CAPITOLO 5 Attività di Laboratorio

CAPITOLO 5

Attività di Laboratorio

5.1 Descrizione delle Procedure di Estrazione utilizzate

Una volta raccolti i campioni di PM10 e PM2,5 ed effettuata la determinazione della

massa per via gravimetrica, i filtri sono stati conservati ad una temperatura di 4°C prima delle analisi chimiche.

Per l’estrazione del particolato campionato è stato utilizzato mezzo filtro, così da rendere disponibile l’altra metà per ulteriori tipologie di analisi.

Dal momento che il filtro presenta dimensioni ridotte, si ipotizza che la massa e la composizione del materiale raccolto sia uniformemente distribuito sulla sua superficie. E’ tuttavia necessario porre particolare attenzione durante il taglio del filtro poiché il rapporto fra l’area estratta e l’area totale è critico per determinare i µg/m3 di PM10 (o PM2,5) medi sulle 24 ore.

Al fine di effettuare una divisione piuttosto precisa è stato utilizzato un utensile (Fig. 5.1.1) costituito da una sede adatta ad ospitare un filtro di 47 mm, e da una mascherina con due guide perfettamente ortogonali; una volta messo il substrato nella sede apposita esso viene tagliato da un bisturi che scorre lungo una di queste guide, ottenendo così con buona approssimazione due porzioni uguali.

Per determinare le concentrazioni delle specie solubili in acqua, ciascuna metà di ogni campione è stata immersa all’interno di bottiglie precedentemente preparate con 20 ml di acqua demonizzata. Particolare attenzione è stata posta durante l’introduzione della porzione del filtro nel contenitore, cercando di evitare la perdita di parte del particolato raccolto. A tale proposito infatti sono state usate bottiglie di plastica a bocca larga del volume di 250 ml. Prima del loro impiego ciascuna di esse è stata ben lavata con acqua deionizzata (almeno 5 volte, compresa la parte interna del tappo) e asciugata con cura facendola sgocciolare, scuotendola e tenendola a testa in giù, assicurandosi di far andar via dalle pareti interne ogni eventuale goccia residua.

La quantità di volume d’acqua introdotto nelle bottiglie deve essere ben noto, dal momento che risulta un valore critico per i calcoli successivi.

Al fine di facilitare l’entrata in soluzione delle specie chimiche presenti sulla porzione di filtro, sono stati impiegati due diversi metodi di estrazione.

Per i campioni raccolti durante la campagna di Virgo, è stato impiegato un metodo di estrazione che prevede l’utilizzo di ultrasuoni e descritto da (P. Stia 2006).

In questo caso le porzioni di filtro sono state immerse inizialmente in recipienti (lavati ed opportunamente etichettati) con 10 ml di acqua deionizzata, quindi, con l’aiuto di una bacchetta di vetro precedentemente lavata, si è proceduto a sminuzzare e triturare il filtro quanto più possibile; si sono poi aggiunti altri 10 ml di acqua allo scopo di lavare accuratamente la bacchetta e di assicurarsi che ogni traccia del filtro fosse rimasta nel contenitore, raggiungendo così un volume totale di 20 ml. I contenitori, ai quali è stata aggiunta un’ancoretta magnetica, sono stati sigillati con parafilm. La sospensione è stata mantenuta in agitazione, utilizzando un agitatore magnetico, per 1 ora.

Successivamente, i contenitori sono stati posti in un bagno ad ultrasuoni per 66 minuti e quindi centrifugati per un tempo di 10 minuti ad una velocità di 4000 giri al minuto. E’ stato analizzato il surnatante, prelevato grazie all’utilizzo di una pipetta. I campioni così prelevati sono stati messi in contenitori di plastica opportunamente lavati, asciugati ed etichettati e conservati alla temperatura di 4°C in attesa di passare alla fase di analisi.

Per i campioni prelevati durante le campagne di Montespertoli e di Viareggio è stato invece impiegato il metodo di estrazione descritto all’interno di un precedente studio (Ceccarini, 2005) che risulta essere più semplice. In questo caso le porzioni di filtro sono state immerse in bottiglie di plastica a bocca larga del volume di 250 ml, (anch’esse lavate, asciugate e etichettate) che sono state sottoposte ad agitazione orizzontale per un periodo di 24 ore.

Al termine di tale procedura il contenuto delle bottiglie è stato trasferito in contenitori di plastica mantenuti in frigorifero ad una temperatura di 4°C prima delle analisi. L’utilizzo di questo sistema di estrazione ha consentito di ottenere una quantità di campione maggiore rispetto al metodo usato nel caso della campagna di Virgo, permettendo così la possibilità di eseguire, quando necessario, analisi chimiche ulteriori per una più corretta determinazione delle specie chimiche presenti.

Infine, la riduzione del trasferimento da un recipiente all’altro durante le varie fasi del trattamento rispetto a quello subito dai campioni raccolti a Virgo, limita le possibili fonti di contaminazione e di errore umano.

5.2 Procedure Analitiche impiegate

Le analisi per la determinazione delle principali specie inorganiche nell’estratto, sono state condotte in cromatografia ionica sia per gli anioni che per i cationi, mentre è stato utilizzato un elettrodo a membrana per l’ammoniaca. Di seguito vengono descritti in maggior dettaglio i singoli strumenti impiegati e le procedure seguite.

• Anioni

La tecnica analitica utilizzata per la determinazione degli anioni inorganici (Cl-, NO3

e SO4

2-) è la cromatografia ionica con soppressione chimica e determinazione della conducibilità elettrica. Lo strumento impiegato è un cromatografo ionico Dionex DX-100 .

Le condizioni operative con le quali è stata effettuata l’analisi sono le seguenti:

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1. Cl-: 0,044 ÷ 0,88 mg/l 2. NO3 -: 0,625 ÷ 5 mg/l 3. SO4 2+ : 0,6 ÷ 12 mg/l

Il campione è stato iniettato attraverso la valvola di iniezione in colonna utilizzando una siringa senza ago all’estremità della quale è stato posizionato un filtro di acetato di cellulosa da 0.45 µm per evitare che possibili frammenti solidi presenti nell’estratto possano danneggiare lo strumento.

Il basso valore del fondo scala se consente di determinare bassi valori di concentrazione ed effettuare quindi le determinazioni diluendo gli estratti 1:5, espone i risultati a grossi rischi di contaminazione ambientale. Per questo sono stati fatti test di pulizia del laboratorio. In particolare sono state raccolte ed analizzate le polveri presenti nell’ambiente.

I risultati ci hanno portato ad assumere tutte le precauzioni possibili, come l’uso costante di guanti e una accurata pulizia della bocca della valvola di iniezione fra un

campione e un altro, per evitare possibili contaminazioni soprattutto nei confronti dei valori di concentrazione di cloruri e nitrati.

• Cationi

La tecnica analitica utilizzata per la determinazione degli cationi inorganici (Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+) è la cromatografia ionica con soppressione chimica e determinazione della conducibilità elettrica. Lo strumento impiegato è un cromatografo ionico Dionex DX-500 .

Le condizioni operative con le quali è stata effettuata l’analisi sono le seguenti:

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Li+: 0,005 ÷ 0,25 mg/l Na+: 0,0115 ÷ 0,575 mg/l K+: 0,025 ÷ 0,5 mg/l Mg2+: 0,05 ÷ 1 mg/l Ca2+: 0,05 ÷ 1 mg/l

La maggiore sensibilità del metodo (la conducibilità finale dell’eleuente è inferiore a 2 µS/cm contro i 15 µS/cm dell’eleuente utilizzato per la determinazione degli anioni) ha permesso di lavorare con un fondo scala di 5 µS, invece che d 3 µS, tuttavia si sono avuti analoghi problemi di interferenza soprattutto nei confronti del sodio e del calcio, come confermato dalla prova di contaminazione ripetuta anche per i cationi. Proprio per questo motivo, in un caso (relativo ad un set di campioni raccolti durante la campagna di Viareggio), siamo stati incerti sulla attendibilità dei valori di concentrazione trovati, tanto da chiedere conferma analitica con un sistema di determinazione alternativo utilizzando l’assorbimento atomico.

I risultati trovati con quest’ultimo sistema hanno confermato quelli da noi ottenuti in precedenza. Va ricordato però che questa conferma è stata possibile solo grazie al fatto di avere a disposizione una quantità di estratto sufficiente, cosa che probabilmente non sarebbe avvenuta se avessimo trattato i filtri seguendo l’iter del bagno ad ultrasuoni.

• Lo ione ammonio

Allo scopo di determinare la quantità di ammonio presente nell’estratto è stato impiegato un elettrodo a membrana semipermeabile selettiva per l’ammoniaca. Questo sistema permette un’elevata sensibilità, con un limite di detenzione di circa 20 ppb.

Per determinare la quantità totale di ione ammonio è necessario che il pH della soluzione sia maggiore di 12. A questo scopo si aggiunge un piccolo volume di NaOH 4N. L’analisi è stata effettuata su contenitori aventi un volume totale di 5 ml circa. Il volume .di campione utilizzato è stato di 2 ml, la quantità di soda 4N aggiunta è stata di 20 µl.

Questo metodo è fortemente influenzato dalle variazioni di temperatura, come evidente anche dall’equazione di Nerst:

E = E0 + F Z RT i ln [NH3]

Dove: R = Costante dei gas T = Temperatura

F = Costante di Faraday Z = Valenza dello ione E = Potenziale misurato

E0 = Potenziale normale o standard

pertanto le analisi sono state effettuate in un ambiente mantenuto ad una temperatura tra i 24 e i 25°C.

Le condizioni operative con le quali è stata effettuata l’analisi sono le seguenti:

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Purtroppo la rottura improvvisa dello strumento ha reso necessario l’utilizzo di una tecnica spettrofotometrica per la determinazione dell’ammoniaca in alcuni campioni raccolti durante la campagna di Viareggio.

Il metodo colorimetrico utilizzato è stato….

Le condizioni operative con le quali è stata effettuata l’analisi sono le seguenti:

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mod. 632-0001.

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5.3 Possibili Fonti di Errore

La fase di determinazione delle specie chimiche presenti nei campioni di particolato può essere affetta da errori, alcuni dei quali ineliminabili.

Fra questi, come ampiamente evidenziato in letteratura, una delle più probabili cause di errore è la perdita dei composti semivolatili, come il nitrato d’ammonio o alcuni composti organici; per tale motivo, dopo la determinazione per via gravimetrica della massa del particolato raccolto, si è deciso come prima cosa di effettuare le analisi per la ricerca di tali composti.

Un altro elemento critico, fonte di numerose controversie, è il contenuto di acqua nel particolato; secondo alcuni ricercatori è preferibile non considerarlo nel determinare la massa raccolta sul filtro, mentre secondo altri, sicuramente in maggior accordo con la definizione di aerosol particles, anche l’acqua è particolato, per cui deve essere inclusa nella massa.

A tal proposito, in un recente studio (Hueglin C. et al., 2004) un gruppo di ricercatori ha messo a punto un metodo per misurare il contenuto di acqua nel PM10 e PM2,5

raccolto su filtri in fibra di quarzo.

I dati da loro ottenuti mostrano che, per i PM10 la percentuale in peso dell’acqua è

rappresenta mediamente il 10,6%, con un’ampia variabilità sia spaziale che stagionale (dal 17,2% durante la stagione più calda al 6,0% nel periodo invernale). Tale valore è stato stimato sulla base della differenza fra il peso del filtro condizionato in un ambiente con un’umidità relativa (UR) del 50% e quello dello stesso filtro in condizione “secca” (UR < 5%).

Il potenziale contenuto di acqua nei campioni di PM2,5 è stato invece calcolato sulla

base della loro composizione chimica utilizzando un modello termodinamico per i sali inorganici (AIM- Thermoddynamic aerosol model- by Clegg et. Al., 1998). Il valore così calcolato si attesta in media fra il 13 e il 23%; la frazione d’acqua è risultata leggermente più alta in inverno piuttosto che in estate a causa della maggior quantità di frazione inorganica durante l’inverno.

Si ritiene quindi che l’acqua rappresenti il principale costituente dell’erosol atmosferico determinato secondo il metodo di riferimento Europeo per i PM10 e che

quindi misurare la massa del particolato campionato al netto del suo contenuto d’acqua, oltre che opinabile da un punto di vista teorico, sia anche di difficile attuazione pratica; questo perché eliminare l’acqua comporta la perdita di altri composti, introducendo anche altri artefatti, come la perdita dell’acqua di idratazione di un sale idrato. Inoltre, il condizionamento del filtro, necessario per la misura della massa di particolato campionato al netto delle variazioni di peso del filtro stesso, implica di per se una sovrastima, od una sottostima, del contenuto di acqua nell’aerosol, a seconda che l’umidità relativa di condizionamento sia maggiore o minore dell’umidità relativa di campionamento.

Infatti, risulta molto difficile conoscere il reale contenuto di acqua del particolato in aria ambiente (che poi è l’aerosol che viene respirato), e quindi la sua reale massa,

essendo strettamente dipendente dalle condizioni di umidità relativa effettivamente presenti.

Il condizionamento del filtro dopo il campionamento è quindi una fase critica, per quanto necessaria, dove è probabile perdere componenti semivolatili; questo errore è di difficile stima, dipendendo dal contenuto originario di detti composti nel PM raccolto sul filtro. Anche il campionamento stesso è una fase critica, in quanto possibili aumenti di temperatura possono agevolare la volatilizzazione delle specie a rischio.

Un’altra possibile fonte di errore è data dalla porzione di filtro sottoposta alla procedura di estrazione.

Come detto sopra, i filtri sono stati divisi in due parti uguali grazie all’aiuto di un “tagliafiltri” fatto su misura e di un bisturi; nonostante tutta l’attenzione posta durante tale procedura, non è possibile pensare che le due porzioni ottenute siano esattamente uguali.

Infine, anche l’estrazione stessa è fonte di errore in quanto non è detto che l’efficienza di tale procedura sia del 100% e nemmeno che sia sempre uguale, infatti è possibile che non tutto il materiale solubile in acqua venga recuperato. Tuttavia i risultati dei test effettuati in precedenti lavori mostrano che le efficienze di recupero variano tra il 95% ed il 105% .