CAPITOLO 4
Metodi di Campionamento
4.1 Introduzione
Il monitoraggio della qualità dell’aria è lo strumento principale di cui si avvalgono gli enti territoriali per la corretta gestione delle proprie competenze in materia di miglioramento della qualità dell’aria. L’analisi dei dati di qualità dell’aria rappresenta infatti un elemento fondamentale per valutare negli anni l’efficacia delle azioni intraprese a vari livelli istituzionali per il raggiungimento di tale obiettivo.
In questo capitolo focalizziamo l’attenzione sulle tecniche di campionamento delle polveri sottili, che costituiscono uno degli inquinanti di maggiore criticità e per le quali studi epidemiologici hanno mostrato una correlazione tra le loro concentrazioni in aria e la manifestazione di malattie croniche alle vie respiratorie, in particolare asma, bronchiti, enfisemi.
Grazie alla continua evoluzione tecnologica, la misurazione del particolato può essere effettuata con diverse tipologie di strumenti in grado di determinare tali concentrazioni sfruttando principi diversi. Tuttavia, dal momento che l’Unione Europea (così come aveva fatto in precedenza l’US-EPA) ha dato una definizione operativa di PM10, indicando l’impattatore da utilizzare nei sistemi di campionamento
e misura a basso e alto volume, si sono resi disponibili sul mercato Sistemi di
Campionamento LVS (Low Volume Sampler) e HVS (High Volume Sampler) da
considerarsi di riferimento per la misura del PM10 e PM2,5.
Di seguito vengono descritti con maggior dettaglio le varie tipologie di strumenti oggi disponibili per il campionamento del particolato atmosferico.
Sebbene tali strumenti sfruttino principi diversi per la determinazione della massa di particolato raccolto, tutti sono costituiti da due principali unità:
1. una pompa di campionamento a flusso costante in linea con un preselettore che permette la separazione delle particelle di dimensioni maggiori da quelle più piccole;
2. un sistema per la determinazione della massa delle particelle raccolte, o un sistema analogo in grado di stimare tale valore sulla base di principi fisici diversi a seconda del sistema utilizzato.
4.2 Campionatori di tipo Gravimetrico LVS e HVS
I campioantori LVS e HVS si differenziano per il volume di aria immessa. Tra i sistemi di campionamento di riferimento gli LVS (Low Volume Sampler) sono sicuramente i più diffusi, essendo quasi tutti di tipo sequenziale, ovvero con un sistema di cambio filtro automatico; tali strumenti hanno la caratteristica di lavorare
a basse portate (2,3 o 1 m3/h), mentre gli HVS (High Volume Sampler), operano con portate maggiori (15, 30 0 67 m3/h). Attualmente i sistemi HVS sequenziali sono pochi, pertanto vengono utilizzati per lo più in campagne mirate, di breve durata, dove è importante la raccolta di grandi quantità di particolato per la ricerca di sostanze presenti in concentrazioni molto basse.
In entrambi i casi comunque la presenza di un impattatore permette alle particelle di un determinato diametro (contenute nei volumi d’aria aspirati) di depositarsi su appositi filtri che verranno poi analizzati in laboratorio mediante tecnica gravimetrica. A seconda del tipo di impattatore istallato è possibile eseguire il campionamento del PM10 o del PM2,5; alcuni strumenti sono dotabili anche di iniet
per PM1.
Nelle figure sottostanti (Fig. 4.2.1 e 4.2.2) vengono mostrati rispettivamente i campionatori per PM10 e per PM2,5 distinti sulla base dei volumi d’aria con cui
lavorano.
I sistemi LVS presentano alcuni vantaggi, quali: • costituiscono il metodo di riferimento;
• consentono l’utilizzo di filtri di vario tipo, adatti per numerose tecniche analitiche di laboratorio;
• sono sistemi autonomi utilizzabili in campagne sia di breve che di lunga durata.
I principali svantaggi nell’utilizzo di questi sistemi sono invece essenzialmente dovuti al fatto che:
• la quantità di campione raccolta è limitata; • non consentono la gestione in tempo reale;
• il monitoraggio continuo su periodi di campionamento inferiore a 24 ore è possibile ma oneroso.
Fig.4.2.2_Impattatori LVS per PM2,5 EN 12341 (Fonte:Arpa Lombardia 2004).
I sistemi di campionamento di tipo HVS per PM10 (rappresentato nella figura 3.2.3) e
PM2,5 presentano anch’essi alcuni vantaggi e svantaggi. Gli aspetti positivi
nell’impiego di tali strumenti sono i seguenti:
• raccolgono una grande quantità di campione permettendo l’analisi di composti presenti nel particolato in tracce;
• utilizzando filtri di grandi dimensioni, permettono la suddivisione del campione in più frazioni e quindi analisi diverse sullo stesso campione.
I principali aspetti negativi nell’utilizzo di campionatori HVS sono invece essenzialmente dovuti al fatto che:
• la gran parte di questi sistemi non sono sequenziali e quindi la sostituzione di ogni filtro richiede l’intervento dell’operatore;
• non consentono la gestione in tempo reale;
•
il monitoraggio continuo su periodi di campionamento inferiori alle 24 ore è possibile ma oneroso; vengono quindi utilizzati per campagne mirate di breve durata.Fig.4.2.3_Impattatori HVS per PM10 (Fonte:Arpa Lombardia 2004).
4.3 Sistemi di Selezione Multistadi
Questi campionatori vengono impiegati quando è necessario conoscere su quali classi dimensionali i diversi composti sono presenti nel particolato.
Di questi sistemi ne esistono diversi modelli, sia di tipo LVS che HVS; più spesso questi tipi di campionatori risultano adatti per determinare le concentrazioni relative (della massa o di alcuni composti) in funzione della classe dimensionale, piuttosto che le concentrazioni assolute. In genere presentano la necessità di campionamenti lunghi per raccogliere una quantità di campione sufficiente per analisi di laboratorio. In Fig 4.3.1 viene mostrato un sistema di impattatori multistadio LVS.
4.4 Analizzatori Automatici
Molti strumenti di questa categoria hanno il vantaggio di determinare le concentrazioni di polvere su brevi intervalli temporali (1 ÷ 3 ore); esistono, seppur rari, analizzatori automatici che hanno anche funzione di campionatori, consentendo quindi, fra l’altro, anche una verifica diretta dell’accuratezza della loro misura. I più diffusi sistemi di campionamento automatici, spesso impiegati dagli enti territoriali per il monitoraggio del particolato sono:
1.
Analizzatori ad Attenuazione Beta
Essi sono in grado di misurare l’attenuazione di particelle β prodotte da una sorgente radioattiva (generalmente 14C o 147Pm) da parte del campione su cui è depositato il particolato. La misura è relativa, vale a dire che viene valutata la differenza tra l’attenuazione del fascio di elettroni attraverso il filtro bianco e successivamente quella determinata dal particolato atmosferico raccolto sul filtro campionato. Occore tener conto sia della radioattività naturale del campione sia della variazione della densità dell’aria.
Il sistema di misura può essere costituito da una testa di prelievo per PM10 o PM2,5 ed
effettua il campionamento su materiali filtranti.
L’aria, prima di giungere all’analizzatore, è scaldata a temperature che possono raggiungere anche i 50°C per eviatare la formazione di acqua. Ciò comporta la perdita di volatili e semivolatili organi ed inorganici (NH4NO3, NH4HSO4,
(NH4)2SO4, ecc (Slanina e Zang, 2004).
2.
TEOM: Tapered Element Oscillating Microbalance
Gli strumenti TEOM si basano su una microbilancia inerziale oscillante, che misura direttamente la massa raccolta su un filtro misurando i corrispondenti cambi di frequenza di un elemento affusolato su cui è appoggiato il filtro. Questo elemento vibra ad una frequenza dipendente dalle sue proprietà geometriche e meccaniche e dalla massa del filtro. Man mano che le particelle sono raccolte dal filtro la frequenza di oscillazione naturale dell’elemento diminuisce.
Le problematiche associate a questo sistema sono dovute al riscaldamento che esso produce sull’aria in ingresso (50°C) al fine di evitare la condensa dell’umidità sul filtro; in questo modo si genera un artefatto negativo nella misura a causa dell’evaporazione delle specie volatili (ammonio e specie organiche).
Nonostante il metodo ufficiale sia quello di tipo gravimetrico, l’uso delle centraline per il monitoraggio continuo dei PM10 è auspicabile perché permette di ottenere un
dettaglio informativo maggiore (ad es. orario) rispetto ai campionamenti manuali (giornalieri).
Tuttavia è noto che questi strumenti automatici sottostimano il vero livello dato dal metodo di riferimento (LVS) e per tale ragione è stato proposto un fattore di correzione pari a 1,3 (APEG Report, 1999). L’Unione Europea ha definito dei criteri statistici da seguire per correggere e quindi accettare le misure ottenute da tecnologie in continuo (TEOM, Assorbimento β) in sostituzione delle tradizionali misure gravimetriche.
Infine, un ulteriore aspetto negativo nell’utilizzo di tali sistemi sta nel fatto che nella maggior parte dei casi essi non forniscono un campione per le analisi di laboratorio.
4.5 Metodo di riferimento
Il DM 60/2002 e la norma EN 12341 stabiliscono quello che deve essere considerato il metodo di riferimento. In Appendice all’Allegato XI del DM 60/2002 si legge. “Il valore di concentrazione di massa del materiale particolato è il risultato finale di un processo che include la separazione granulometrica della frazione PM10, la sua
accumulazione sul mezzo filtrante e la relativa misura di massa con il metodo gravimetrico. Un sistema di campionamento, operante a portata volumetrica costante in ingresso, preleva aria, attraverso un’appropiata testa di campionamento e un successivo separatore a impatto inerziale. La frazione PM10 così ottenuta viene
trasportata su un mezzo filtrante a temperatura ambiente. La determinazione della quantità della massa PM10 viene eseguita calcolando la differenza fra il peso del filtro
campionato e il peso del filtro bianco.”
La misura gravimetrica viene effettuata mediante una bilancia analitica idonea a pesare i filtri del tipo e delle dimensioni richiesti dal campionatore. La portata e la sensibilità necessarie dipendono dalla massa (tara) del filtro e dalla massa su essi depositata. In particolare, con campionatori ad alto volume (0,5 > m3/min) occorre una bilancia analitica con una sensibilità di 0,1 mg. Con i campionatori a più basso volume (portate < 0,5 m3/min) sarà necessaria una bilancia con sensibilità maggiore. I filtri che possono essere utilizzati si differenziano sulla base della loro sensibilità all’umidità relativa,. Fra quelli maggiormente influenzati da tale parametro, i più usati sono filtri a base di:
• esteri di cellulosa • fibre di quarzo • fibre di vetro
La fase di preparazione dei filtri prevede che prima del campionamento essi vengano condizionati per 24 ore, cioè portati alla temperatura di 20°C con una umidità relativa del 50%, e poi pesati con una bilancia del tipo sopra descritto. L’operazione di condizionamento viene ripetuta sui filtri campionati, prima che questi siano pesati nuovamente.
Infine, il separatore ad impatto inerziale descritto dalla norma EN 12341 ha un’efficienza nominale di penetrazione del 50% per particelle con diametro aerodinamico di 10 µ m. quando è utilizzato ad una portata volumetrica di 2,3 m3/h, si tratta quindi di un campionatore di tipo LVS.
La concentrazione di massa di PM10 nell’aria atmosferica viene calcolata, dopo aver
ripetuto la procedura di condizionamento dei filtri, dividendo la massa totale delle particelle raccolte nell’intervallo dimensionale del PM10 per il volume di aria
campionato (determinato in base alla misura della portata e il tempo di campionamento) e espresso in microgrammi per metro cubo standard (µg/std m3). La precisione dei campionatori di PM10 è tale per cui è ammesso un errore inferiore al
10%.
Le particelle volatili raccolte sui filtri spesso vanno perdute durante il trasporto e/o il magazzinaggio dei filtri prima della pesata dopo il campionamento. Sebbene il trasporto e il magazzinaggio dei filtri sia talvolta inevitabile, i filtri dovrebbero essere ripesati il prima possibile per minimizzare queste perdite.
La ritenzione di specie gassose sui filtri può portare ad errori positivi nella misura della concentrazione di PM10. Tali errori comprendono la ritenzione del biossido di
zolfo e dell’acido nitrico.
Altra fonte di errore è il non perfetto condizionamento del filtro. Per questo motivo è necessario ripetere le pesate anche su filtri “bianchi” tenuti in laboratorio. Se si riscontrano differenza sistematiche tra i pesi dei filtri “bianchi”, occorre correggere di conseguenza i risultati ottenuti per i campioni.
Una situazione di questo tipo si è verificata per i filtri di Virgo dove la differenza tra i peso del “bianchi di laboratorio” al termine della campagna è risultata in media di 0.27 mg inferiore a quello dell’inizio dell’attività.
4.5 Strumentazione della rete di monitoraggio in Toscana
La strumentazione della rete di rilevamento della Toscana è conosciuta per la maggior parte da apparecchiature ad attenuazione di raggi β e da misuratori TEOM. Questi strumenti risultano essere i più testati a livello mondiale e soprattutto i più facili da inserire in una rete di monitoraggio. Infatti sono strumenti automatici che permettono di effettuare campionamenti sequenziali, con differenti periodi di campionamento selezionabili dal gestore della rete.
