Caratterizzazione chimica di particolato atmosferico

Abstract

Il particolato atmosferico è noto per avere effetti avversi sulla salute umana a breve e a lungo termine; di particolare pericolosità sono le sue frazioni con diametro aerodinamico minore o uguale a 10 μm (PM10) e minore o uguale a 2,5 μm (PM2.5) in quanto, soprattutto quest’ultima frazione, è in grado di penetrare profondamente nell’apparato respiratorio. Il particolato atmosferico è una matrice ambientale di grande complessità e dunque, oltre al semplice monitoraggio della sua concentrazione nell’aria ambiente è importante anche la sua caratterizzazione chimica per individuare e quantificare il contenuto di elementi o composti chimici potenzialmente dannosi per la salute umana. Nella prima parte della presente tesi è stata monitorata la concentrazione del PM10 ed il suo contenuto di alcuni metalli (Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb e Ti) in due siti della provincia di Udine: uno urbano ed uno industriale. I risultati di questo studio portano a concludere che la sola misura della concentrazione del PM10 non è un indice sufficiente a definire la qualità dell’aria e dovrebbe essere associata alla determinazione del suo contenuto in metalli, almeno di quelli riconosciuti pericolosi, soprattutto se ci si trova nelle vicinanze di siti industriali. Gli altri studi si sono focalizzati su due siti della provincia di Trieste: uno urbano-industriale ed uno costiero. Sono state eseguite due campagne di campionamento per sito ed è stata monitorata la concentrazione del PM10 e del PM2.5. Il PM10 è stato caratterizzato per il suo contenuto di metalli mentre nel PM2.5 sono stati determinati gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), il carbonio organico ed elementare e gli anioni. Le concentrazioni di metalli ritenuti potenzialmente tossici e per cui diverse organizzazioni internazionali hanno fissato dei limiti di esposizione ambientale (As, Cd, Cr, Mn, Ni, Pb e V) non hanno mai superato questi limiti, le concentrazioni giornaliere del PM10 nei due siti hanno avuto alcuni superi del limite vigente. Lo studio sul PM2.5 e sulla sua composizione sono stati impiegati per sviluppare un modello a recettore che ha permesso di individuare e quantificare le possibili sorgenti del PM2.5, che sono risultate essere il traffico veicolare, le emissioni secondarie, i processi di combustione domestica e l’aerosol marino. Il contributo preponderante (maggiore del 74%) alle emissioni del PM2.5 è dato dalle emissioni secondarie e dai processi di combustione domestica. Altri risultati importanti sono che generalmente gli IPA sono correlati con la sorgente traffico e che le medie delle concentrazioni del PM2.5 nelle due campagne di campionamento nel sito urbano-industriale erano, seppur di poco (28 e 26 µg/m3 rispettivamente) al di sopra del valore obiettivo annuale per il PM2.5 entrato in vigore il 1 gennaio 2010, pari a 25 µg/m3; mentre nel sito costiero le medie per le due campagne di campionamento lambivano questo limite (20 e 24 µg/m3 rispettivamente). L’ultima parte di questa tesi è stata dedicata all’applicazione di tecniche analitiche innovative che impiegano la radiazione di sincrotrone per la caratterizzazione chimica del particolato atmosferico. La spettroscopia XANES è stata impiegata con successo per individuare le diverse forme dello zolfo presenti in campioni di PM10 raccolti nella provincia di Trieste. La spettromicroscopia a raggi X ha permesso di studiare la correlazione spaziale tra vari elementi (S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe e Ba), nei medesimi campioni di PM10 dello studio XANES ed inoltre, le tecniche di analisi delle immagini hanno permesso di calcolare la granulometria di alcuni degli elementi (Fe, Ca e S) precedentemente citati.

Airborne particulate matter (PM) is known to have both short and long term adverse effects on human health; the PM fractions with aerodynamic diameter less or equal to 10 µm (PM10) and less or equal to 2.5 µm (PM2.5) are particularly dangerous since they are able to penetrate deeply into the respiratory system. Airborne particulate matter is a very complex environmental matrix and thus, besides monitoring its concentration in ambient air, also its chemical characterization is important with the aim to identify and quantify chemical elements or compounds potentially dangerous for the human health. In this thesis work, at first we monitored the concentration of PM10 and its content of selected metals (Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb and Ti) in two sites in the Udine province: an urban site and an industrial one. The results of this study lead to conclude that the measurement of PM10 concentration is not a sufficient air quality index and has to be joined with the determination of its metal content, at least of those armful to health, especially in areas close to industrial sites. The other studies presented in this thesis are focused on two sites of the Trieste province: an urban-industrial site and a coastal site. We monitored PM10 and PM2.5 concentrations in two sampling campaigns. We analyzed the metal content of the PM10 samples while in the PM2.5 samples we analyzed polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), organic and elemental carbon and anions. The concentration of metals considered potentially toxic or for which international organizations have set environmental exposure limits (As, Cd, Cr, Mn, Ni, Pb and V) never exceeded these limits, whereas for some sampling days the daily concentrations of PM10 have exceeded the limit in force. We used the study regarding PM2.5 and its composition to develop a receptor model which allowed us to identify and quantify the following possible sources of PM2.5: vehicular traffic, secondary emissions, domestic combustion processes and sea spray. The predominant contribution (more than 74%) to PM2.5 emissions came from secondary emissions and domestic combustion. Further important results are that PAHs are correlated with vehicular traffic source and the average PM2.5 concentrations during the two sampling campaigns in the urban-industrial site were, even slightly (28 and 26 µg/m3 respectively), above the target limit value of 25 µg/m3 for the PM2.5 which came in force on January 1st 2010; in the coastal site the average PM2.5 concentrations were slightly below (20 and 24 µg/m3 respectively) the aforementioned target value. The last part of this thesis was devoted to the study of the application of innovative analytical techniques which employ synchrotron radiation for the chemical characterization of airborne particulate matter. XANES spectroscopy was successfully used to identify the different forms of sulphur in PM10 samples collected in the Trieste province X-Ray Spectromicroscopy was used to study the spatial correlation among several elements (S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe and Ba), in the same PM10 samples of the XANES study, moreover the imaging analysis techniques allowed to calculate the granulometry of some (Fe, Ca and S) of the aforementioned elements.