’accuratezza, è stato installato un sistema automatico (robotizzato) per la pesatura dei filtri che permette di effettuare l’analisi gravimetrica automaticamente riducendo le attività manuali degli operatori e assicurando la ripetibilità delle misure stesse. Ogni singolo filtro viene pesato 5 volte di seguito, nelle stesse condizioni sperimentali, e dai valori delle misure ripetute viene calcolata la media aritmetica e la deviazione standard.
Il sistema robotizzato è costituito da bracci/assi meccanici completamente indipendenti tra loro che, tramite un microcontrollore, effettuano le operazioni di prelevamento e di pesata dei filtri, Figura 7 e Figura 8.
I filtri sono posti su una pila portafiltri sulla quale ne possono essere disposti fino ad un massimo di 48. Le operazioni di pesata sono gestite da un software dedicato che con l’ausilio di un PC garantisce il corretto funzionamento dell’automatismo. I valori del peso sono memorizzati solo dopo che si sono raggiunte le condizioni di stabilità . Il risultato viene espresso con la relativa incertezza di misura.
Figura 7 Il sistema robotizzato per le pesate automatiche.
Figura 8 Particolare del rack portafiltri
In prossimità del rack portafiltri è stata posta una sonda di umidità e temperatura collegata ad un registratore; i dati di temperatura ed umidità relativa dell’aria all’interno della camera di pesata vengono memorizzati e al termine del condizionamento dei filtri sono stampati i relativi grafici. Nel caso in cui si verifichino anomalie durante il condizionamento dei filtri queste saranno mostrate dai grafici e riportate in una apposita tabella degli eventi: in tal caso, risolto il problema,i filtri dovranno essere ricondizionati.
Figura 9 Numero di analisi gravimetriche svolte negli anni dal 2003 al 2012
In Figura 9 viene riportato il numero di analisi gravimetriche eseguite nel corso degli anni a partire dal 2003, anno di acquisto della bilancia elettronica a sei cifre decimali.
