Premio sapio per l’ambiente e lo sviluppo sostenibile

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Dott. Pasquale Avino
Nato a Roma, ricercatore presso l’Istituto Superiore per la Prevenzione e la Sicurezza del Lavoro (Ispesl)

Titolo dei risultati di ricerca
Determinazione e distribuzione spazio-temporale del materiale carbonaceo nel particolato atmosferico come nuovo tracciante nella contaminazione ambientale.

Motivazione del Comitato Scientifico
Sia con il Premio Sapio Energia e Trasporti sia con il Premio Sapio Ambiente e Sviluppo Sostenibile si è voluto lanciare un segnale forte che sancisca la necessità di operare scelte verso uno sviluppo che sia effettivamente durevole, costruito in prospettiva, che tenga conto di ciò che lasceremo domani alle future generazioni.
Un riconoscimento quindi ai più giovani ai quali è affidato un compito arduo che richiede determinazione e dinamismo.
La ricerca presentata dal dott. Avino sia per i contenuti affrontati sia per i risultati ottenuti è pienamente in linea con questa impostazione e con la finalità scientifica del Premio che, anche nel suo lungo tour scientifico, ha focalizzato l’attenzione sulle problematiche e sulle soluzioni legate allo sviluppo di nuove fonti energetiche, condizione questa indispensabile per uno sviluppo di qualità.

Sintesi contenente una breve descrizione dei risultati di ricerca
Il materiale particellare carbonioso è un parametro di fondamentale importanza ai fini della valutazione della qualità dell’aria. Esso è costituito da una frazione organica, nota come carbonio organico (OC), e da una frazione resistente all’ossidazione ad una temperatura di 350°C denominata carbonio elementare (EC). L’OC è una miscela complessa di più classi di composti (idrocarburi, composti ossigenati, acidi organici, ecc.) e ha un’origine sia primaria sia secondaria. L’OC primario viene emesso principalmente come particelle submicroniche da processi antropogenici e/o biogenici e l’OC secondario può avere origine dalla condensazione gas-particella di composti organici volatili a bassa tensione di vapore o dall’adsorbimento chimico e/o fisico di specie gassose su particelle. L’EC ha una struttura grafitica ed è essenzialmente un inquinante primario emesso direttamente durante i processi di combustione.
Dal punto di vista della granulometria, le particelle al di sotto di 10 µm (soprattutto PM10 e PM2.5) sono quelle più dannose per la salute dell’uomo e allo stesso tempo sono quelle che maggiormente interessano i processi di assorbimento e di trasformazione di inquinanti gassosi e i fenomeni di trasporto a grande distanza.
Nella ricerca vengono studiati i livelli di concentrazione del materiale particellare (PM10), del carbonio elementare (EC) e del carbonio organico (OC) misurati in aree urbane e remote. Principale risalto è dato allo studio analitico della separazione tra le due frazioni. Viene inoltre studiata l’evoluzione spazio-temporale delle due frazioni e più generale investigata l’evoluzione temporale delle particelle carboniose in atmosfera in funzione delle sorgenti emissive di origine antropica e naturale e della dinamica diffusiva dei bassi strati dell’atmosfera

Breve descrizione dell’applicazione pratica dei risultati di ricerca
Sviluppo di metodologie per la determinazione del carbonio organico ed elementare del particolato nel particolato. Implementazione dei sistemi di misura di inquinanti sul particolato (nitrati e solfati).

Descrizione tecnica dei risultati di ricerca
Il materiale particolato (PM) in atmosfera è un inquinante complesso sia per la


sua origine naturale e/o antropogenica che per la sua granulometria: per questi motivi può essere considerato un parametro di fondamentale importanza ai fini della valutazione della qualità dell’aria sia in aree urbane che remote.
Le principali sorgenti naturali sono l’eruzione dei vulcani, l’erosione delle rocce, gli aerosol marini, le emissioni biogeniche, ecc., mentre le principali sorgenti antropogeniche sono i processi di combustione e specifiche attività industriali. Dal punto di vista granulometrico, le particelle al di sotto di 10 mm (frazione toracica e respirabile) sono quelle più dannose per la salute dell’uomo e nello stesso tempo sono quelle che maggiormente interessano i processi di adsorbimento e di trasformazione di inquinanti gassosi e fenomeni di trasporto a grande distanza. Infatti, aree lontane da sorgenti di emissioni, quali ad esempio aree marine o aree remote, possono subire la ricaduta di sostanze inquinanti dovuta a fenomeni di trasporto.
La componente carboniosa di cui è costituito il materiale particellare può essere utilizzata come un nuovo tracciante utile per la valutazione della contaminazione di un determinato ambiente. La frazione carboniosa è costituita da un complesso miscuglio di sostanze contenenti atomi di carbonio che vengono normalmente classificati in due principali componenti: carbonio elementare (EC) e carbonio organico (OC). OC è una miscela complessa di più classi di composti (idrocarburi, ossigenati, ecc.) e ha un’origine sia primaria che secondaria: l’OC primario è emesso principalmente come particelle sub-microniche mentre l’OC secondario può avere origine dalla condensazione gas-particella di composti organici volatili a bassa tensione di vapore o dall’adsorbimento chimico e/o fisico di specie gassose sulle particelle. EC ha invece una struttura grafitica ed è essenzialmente un inquinante primario emesso direttamente durante i processi di combustione. È da sottolineare che quando la differenza tra le due frazione non è dal punto di vista termico ma dal punto di vista ottico, la frazione elementare prende il nome di ?black carbon? (BC).
La determinazione del carbonio totale (TC) nel particolato e la separazione del carbonio elementare dal carbonio organico possono essere eseguite con differenti metodiche analitiche che sfruttano le differenti proprietà ottiche, termiche o chimiche delle particelle. Vi è una varietà di metodiche ottiche basate sul principio della misura della trasmittanza o della riflettanza di un raggio di luce incidente su particelle raccolte su filtro. Recentemente sono stati sviluppati vari procedimenti di misure termiche che consentono anche la separazione del carbonio elementare dal carbonio organico sia attraverso una pre-estrazione con solvente della componente organica o direttamente mediante due stadi di combustione/ossidazione a due diverse temperature.
Il metodo utilizzato in questa ricerca si basa sulla diversa composizione della sua frazione organica ed elementare: la frazione organica viene determinata dopo riscaldamento a 350°C e determinazione come CO2 mediante un rivelatore non dispersivo infrarosso mentre la frazione resistente alla temperatura di ossidazione di 350°C è il carbonio elementare. L’importanza del materiale carbonaceo nella valutazione della qualità dell’aria è evidenziata dalla correlazione tra OC ed EC. In quest’ambito infatti sono stati condotti studi che hanno individuato come il traffico nelle aree urbane sia la principale fonte


di emissioni di inquinanti di origine primaria mentre nelle aree verdi risulta importante il contributo di OC primario di origine biogenica (piante). A tal scopo è risultato molto utile il comportamento del rapporto TC(=EC+OC)/EC: infatti nelle aree verdi la presenza di emissioni primarie di origine biogenica dà come risultato un valore di TC/EC differente (maggiore) rispetto all’analogo in un’area urbana ad alto traffico.
La ricerca è stata condotta essenzialmente in due siti di Roma: una stazione è localizzata nel centro della città, in via Urbana (S. Maria Maggiore), interessata da una alta densità di traffico autoveicolare, mentre la seconda nel parco di Villa Ada, una zona non direttamente influenzata dai flussi di traffico cittadino. L’evoluzione spazio-temporale delle particelle carboniose è stata interpretata mediante la misura della radioattività naturale utilizzata come tracciante della diffusione verticale nei bassi strati dell’atmosfera. La separazione di EC da OC effettuata mediante un metodo termico con due stadi di ossidazione a due temperature (350°C e 750°C) ci ha consentito anche di identificare le fonti primarie di EC derivanti dal traffico autoveicolare, di differenziare quelle primarie biogeniche ed antropogeniche di OC e quelle secondarie di OC.
I risultati della ricerca, tutt’ora in corso, evidenziano che il monitoraggio della frazione carboniosa presente nel materiale particellare in sospensione è molto importante per avere una conoscenza più approfondita della qualità dell’aria specialmente nelle aree urbane in cui la sorgente emissiva più importante è il traffico autoveicolare.
Il metodo analitico adottato che sfrutta le proprietà termiche delle particelle consente una misura diretta del materiale carbonaceo e presenta un notevole vantaggio rispetto al metodo dei fumi neri previsto dalla normativa vigente che opera una misura indiretta del materiale carbonioso mediante assorbimento di luce.
In definitiva, l’utilizzo di tale metodologia d’indagine porta a esprimere le seguenti valutazioni:
· misura fondamentale per la valutazione dell’inquinamento atmosferico da processi di combustione;
· utilizzo di questa misura come indice specifico dell’inquinamento da traffico autoveicolare;
· misura molto significativa ai fini della tutela della salute dell’uomo per l’elevata permanenza delle particelle carboniose nell’atmosfera e per i numerosi processi di trasformazione chimico-fisici che esse possono subire nell’atmosfera;
· la buona correlazione tra i valori di OC ed EC mette in evidenza che nell’area del centro storico di Roma la sorgente più importante della frazione carboniosa nel particolato è il traffico autoveicolare;
· la separazione tra EC, di origine primaria, ed OC, di origine primaria e secondaria, è di fondamentale importanza per lo studio degli effetti pneumoconiogeni, e più in generale per gli effetti tossici, e per lo studio dei meccanismi di formazione degli inquinanti fotochimici.