Metodi di misura inquinanti atmosferici

Il monitoraggio di biossido di zolfo (SO₂), degli ossidi di azoto (NO e NO₂), dell’ozono (O₃) e del monossido di carbonio (CO) viene realizzato mediante l’impiego di strumentazione automatica (analizzatori) contenuta nelle centraline fisse e/o mobili.
Il campionamento dell’aria avviene con frequenza oraria e ciascuno strumento determina la concentrazione dell’inquinante specifico mediante un principio analitico caratteristico. I metodi di riferimento per la valutazione di biossido di zolfo, ossidi di azoto, monossido di carbonio sono descritti nel Decreto Legislativo 155/2010 (Allegato VI).

Un analizzatore è tipicamente costituito da un sistema di aspirazione dell’aria (una pompa) che ne preleva una parte immettendola in una piccola camera, detta “cella di misura” e che contiene i dispositivi per la misura.

Analizzatore di CO

• Norma tecnica di riferimento: UNI EN 14626:2012 “Metodo normalizzato per la misurazione della concentrazione di monossido di carbonio mediante spettroscopia a raggi infrarossi non dispersiva”.
• Principio di misura: Assorbimento I.R.
• Modalità di funzionamento: Gli analizzatori di CO operano secondo il principio dell’assorbimento IR in accordo alla legge di Lambert-Beer; sfruttando un massimo di assorbimento del CO a 4.67 µm.

  Alla medesima lunghezza d’onda assorbono anche composti assai comuni come l’acqua e l’anidride carbonica. Per eliminare tali interferenze, viene impiegato un dispositivo chiamato “Ruota di correlazione”, costituito da una ruota divisa in due mezzelune: una contiene azoto e l’altra una miscela di CO in azoto a concentrazione nota.

  Nella camera di misura, facendo girare tale ruota con una certa frequenza, i raggi IR passano alternativamente nelle due mezze lune arrivando poi al detector. Dalla differenza dei segnali e la successiva elaborazione si ottiene quindi la sola misura del CO, eliminando le interferenze e consentendo inoltre una elevata sensibilità.

Analizzatore di SO₂

• Norma tecnica di riferimento: UNI EN 14212:2012 “Metodo normalizzato per la misurazione della concentrazione di diossido di zolfo mediante fluorescenza ultravioletta”.
• Principio di misura: fluorescenza
• Modalità di funzionamento: Nella camera di misura, attraversata dal flusso di aria campione, una lampada UV emette, con una certa frequenza, una radiazione alla lunghezza d’onda di 214 nm. Le molecole di SO₂ assorbono energia, a questa lunghezza d’onda, passando ad uno stato eccitato e permanendo in tale stato per delle frazioni di secondo. Successivamente, parte di queste molecole eccitate ritorna allo stato fondamentale con emissione di radiazione alla lunghezza d’onda di circa 330 nm (fluorescenza):

  SO₂ + hν₁ (λ₁ = 214 nm) →  SO₂*

  SO₂^* →   SO₂ + hν₂ (λ₂ = 330 nm)

  La radiazione emessa viene misurata da un detector ed elaborata insieme al segnale registrato in assenza di radiazione eccitante. Si ha così la misura della concentrazione di SO₂.

Analizzatore di NO - NO₂- NO_x

• Norma tecnica di riferimento: UNI EN 14211:2012 “Metodo normalizzato per la misurazione della concentrazione di diossido di azoto e monossido di azoto mediante chemiluminescenza
• Principio di misura: chemiluminescenza
• Modalità di funzionamento: in questo analizzatore si sfrutta la reazione di chemiluminescenza tra l’NO e l’ozono:

  O₃ + NO →  NO₂* +O₂ (1)

  NO₂^* →   NO₂ + hν(≈ 700 nm)      (2)

  Nella camera di misura entrano contemporaneamente l’aria ambiente ed un flusso di ozono generato a parte dall’analizzatore. Ozono e monossido di azoto reagiscono istantaneamente per produrre NO2* eccitato (1), che successivamente torna nel suo stato fondamentale (2) emettendo una radiazione elettromagnetica nella regione dell’UV (chemiluminescenza).

  La radiazione emessa per chemiluminescenza è correlata con la concentrazione di NO e viene quindi registrata da un detector.

  Per poter misurare anche NO₂, l’aria campione, prima di giungere in camera di misura, viene alternativamente fatta passare attraverso un convertitore catalitico in grado di ridurre l’NO₂ presente in NO. In questo modo si ottiene in camera di misura la concentrazione totale degli ossidi di azoto, NO_x. Dalla differenza tra gli ossidi totali e il solo NO si ottiene infine la misura di NO₂.

Analizzatore di O₃

• Norma tecnica di riferimento: UNI EN 14625:2012 “Metodo normalizzato per la misurazione della concentrazione di ozono mediante fotometria ultravioletta”.
• Principio di misura: assorbimento UV
• Modalità di funzionamento: l’analizzatore di ozono sfrutta l’assorbimento di questo gas nell’UV a ?=254 nm e poi ne calcola la concentrazione mediante la legge di Lambert-Beer.
  
  Nella camera di misura entra in modo alternato aria ambiente tal quale ed aria ambiente preventivamente passata attraverso un filtro selettivo per l’ozono. Una lampada UV, in grado di emettere alla lunghezza d’onda appropriata, fa sì che parte della radiazione venga assorbita dalle molecole di ozono, causando una diminuzione di intensità che viene registrata da un detector. Dall’alternanza delle misure con e senza ozono, lo strumento ne determina la concentrazione in aria ambiente.

Misure di PM10

• Norma tecnica di riferimento: UNI EN 12341:2014 “Aria ambiente - Metodo gravimetrico di riferimento per la determinazione della concentrazione in massa di particolato sospeso PM10 o PM2,5”.
• Principio di misura: gravimetria, assorbimento radiazione β
• Modalità di funzionamento: il metodo di riferimento per la determinazione del materiale particolato PM10 si basa sulla raccolta della “frazione PM10 ” su apposito filtro e successiva determinazione della sua massa per via gravimetrica, in laboratorio, dopo che è avvenuto il condizionamento del filtro in condizioni controllate di temperatura (20° C ± 1) e di umidità (50 ± 5%). Oltre al metodo di riferimento, ci sono i metodi equivalenti per la misura del PM10 (ad esempio strumentazione automatica che sfrutta il principio dell’assorbimento della radiazione β da parte della polvere campionata). La determinazione del particolato fine in atmosfera (PM10) viene eseguito mediante diversi tipi di strumenti, di seguito descritti:

• Campionatori di PM10
  Questi strumenti sono costituiti da una pompa che aspira l’aria ambiente attraverso una testa di prelievo, la cui geometria è stata normata a livello internazionale ed è in grado di selezionare le polveri con diametro aerodinamico inferiore ai 10 µm. con una efficienza del 50%.
  La componente del particolato selezionata dalla testa viene quindi fatta passare attraverso una membrana filtrante di opportuna porosità e costituita da diversi materiali (quarzo, fibra di vetro, teflon, esteri di cellulosa, ecc.) dipendentemente dal tipo di analisi richiesta sul filtro.
  La membrana viene poi pesata in laboratorio e per differenza con la tara (filtro bianco) si ha la massa del particolato..
  Il campionatore contiene anche un contatore volumetrico in grado di registrare il volume di aria aspirata, corretto in modo continuo mediante vari sensori di temperatura e pressione interni ed esterni, per ricondurlo alle condizioni ambientali.
  Dalla conoscenza quindi del volume di aria campionata e della massa del particolato si calcola la concentrazione di PM10 in µg/m3.
• Analizzatori di PM10
  Questi strumenti, analogamente ai campionatori, registrano un volume di aria passato attraverso una membrana filtrante. Sono però anche in grado di determinare la massa del particolato, sfruttando il principio dell’attenuazione dei raggi beta emessi da una piccola sorgente radioattiva.
  Questi analizzatori possono avere un sistema di campionamento basato su filtri singoli (come i campionatori) oppure avere un nastro che scorre ad intervalli di tempo selezionabili e regolari, sui cui “tratti” viene depositato il particolato.
  Unendo i dati di volume e quelli di massa, tali strumenti forniscono direttamente il valore di concentrazione di PM10.

Misure di PM2.5

• Norma tecnica di riferimento: Il metodo di riferimento per il campionamento e la misurazione è descritto nella norma UNI EN 12341:2014 “Aria ambiente - Metodo gravimetrico di riferimento per la determinazione della concentrazione in massa di particolato sospeso PM10 o PM2.5”.
• Principio di misura: gravimetria, assorbimento radiazione β.
• Modalità di funzionamento:il metodo di riferimento per la determinazione del materiale particolato PM2.5 si basa sulla raccolta della “frazione PM2.5 ” su apposito filtro e successiva determinazione della sua massa per via gravimetrica, in laboratorio, dopo che è avvenuto il condizionamento del filtro in condizioni controllate di temperatura (20° C ± 1) e di umidità (50 ± 5%). Oltre al metodo di riferimento, ci sono i metodi equivalenti per la misura del PM2.5 (ad esempio strumentazione automatica che sfrutta il principio dell’assorbimento della radiazione β da parte della polvere campionata). La determinazione del particolato fine in atmosfera (PM2.5) viene eseguito mediante diversi tipi di strumenti: campionatori gravimetrici o analizzatori automatici.

 

Misure di Benzene

• Norma tecnica di riferimento: UNI EN 14662:2005, parti 1, 2 e 3, “Qualità dell’aria ambiente. Metodo normalizzato per la misurazione della concentrazione di benzene”.
• Principio di misura: gascromatografia.
• Modalità di funzionamento: il monitoraggio del benzene (C₆H₆) viene realizzato mediante strumentazione automatica (analizzatore BTEX) che effettua il campionamento dell’aria ambiente con frequenza oraria e successiva analisi gascromatografica o mediante campionamento dell’aria su fiale di carbone per un periodo di 24 h, successivo desorbimento del campione raccolto mediante desorbimento termico e infine analisi gascromatografica da realizzarsi in laboratorio.

Misure di Benzo(a)pirene

• Norma tecnica di riferimento: UNI EN 15549:2008 “Qualità dell’aria. Metodo normalizzato per la misurazione della concentrazione di benzo(a)pirene in aria ambiente”.
• Principio di misura: cromatografia HPLC.
• Modalità di funzionamento: il Benzo(a)pirene è determinato sul campione di PM10, dopo l’avvenuta pesata del particolato, per trattamento chimico e determinazione analitica (cromatografia HPLC per il B(a)P).

Misure di Metalli

• Norma tecnica di riferimento: Il metodo di riferimento per la misurazione è descritto nella norma UNI EN 14902:2005 “Qualità dell’aria ambiente. Metodo normalizzato per la misurazione di Pb, Cd, As e Ni nella frazione PM10 del particolato in sospensione”.
• Principio di misura: spettrometria di massa con plasma ad accoppiamento induttivo.
• Modalità di funzionamento: i metalli (Arsenico, Cadmio, Nichel e Piombo) sono determinati sul campione di PM10, dopo l’avvenuta pesata del particolato, per trattamento chimico e determinazione analitica (spettrometria di massa con plasma ad accoppiamento induttivo, ICP-MS).