1.3 GLI INQUINANTI E LE EMISSIONI (da Finzi e Brusasca, 1991)
1.3.5 Il materiale particolato
I particolati consistono in particelle solide e liquide di diametro variabile fra i 100 e 0.1µm. Le particelle più grandi di 10 µm sono in genere polveri o ceneri volatili derivanti da processi industriali ed erosivi. Attorno a tale dimensione si hanno particolati che restano più a lungo sospesi in aria, mentre attorno ai 5 µm si hanno particelle che costituiscono quell'insieme denominato comunemente con fumi e nebbie. Gli aerosol sono invece caratterizzati da
dimensioni inferiori a 1 µm. Questo insieme di particelle solide e di goccioline liquide volatili costituisce, il più delle volte, un serio problema di inquinamento atmosferico. Le sostanze chimiche che possono essere presenti in atmosfera come particolati sono molto numerose ed anche per prodotti provenienti da una sola fonte di emissione, la variabilità è elevata.
Componenti Percentuale di ceneri volatili
Carbonio 0.37-36.2
Ferro 2.0-26.8
Magnesio 0.06-4.77
Calcio 0.12-14.73
Alluminio 9.81-58.4
Zolfo 0.12-24.33
Titanio 0-2.8
Carbonati 0-2.6
Silice 17.3-63.6
Fosforo 0.07-47.2
Potassio 2.8-3.0
Sodio 0.2-0.9
Indeterminati 0.08-18.9
Tab. 1.4 - Composizione delle ceneri volatili (combustione di carbone)
In Tab. 1.4 si è presa in considerazione ad esempio la combustione di carbone e la conseguente emissione di ceneri volatili. Le proprietà di interesse predominante sono:
• la dimensione delle particelle,
• la capacità delle particelle di agire da centro di addensamento o di assorbimento,
• le proprietà ottiche.
Il periodo in cui le particelle rimangono in sospensione varia da pochi secondi a molti mesi (il tempo di permanenza in troposfera è di solo pochi giorni mentre, in stratosfera, possono girare attorno al globo terrestre anche per parecchi anni ed avere così un consistente impatto sul clima). La seconda proprietà è invece da mettere in relazione all'area superficiale, grande in generale per la maggior parte delle molecole. Con il termine assorbimento si indica il fenomeno per cui una molecola, urtandone un'altra, si incorpora con essa. Ciò può avvenire in tre modi diversi:
1. la molecola incidente viene fisicamente attratta, aderendo alla particella (adsorbimento);
2. avviene un'interazione chimica tra le due molecole (assorbimento chimico);
3. la molecola incidente si dissolve nella particella senza che avvengano reazioni chimiche (absorbimento).
Le proprietà ottiche, infine, sono legate agli effetti delle particelle volatili sulle radiazioni solari e sulla visibilità. In particolare se il diametro è inferiore a 0.1 µm, le particelle sono così piccole rispetto alla lunghezza d'onda della luce visibile da reagire in maniera simile alle molecole (con effetto di ritrazione della luce). Se invece il diametro è molto maggiore di 1 µm le particelle obbediscono alle stesse leggi degli oggetti macroscopici, intercettando o disperdendo la luce approssimativamente in proporzione alla loro sezione trasversale.
I particolati presenti in atmosfera provengono in buone parte anche da processi naturali, quali le
eruzioni vulcaniche e l'azione del vento sulla polvere e sul terreno, processi che non sono comunque la causa dell'inquinamento da particolati (a meno di fenomeni di concentrazione locale elevata). La causa è infatti da ricercarsi nelle ceneri volatili e nei processi di combustione incompleta (fumi). In particolare sia la combustione in impianti fissi che i processi industriali sono responsabili ciascuno di quasi un terzo del totale. Per quanto riguarda gli impianti fissi, il maggior contributo è fornito dalle centrali termoelettriche, mentre tra i processi industriali quelli metallurgici occupano il primo posto nella emissione di polveri inquinanti, seguiti dalle industrie di lavorazione delle pietre e del cemento; al terzo posto si ha l'industria della lavorazione e stoccaggio del grano. Un fatto curioso da notare è che il traffico urbano contribuisce all'inquinamento dell'aria da particolati attraverso la lenta polverizzazione della gomma dei pneumatici. E' stato infatti dimostrato, ad esempio, che ogni giorno a Los Angeles si logorano 50 tonnellate di gomma, la maggior parte sotto forma di particolati. Il diametro delle particelle in sospensione è indicativamente così correlato alla fonte di provenienza:
• diametro > l0 µm: processi meccanici (es. erosione del vento, macinazione e diffusione), polverizzazione di materiali da parte di veicoli;
• l µm < diametro < l0 µm: provenienza da particolari tipi di terreno, da polveri e prodotti di combustione di determinate industrie e da sali marini in determinati località;
• 0.1µm < diametro < l µm: combustione e aerosol fotochimici,
• diametro < 0.1 µm: particelle non sempre identificabili chimicamente, originate apparentemente quasi del tutto da processi di combustione.
Infine è importante notare che, sempre in relazione alle dimensioni delle particelle, sono stati effettuati studi sui tempi di permanenza nell'aria e sul meccanismo di rimozione dei parti colati da parte delle piogge. Questo meccanismo, noto con il termine washout, è efficace per le particelle di dimensioni non inferiori a circa 2 µm. Esso consiste nel fatto che le piogge possono avere un effetto ripulente dell'atmosfera poiché le nubi negli alti livelli della troposfera si formano più facilmente per la presenza di piccole particelle che agiscono da nuclei di condensazione. Le gocce così formatesi, cadendo, inglobano anche altre particelle ingrandendosi man mano che scendono nei livelli più bassi.
Le ricerche finora effettuate riguardano solo effetti da polveri specifiche. E' stato comunque possibile rilevare da studi riguardanti le polveri di forni per cemento che tali polveri, mescolandosi con nebbia leggera o pioggia, formano una spessa crosta sulla superficie superiore delle foglie che può essere rimossa solo con forza, non essendo sufficiente il lavaggio con acqua. Tale incrostazione, facendo da scudo alla luce solare, interferisce con la fotosintesi e sconvolge il processo di scambio della CO2 con l'atmosfera, oltre a inibire lo sviluppo della pianta. Inoltre il danneggiamento della foglia per abrasione meccanica rende le piante più suscettibili agli attacchi da parte di insetti. Non ultimo è da rilevare il danno indiretto recato agli animali che usano le piante come alimento, poiché i parti colati depositatisi sulle piante possono contenere componenti chimici dannosi.
Relativamente agli effetti sull'uomo, il sistema maggiormente attaccato dai particolati è l'apparato respiratorio e il fattore di maggior rilievo è probabilmente la dimensione delle particelle, in quanto da esse dipende l'estensione della penetrazione nelle vie respiratorie. Prima di raggiungere i polmoni, i particolati devono oltrepassare delle barriere naturali, predisposte dall'apparato respiratorio stesso. Tali barriere sono innanzitutto costituite dai peli delle narici, che agiscono da filtro per le particelle più grosse; quelle più piccole sono invece fermate dalle mucose (a cui le particelle aderiscono) che rivestono l'apparato respiratorio. In alcune parti si hanno inoltre dei minuti peli (ciglia) che ondeggiano avanti e indietro fra le mucose in una corrente che convoglia le particelle intrappolandole verso la gola (dove vengono inghiottite).
Alcuni particolati sono efficacemente bloccati dalle dimensioni e dalla forma dei passaggi
dell'aria. Si può ritenere che le particelle con dimensione superiore a 5. µm siano fermate e depositate nel naso e nella gola Il pericolo è invece rappresentato dalla parte che raggiunge gli alveoli, dai quali viene eliminata in modo meno rapido e completo, dando luogo ad un possibile assorbimento nel sangue con conseguente intossicazione. Il materiale che permane nei polmoni può o avere intrinseca tossicità, a causa delle sue caratteristiche fisiche o chimiche, o interferire con l'eliminazione di altri materiali più pericolosi o causare fenomeni di assorbimento oppure adsorbimento sulle particelle (per cui possono essere convogliate molecole di gas irritante nei polmoni ad es. il carbone sotto forma di fuliggine può incorporare per adsorbimento molte molecole di gas sulla sua superficie). Come già sopra accennato si hanno diversi particolati tossici i cui effetti sulla salute sono tuttora oggetti di studio. Ad eccezione dell'aerosol dell'acido solforico, è difficile trovare in atmosfera particolati intrinsecamente tossici ad alte concentrazioni. L'interesse è volto piuttosto a determinare particelle tossiche, come ad esempio alcuni metalli presenti nell'aria in tracce e in continuo aumento a causa delle attività umane.
I danni sui materiali sono legati sopratutto alla composizione chimica e allo stato fisico dell'inquinante. Un primo tipo di danno indiretto è causato dall'annerimento dei materiali, dovuto alla sedimentazione dei parti colati; la pulitura necessaria indebolisce il materiale (sempre che ancor prima le particelle non siano anche di per sé corrosive veicolino sostanze corrosive adsorbite o absorbite). Gli edifici (case, monumenti, strutture, ecc.) vengono sporcati e danneggiati da particelle solitamente catramose, collose ed acide, le quali aderiscono alle superfici fungendo da serbatoi di acidi per la corrosione (fatto questo che si verifica sopratutto in città, dove vengono usate grandi quantità di carbone ed oli a base di zolfo). Anche le superfici con verniciature fresche o già asciutte subiscono l'attacco dei particolati; ne sono un esempio le condizioni delle auto parcheggiate nei pressi di impianti industriali o in aree urbane fortemente inquinate. In aria asciutta e pulita i metalli resistono bene alla corrosione che però aumenta in velocità all'aumentare dell'umidità.