La speciazione e la disponibilità degli elementi

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Figura 2.2.1 Immagine esplicativa della struttura del dispositivo DGT (Diffusive Gradient in Thin Films

I DGT sono stati inventati a Lancaster da Bill Davison e Hao Zhang. La sigla DGT sta per: “diffusive gradient in thin films”. Nel nome è racchiuso il suo meccanismo di funzionamento. Questo innovativo dispositivo di plastica consente di quantificare attraverso le classiche tecniche di laboratorio, la concentrazione accumulata in maniera controllata di elementi e sostanze presenti nelle soluzioni dalla resina, quali metalli in traccia, fosfati, solfati e radionuclidi, sia in termini di concentrazioni disponibili (bioaccessibili), che di flussi nel suolo, nei sedimenti e nelle acque. Esso può essere utilizzato in situ o ex situ.

La misura che si compie attraverso l’uso dei DGT è quella del flusso medio di specie labili, durante un certo lasso di tempo. Per un certo tipo di resina, e per la durata temporale del contatto, la concentrazione trovata nell’interfaccia (resina) può essere direttamente correlata con l’effettiva concentrazione del metallo labile [6]. Questa concentrazione dipende da qualsiasi fonte di quel determinato elemento: sia la fase solida, che la soluzione circolante del suolo. Il rilascio di un elemento dalla fase solida dipende dalla costante di velocità per il trasferimento in soluzione, e dalle dimensioni del pool labile in fase solida. Questi due fattori vengono considerati ed espressi tramite un coefficiente di diffusione D.

La composizione della resina viene scelta in funzione dell’analita investigato. Ad esempio per la quantificazione dei metalli si usa la resina Chelex. Nel nostro caso la resina utilizzata è costituita da ferrihydrite, (FH-DGT) specifica per la determinazione delle forme di arsenico e fosfati [17, 18] .Essa si trova a contatto con uno strato di idrogel di polialcrilammide ed un filtro, attraverso il quale fluiscono gli analiti, per giungere alla resina ed accumularvisi

Per il loro utilizzo i DGT devono essere inseriti nel suolo una volta che questo abbia raggiunto la capacità di campo. Nel caso di una applicazione in laboratorio è necessario disporre di un certo quantitativo di terreno, il quale va saturato e ben mixato, in modo da assicurare l’omogeneità. Il contenitore utilizzato può essere un semplice fondo di bottiglia in plastica, forato in modo da lasciare defluire l’acqua in eccesso. Lo spazio sufficiente è costituito da 2 cm tra il filtro ed i lati del contenitore, per un’esposizione di 24 ore. Affinché il contatto con il suolo sia ottimale ed efficace, è necessario che non permangano bolle d’aria e che il terreno non fuoriesca dai fori.

Il principio di funzionamento di tali dispositivi è brevemente descritto di seguito [7]. La resina contenuta nei DGT lega i soluti diffusi attraverso il gel diffusivo, rimuovendoli dalla soluzione circolante. Questo crea all’interno di tale gel un gradiente di concentrazione lineare, che a sua volta da luogo ad un flusso costante verso la resina, che determina il tasso di accumulo nella stessa, dal quale verrà calcolata la concentrazione dell’analita all’esterno del dispositivo. La concentrazione dell’analita nella soluzione circolante adiacente al DGT viene progressivamente diminuita dal flusso verso lo strato di idrogel, coinvolgendo via via le zone adiacenti. Gli analiti migrano verso lo strato di terreno più adiacente al filtro, generando un flusso guidato dal gradiente di concentrazione formatosi all’interno del gel diffusivo,

Finestra di contatto

Capsula Pistone

2 cm

2,5 cm

0,8 mm 0,135 mm 0,4 mm

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diminuendo di quantità col passare del tempo: la diminuzione di concentrazione nella soluzione circolante immediatamente prossima allo strato diffusivo genera una mobilizzazione di soluti dalla fase solida.

La quantità di analita che verrà quantificata nella resina, costituisce la massa di elemento accumulata per unità di area della resina stessa. Tale valore diviso per il tempo di contatto dà il flusso medio temporale dalla soluzione circolante alla resina.

In base a quanto previsto a livello teorico abbiamo proceduto operativamente miscelando i nostri campioni di terreno dopo averli saturati con acqua, e lasciandoli a contatto per 24 ore coperti con parafilm. Trascorso tale periodo di tempo abbiamo applicato i dispositivi DGT, creando un replicato per ogni campione, e ponendoli nel termostato a 23°C per altre 24 ore. Al termine abbiamo preso nota del tempo effettivo di contatto trasformandolo in secondi, ed è stata recuperata la resina successivamente sottoposta ad estrazione utilizzando 15 ml di HNO₃ (63% Sigma, suprapur) 0,28 M con piastra di grafite Digiprep (DIGIPREP, Scp Science, Quebec, Canada), per 90 minuti a 95°C. Questa combinazione consente di mantenere intatta la speciazione dell’arsenico contenuto nella resina, così come riportato in [15, 16, 17].

In seguito alla mineralizzazione si è proceduto ad effettuare una diluizione prelevando 2 ml di campione ed aggiungendo 4 ml di H₂O MilliQ.

Sui campioni così preparati abbiamo eseguito un’analisi di speciazione attraverso HPLC-ICP-MS (HPLC 1100 Agilent Technologies, Tokyo, Japan), con una colonna a scambio anionico PRP-X100 (Hamilton). Le specie indagate sono:

As(III), As(V), monometil-arsano (MMA) e dimetil-arsano (DMA). La fase mobile utilizzata era composta dal 66% di acido ortofosforico (pH 6 con NH₃ al 30% v/v) 80 mM, 32% metanolo e 2% H₂O MilliQ.

Per il calcolo delle concentrazioni di arsenico contenute nei DGT è stato necessario partire dai valori ottenuti dall’analisi di speciazione. La concentrazione dell’arsenico (Ce) così ottenuta, per ogni specie, moltiplicata per il volume di acido (Vol) usato in fase di mineralizzazione, e diviso per il fattore di eluizione (fe) pari a 0,8, restituisce la massa dell’elemento intrappolata nella resina:

La concentrazione dell’arsenico nella soluzione circolante ottenuta con il dispositivo è poi data dalla seguente formula:

t A D

g C M

*

*

*∆

=

dove M è la massa calcolata in precedenza, g lo spessore dato dallo strato di gel diffusivo e dal filtro (0,8+0,135 mm), t è il tempo di esposizione espresso in secondi, A l’area del esposta (3,14 cm²), e D il coefficiente di diffusione.

Quest’ultimo parametro deve essere riferito alle quattro specie indagate. Nel nostro lavoro abbiamo considerato dei valori ottenuti da Fontanella et al.[8] per le forme inorganiche, mentre per MMA e DMA i valori sono stati recuperati da Österlund 2012 [9] (Tabella 2.2.2).

Tabella 2.2.2. Valori dei coefficienti di diffusione D per le diverse specie di arsenico.

Specie Coefficiente D ( *10^-6 cm2*s^-1) a 23°C As(III) 4,90 ± 0,05

As(V) 5,95 ±0,30

DMA 6,30 ±0,52

MMA 6,10 ± 0,21

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Nella Tabella 2.2.3 sono riportati i risultati ottenuti, mentre la Figura 2.2.2 mostra un esempio di cromatogramma ottenuto per un campione, con i due picchi relativi all’arsenico inorganico (As(III) ed As(V)), ed un piccolo picco corrispondente all’MMA. La quantità totale di arsenico presente nelle soluzioni analizzate è principalmente costituita dall’As(V).

Tabella 2.2.3. Speciazione dell’arsenico e percentuale rilevata mediante i dispositivi DGT.

Il D.Lgs. 152 del 2006 stabilisce che il limite di contaminazione delle acque sotterranee per l’arsenico totale è pari a 10 µg kg^-1 (ppb), mentre, come già accennato, per i terreni siamo nell’ordine dei mg kg^-1 (ppm). Si evince quindi che la quantità di arsenico totale ritrovata nelle soluzioni estratte attraverso l’uso dei DGT supera il limite di legge per tutti i campioni. Le concentrazioni determinate mediante questi dispositivi rappresentano infatti le quantità che sono in grado di passare dalla fase solida al comparto acquoso.

Figura 2.2.2. Cromatogramma di analisi di un campione raffigurante i picchi relativi alle diverse specie di arsenico presenti.

Cdgt As(III) Cdgt As(V) Cdgt DMA Cdgt MMA tot pseudo-tot (A.R.)

% As AR in soluzione

µg kg^-1 µg kg^-1 µg kg^-1 µg kg^-1 µg kg^-1 µg kg^-1

SIN1 13,30 6,23 4,42 0,46 24,41 21000 0,12

SIN2 21,30 89,01 11,13 0,39 121,82 30000 0,41

SIN3 13,74 54,46 11,34 0,70 80,24 141000 0,06

SIN4 21,92 264,39 12,82 1,00 300,13 123000 0,24

SIN5 15,88 161,66 10,95 0,96 189,44 53000 0,36

SIN6 18,68 24,64 8,86 0,40 52,59 24000 0,22

SIN7 8,36 12,76 9,00 0,39 30,51 21000 0,15

SIN8 21,37 448,51 13,87 1,07 484,82 156000 0,31

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