Libellula
LA MISURA DELL’ESPOSIZIONE ALLE POLVERI AERODISPERSE: DAL PM10 ALLE NANOPARTICELLE GIORGIO BUONANNO FERNANDA CARMEN FUOCO LUCA STABILE AGOSTINO VIOLA
Prefazione Lo studio delle polveri aerodisperse come disciplina scientifica si fa comunemente risalire all’attività condotta da John Aitken (1839-1919), a cui si devono i primi studi sulla formazione di particelle in atmosfera alla fine del secolo XIX. Da allora l’attività scientifica in questo settore è notevolmente cresciuta, anche perché le polveri aerodisperse risultano avere un’influenza sulla visibilità, effetti climatici, qualità della vita e salute delle persone. La scienza dell’aerosol gioca un ruolo chiave in diversi settori: i) scienze dell’atmosfera e delle inquinamento ambientale; ii) nanotecnologie; iii) fabbricazione di fibre ottiche; iv) igiene industriale e v) controllo della contaminazione in industrie farmaceutiche e di microelettronica. L’aerosol presente in queste applicazioni può essere considerato come desiderabile o indesiderabile, ma gli stessi concetti si applicano ad entrambi i casi. Specialisti nei diversi settori applicativi fanno uso sempre più frequentemente di concetti teorici e tecniche sperimentali simili nel risolvere problematiche connesse all’aerosol. Questi approcci comuni rappresentano lo scopo principale di questo libro. La misura dell’aerosol è stata praticata per diversi decenni. Fino alla fine degli anni ’80, lo sviluppo di nuove tecniche di misura è stato motivato principalmente dal bisogno di valutare in modo più accurato l’inquinamento da polveri. Durante gli ultimi anni, anche l’industria ha incrementato il proprio interesse nei metodi moderni di caratterizzazione dell’aerosol, non solo per proteggere la salute dei lavoratori, come richiesto anche dalle normative vigenti, ma anche per guadagnare un vantaggio competitivo. Un parte importante del testo è dedicata al trasporto delle particelle all’interno dell’apparato respiratorio. Questo aspetto rappresenta un argomento importante, dal momento che l’abilità di prevedere la dose locale depositata nei vari tratti dell’apparto respiratorio gioca un ruolo fondamentale non solo con riferimento ai rischi legati all’inalazione di particelle tossiche, ma anche nel caso della valutazione dell’efficacia di aerosol terapeutici. Il presente libro rappresenta un testo di base per studiosi che devono, nella pratica delle loro professioni, misurare, valutare o controllare le polveri aerodisperse. Esso è scritto ad un livello comprensibile per professionisti, laureati e studenti con conoscenze di base di chimica e fisica nonché di calcolo matematico. La stesura del testo nasce dalle lezioni tenute a studenti di Ingegneria Meccanica e dell’Ambiente e del Territorio dell’Università degli Studi di Cassino. Molti ricercatori e scienziati hanno contribuito in modo indiretto a questo libro. Gli autori ritengono doveroso ringraziare il prof. M. Zachariah (University of Maryland, US) e la prof.ssa Lidia Morawska (Queensland University of Technology, Brisbane, Australia) che con le loro discussioni hanno reso possibile la crescita del gruppo di Fisica Tecnica dell’Università di Cassino nella caratterizzazione delle polveri aerodisperse. GIORGIO BUONANNO FERNANDA CARMEN FUOCO LUCA STABILE AGOSTINO VIOLA Cassino, Marzo 2011
2
Indice
Indice Simbologia
8
Glossario
10
Sommario
14
Capitolo 1
Introduzione
16
1.1
La classificazione dimensionale delle particelle
16
1.2
Le distribuzioni dimensionali delle particelle
17
1.3
La dinamica dell’aerosol
21
1.4
Gli effetti sulla salute: la qualità dell’aria
22
1.5
Gli effetti sulla salute: la deposizione nell’apparato respiratorio
24
1.6
Gli effetti sull’ambiente e sul clima
26
1.7
La misura delle particelle
26
Capitolo 2 2.1
Statistica dell’aerosol
Funzione di distribuzione di probabilità dimensionale
2.2 Momenti della funzione di distribuzione 2.2.1 Diametro medio di una distribuzione 2.2.2 La distribuzione log-normale
Capitolo 3
Equazione generale della dinamica dell’aerosol
3.1 Variazione della funzione di distribuzione dell’aerosol: fenomeni di influenza 3.1.1 Variazione della concentrazione: il trasporto delle particelle 3.1.2 Variazione della concentrazione: la formazione/distruzione delle particelle
Capitolo 4 4.1
Proprietà dei gas: la teoria cinetica classica
La teoria cinetica dei gas
4.2 Parametri caratteristici del moto delle molecole 4.2.1 Il mean free path 4.2.2 La viscosità 4.2.3 Il coefficiente di diffusione 4.2.4 Il numero di Reynolds
Capitolo 5
Dinamica delle particelle
30 30 31 32 35
38 38 39 41
44 44 47 47 48 49 50
53
5.1
Modellazione del moto delle particelle: continuum vs. molecule regime
53
5.2
La forza di resistenza al moto
53
5.3
Le forze gravitazionali
58
5.4
Le forze di campo elettrico
62
5.5
Diametri equivalenti delle particelle
63 3
5.6 I moti Browniani: la diffusione 5.6.1 Adesione delle particelle 5.6.2 Deposizione per diffusione 5.6.3 Perdite diffusive nei condotti
65 69 70 72
5.7
Termoforesi
73
5.8
La deposizione delle particelle
74
Capitolo 6
Principi di Termodinamica dell’aerosol
6.1
Potenziale chimico ed energia libera di Gibbs
78
6.2
Condizioni per l’equilibrio chimico
80
6.3
Potenziale chimico di gas ideali e miscele dei gas ideali
82
6.4
Potenziale chimico di soluzioni
84
6.5
La costante di equilibrio
87
6.6
Contenuto di acqua nell’aerosol: deliquescenza e igroscopicità
88
6.7 La pressione di vapore 6.7.1 Pressione interna ad una particella: l’effetto della tensione superficiale 6.7.2 Effetto Kelvin 6.7.3 Effetto dei soluti 6.7.4 Effetto ioni
Capitolo 7
Nucleazione
91 92 92 95 98
101
7.1 La nucleazione monomolecolare 7.1.1 La teoria cinetica della nucleazione omogenea 7.1.1.1 Il rateo di collisione monomeri-cluster 7.1.1.2 Il rateo di evaporazione dei monomeri dal cluster
101 101 103 105
7.2
La nucleazione eteromolecolare
109
7.3 La nucleazione eterogenea 7.3.1 Nucleazione su superfici insolubili 7.3.2 Nucleazione indotta da ioni
113 113 116
Capitolo 8
Crescita delle particelle
8.1 La condensazione 8.1.1 Free molecule regime (Kn >> 1) 8.1.2 Continuum regime (Kn << 1) 8.1.3 Transition regime 8.2
Gas-to-particle conversion: nucleazione e condensazione contemporanea
8.3 Coagulazione 8.3.1 Equazione della coagulazione per distribuzione discreta e continua 8.3.2 Modelli di collisione: la coagulazione Browniana 8.3.2.1 Coagulazione Browniana: dinamica dell’aerosol inizialmente monodisperso 8.3.3 Soluzione di similarità per la coagulazione
Capitolo 9
4
78
Apparato respiratorio
119 119 121 122 125 127 130 131 133 135 138
144
9.1
Introduzione: funzione dell’apparato respiratorio
144
9.2
La regione extratoracica
145
Indice
9.3
La regione tracheobronchiale
145
9.4
La regione alveolare
146
9.5
Modello di Weibel dell’albero tracheobronchiale
147
Capitolo 10
Flusso d’aria nel sistema respiratorio
151
10.1 Meccanica della respirazione: inspirazione ed espirazione
151
10.2 Caratteristiche aerodinamiche locali 10.2.1 Flusso nella regione extratoracica 10.2.2 Flusso nella regione tracheobronchiale 10.2.3 Flusso nella regione alveolare
153 155 155 156
Capitolo 11
Dispersione e deposizione dell’aerosol
161
11.1 Concetti generali della dispersione dell’aerosol
161
11.2 Dispersione dell’aerosol nelle vie respiratorie polmonari
163
11.3 Concetti generali nella deposizione respiratoria 11.3.1 Deposizione totale e regionale 11.3.2 Deposizione locale
165 166 166
11.4 Studi sperimentali sulla deposizione totale e regionale 11.4.1 Metodi sperimentali 11.4.2 Deposizione nella regione extratoracica 11.4.3 Deposizione nella regione tracheobronchiale 11.4.4 Deposizione nella regione alveolare 11.4.5 Sommario della deposizione regionale 11.4.6 Deposizione totale
167 167 168 169 171 171 172
Capitolo 12
Modelli di deposizione
176
12.1 Modelli di deposizione 12.1.1 Modello continuo 12.1.2 Modello in serie
176 176 177
12.2 Modello di deposizione: ICRP 12.2.1 Morfologia del tratto respiratorio 12.2.2 Capacità di inalazione 12.2.3 Deposizione nella regione extratoracica 12.2.4 Deposizione nella regione toracica 12.2.5 Deposizione di particelle igroscopiche 12.2.6 Equazioni empiriche di deposizione regionale
179 179 179 180 181 181 182
12.3 Modello di deposizione: NCRP 12.3.1 Deposizione nella regione extratoracica 12.3.2 Deposizione nella regione toracica
182 183 184
12.4 Modelli di deposizione: ICRP e NCRP
185
Capitolo 13
Inalazione e rimozione delle particelle
13.1 Capacità di inalazione delle particelle di aerosol 13.1.1 Capacità d’inalazione mediante la bocca
188 188 189
5
13.2 Rimozione delle particelle depositate 13.2.1 Rimozione nella regione extratoracica 13.2.2 Rimozione nella regione tracheobronchiale 13.2.3 Rimozione nella regione alveolare
191 192 193 193
13.3 Accumulo delle particelle nelle regioni respiratorie
194
13.4 Valutazione dei rischi alla salute
195
Capitolo 14
199
14.1 La classificazione delle particelle ultrafini 14.1.1 La carica elettrica dell’aerosol 14.1.1.1 La distribuzione di carica di equilibrio
200 201 202
14.2 L’analizzatore di mobilità differenziale (Differential Mobility Analyzer, DMA)
203
14.3 Conteggio delle particelle: il Condensation Particle Counter (CPC) 14.3.1 Lo spettrometro Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)
210 214
14.4 Misura della distribuzione delle particelle > 1 ȝm: lo spettrometro Aerodynamic Particle Sizer (APS)
215
14.5 La tecnica gravimetrica per la misura del particolato atmosferico 14.5.1 Il principio di misura del metodo gravimetrico 14.5.2 La norma tecnica UNI EN 12341:2001 14.5.3 La norma tecnica UNI EN 14907:2005 14.5.4 La norma tecnica UNI EN 13284-1:2003 14.5.5 Incertezza di misura nella tecnica gravimetrica
222 222 227 229 230 236
Capitolo 15
6
Misura delle distribuzioni e delle concentrazioni totali di aerosol
Casi di studio
245
15.1 Modello per la stima dell’incertezza di un sistema in parallelo spettrometro SMPS-APS nella misura di PM1, PM2.5 e PM10 15.1.1 Descrizione dell’apparato sperimentale e del sito di campionamento 15.1.1.1 Scanning Mobility Particle Sizer 15.1.1.2 Aerodynamic Particle Sizer 15.1.1.3 La misura gravimetrica 15.1.1.4 Sito di campionamento 15.1.2 Stima dell’incertezza nella misura della concentrazione di PM 15.1.2.1 L’incertezza di misura del PM mediante SMPS 15.1.2.2 L’incertezza di misura del PM mediante APS 15.1.3 Risultati e discussione
245 246 246 247 248 248 249 249 250 252
15.2 Evoluzione spaziale della distribuzione dimensionale e della concentrazione totale di particelle in prossimità dell’Autostrada del Sole (A1) 15.2.1 Descrizione del sito e della metodologia di misura 15.2.2 Risultati e discussione
257 258 260
15.3 Distribuzione dimensionale e concentrazioni totali di particelle in emissione dall’inceneritore Tecnoborgo di Piacenza 15.3.1 L’inceneritore di Tecnoborgo (Piacenza) 15.3.2 Apparato sperimentale 15.3.3 Risultati e discussione
263 263 265 265
15.4 Distribuzione dimensionale e concentrazione totale di particelle in emissione dall’inceneritore di CDR di San Vittore del Lazio (FR) 15.4.1 Analisi sperimentale
270 270
Indice
15.4.1.1 Descrizione del sito 15.4.1.2 Descrizione della strumentazione 15.4.1.3 Descrizione della metodologia 15.4.2 Risultati e discussione
270 271 272 274
15.5 Distribuzione dimensionale e concentrazioni totali di particelle nell’area circostante l’inceneritore di CDR di San Vittore del Lazio (FR): valutazione dell’esposizione della popolazione e confronto tra una sorgente puntuale (inceneritore) ed una lineare (autostrada) 15.5.1 Descrizione del sito, della strumentazione e della metodologia di misura 15.5.2 Risultati e discussione
277 278 279
15.6 Parametri d’influenza sull’esposizione dei pedoni in microambienti urbani 15.6.1 Metodologia sperimentale 15.6.1.1 Descrizione del sito 15.6.1.2 Strumentazione 15.6.1.3 Descrizione della metodologia 15.6.2 Risultati e discussioni 15.6.2.1 Effetto canyon 15.6.2.2 Effetto direzione del vento 15.6.2.3 Effetto velocità del vento 15.6.2.4 Effetto traffico 15.6.2.5 Effetto di prossimità 15.6.2.6 Distribuzione dimensionale in numero
287 289 289 290 291 291 293 295 296 297 298 300
15.7 Fattore di emissione di polveri nei processi di cottura indoor 15.7.1 Analisi sperimentale: descrizione del sito di campionamento, della strumentazione e della metodologia utilizzata 15.7.2 Risultati e discussione 15.7.2.1 Analisi della volatilità nei processi di cottura
301
15.8 Esposizione della popolazione alle concentrazioni di particelle in termini di numero, area superficiale e massa in pizzeria 15.8.1 Descrizione del sito di campionamento, della strumentazione e della metodologia 15.8.2 Risultati e discussione 15.9 Esposizione alle polveri dei fumi di saldatura nei reparti di lastratura di impianti automobilistici 15.9.1 Analisi sperimentale 15.9.1.1 Descrizione dei siti di campionamento 15.9.1.2 Strumentazione 15.9.1.3 Descrizione della metodologia 15.9.2 Risultati sperimentali 15.9.2.1 Esposizione ai fumi di saldatura nel reparto P1 15.9.2.2 Confronto dei livelli di esposizione dei reparti di lastratura analizzati 15.9.2.3 Distribuzione dimensionale delle polveri in prossimità di diversi processi di saldatura 15.9.2.4 Fattori di emissione di saldature negli impianti automobilistici
302 304 312 313 314 317 321 324 324 325 326 327 327 329 330 331
7
Simbologia
Indice dei principali simboli Cc CD D Dn DRH dae dd dme dp dt dve E FE Fs Fth g I0 k K Kn lt N Na q R Re RH rt Stk sp Zp
fattore correttivo coefficiente di resistenza al moto coefficiente diffusivo numero di Dean umidità relativa di deliquescenza diametro aerodinamico diametro di diffusione equivalente diametro di mobilità elettrica diametro della particella diametro del condotto diametro volumetrico equivalente intensità del campo elettrico forze di adesione elettrostatica forza di adesione forza termoforetica accelerazione gravitazionale frazione inalabile costante di Boltzmann costante di equilibrio di una reazione chimica numero di Knudsen lunghezza del condotto respiratorio concentrazione totale in numero delle particelle numero di Avogadro carica netta elementare costante universale dei gas; numero di Reynolds umidità relativa raggio del condotto numero di Stokes distanza di arresto delle particelle mobilità elettrica della particella
Indice dei principali simboli greci ȕ İ İ0 Ș Ȝ
8
frequenza di collisione costante dielettrica costante dielettrica del vuoto viscosità dinamica cammino libero medio