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“BIOprocess ControL through Online titrimetry to reduce Carbon footprint in wastewater treatment”
CONFERENZA FINALE
Prato, 23 febbraio 2017
Camera di Commercio Prato
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La storia analitica in
campo ambientale: il caso
di GIDA
IDRO-CONSULT
Lab. Riuniti srl
Dott. Arthur Alexanian
Collaborazione:Dott. Andrea BaldazziDott. Daniele Frosini
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Il ruolo della Chimica Analitica nel Controllo Ambientale
AZIONE
POLITICA SOCIALE ECONOMICA
CONTROLLO AMBIENTALE
CHIMICA ANALITICA
INFORMAZIONE
i
CHIMICA ANALITICA
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Il ruolo della Chimica Analitica nel Controllo Ambientale
AZIONE
POLITICA SOCIALE ECONOMICA
Va intesa come un insieme di azioni mirate a garantire un quadro aggiornato dello stato di qualità ambientale e la sua evoluzione
A che cosa serve :
E’ finalizzata a stabilire una base conoscitiva che possa servire a definire, man
mano nel tempo, le politiche ambientali e di riflesso una corretta informazione al
pubblico.
La parte sociale è intesa come accettabilità da parte degli operatori e l’economiacome sostenibilità
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Il ruolo della Chimica Analitica nel Controllo Ambientale
CONTROLLO AMBIENTALE
La sua funzione è altresì quella di applicare una strategia mirata all’applicazione
di procedure armonizzate di campionamento e di misura, tali da poter essere
confrontabili a livello nazionale e internazionale. Si inserisce in un processo di
adeguamento tecnico-scientifico prevedendo le possibili applicazioni di tecniche
strumentali avanzate.
Una commissione con la partecipazione di molte istituzioni e gruppi di lavorohanno il compito di revisione e aggiornamento delle procedure dicampionamento e metodiche analitiche
Il controllo ambientale è effettuato dalla istituzione di controllo presente sul
territorio (ARPAT)
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Il ruolo della Chimica Analitica nel Controllo Ambientale
CHIMICA ANALITICA
INFORMAZIONE
i
CHIMICA ANALITICA
Con la voce informazione viene chiamata la struttura, in questo caso la GIDA,
dalla cui attività, le matrici ambientali, sia all’interno del proprio processo
(gestione del processo) che di riflesso sull’ambiente circostante (impatto)
vengono influenzate.
Il processo, in questo caso la DEPURAZIONE DELLE ACQUE, è sensibile alla
evoluzione tecnologica e direttamente si ricollega a specifici parametri
chimico-fisici .
Possiamo asserire che tutti e due, nella loro evoluzione, sono associati, tipo i
siamesi e tutti e due rispondono alle voci sopra elencate (politica, economia,
sociale)
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Il ruolo della Chimica Analitica nel Controllo Ambientale
In questa voce, il laboratorio incaricato dalla struttura (GIDA), si inserisce come
struttura apparentemente speculare ad ARPAT, avendo chiaro le funzioni di
natura operativa e di rigore analitico consone alla evoluzione tecnico-
scientifica.
Il confronto con l’Ente di controllo diventa una procedura sistemica.
Quel che segue è uno squarcio evolutivo, per alcuni parametri analitici, tesi a
dare sostanza e rappresentatività a quel concetto di evoluzione che porta
dinamicamente a valori di sensibilità analitica sempre più rigorosi e intervalli di
incertezza più ristretti di misura
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Scopo di una misura: fornire un valore di CONCENTRAZIONE(numero di atomi in un certo volume)
Parametri fondamentali:
•PRECISIONE: accordo di più misure ripetute sullo stesso campione
•SENSIBILITA’: capacità di discriminare tra piccole concentrazioni di analita
•ACCURATEZZA: attendibilità del risultato, quanto più vicino possibile al valore vero
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Ogni dato è sempre affetto da un certo ERRORE, anche se l’analisi è condotta con la massima cura
Valore = X ± s
INCERTEZZA
Valutata ripetendo molte volte la medesima analisi
Concetto rappresentabile con una curva normale degli errori
(gaussiana) in cui x rappresenta il valore vero. L’ascissa è la deviazione dalla media.
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ROSSO, VERDE e BLU dichiarano lo stesso valore, ma ROSSO avrà un’incertezza minore di tutti
VIOLA ha un’incertezza minore di VERDE e BLU, ma dichiara un valore distante da quello vero
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Laboratori che sottostimano l’incertezza dei loro risultati rischianopiù controversie nell’interpretazione dei dati forniti!
Laboratori che sovrastimano l’incertezza dei loro risultatitenderanno ad eseguire più lavoro del necessario per assicurare unaadeguata accuratezza ai dati da loro forniti
Il livello di rigore necessario in una stima dell’incertezza di misura dipende da fattori come:
• requisiti dei metodi di prova• requisiti del cliente• esistenza di limiti stretti su cui sono basate le decisioni della conformità (limiti di legge)
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Fine ultimo di ogni laboratorio (o metodo analitico):
ottenere INCERTEZZE sempre più PICCOLE sul valore dato e determinare valori sempre più BASSI, in ottemperanza alle direttive
normative
Evoluzione nei metodi e nella strumentazione
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Pentola di pasta che trabocca sul fornello: fiammata GIALLA
SODIO!
(emissione a λ = 589 nm)
Esempio di emissione atomica con
sorgente di fiamma
Principio:
La quantità di energia radiante è proporzionale al
numero di atomi che la emettono, quindi alla
concentrazione del campione
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Schema a blocchi di un sistema F-AES
Serve a selezionare la lunghezza d’onda
dell’elemento da determinareQui il campione viene
atomizzato
Misura la radiazione
emessa
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Bruciatore
Campione
VANTAGGI:
• Poco costoso• Semplicità di utilizzo• Molto riproducibile
SVANTAGGI:
• Poco sensibile verso i metalli pesanti
• Elevato consumo del campione
• Difficile determinare più elementi contemporaneamente
• Presenza (possibile) di interferenze
TEMPERATURA FIAMMA:
Aria/metano: 1700°CAria/acetilene: 2400°C
Ossigeno/acetilene: 3000°C
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Anni ’70: ATOMIZZATORI TERMOELETTRICI
FORNETTO DI GRAFITE (GF-AAS)Spettrometria di assorbimento atomico
Miglioramento della SENSIBILITA’ analitica che
mancava alla fiamma (atomizzazione del campione in brevissimo tempo, permanenza
del campione atomizzato all’interno del cammino ottico
della radiazione per molto tempo rispetto alla fiamma, circa 1 sec)
Miglioramento del detection limit e del limite di quantificazione
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DETECTION LIMIT (d.l.)
FORNETTO DI GRAFITE (GF-EAS)FIAMMA
PPM (mg/l)
Parte Per Milione, si può discriminare un milligrammo di sostanza in una massa di
un chilogrammo
PPB (µg/l), talvolta PPT (pg/l)
Parte per miliardo, si può discriminare un millesimo di milligrammo di
sostanza (microgrammo) in una massa di un chilogrammo
1000 volte migliore!
Necessario, nel momento in cui i limiti normativi si fanno sempre più stretti
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Cosa cambia rispetto alla fiamma?
• FORNETTO: consuma poco campione (100/1000 volte meno)Fiamma 10 ml, Fornetto < 100 µl• FORNETTO: ELEVATA SENSIBILITA’• FORNETTO: sicurezza nel funzionamento (no fiamme, no gas esplosivi, no prodotti dicombustione tossici• FORNETTO: possibile analisi diretta di campioni solidi (“slurry” analysis)• FORNETTO: minori interferenze
SVANTAGGI:
• Apparecchiatura più costosa, più difficile da usare, più lenta• Scarsa precisione rispetto alla fiamma (a causa di una misura di assorbanza transiente,
più soggetta a variabilità intrinseca)• Minori elementi determinabili (48) rispetto alla fiamma (67)
• Come la fiamma, per determinare elementi diversi bisogna cambiare le condizioni operative
Precisione fiamma: 1-2%Precisione fornetto: >10%
(intesa come incertezza su ripetizioni delle stesso campione)
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La stessa che si trova all’interno del PLASMA che viene utilizzato per l’analisi di metalli nella spettrometria di emissione
atomica con sorgente al plasma (ICP: Inductively coupled Plasma, Plasma
accoppiato induttivamente)
Temperatura superficie del Sole: circa 6000 K
Plasma ≠ fiamma Miscela gassosa conduttrice di elettricità avente, al suo interno, elevate quantità di elettroni e di ioni positivi (non c’è niente che
brucia ma il calore, elevatissimo, deriva dal movimento di particelle cariche)
Gli atomi del mio campione emettono un’ENERGIA radiante analoga a quella vista nella fiamma, ma in misura MOLTO MAGGIORE
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Plasma in uscita dalla torcia in quarzo
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1° vantaggio: limiti di rivelabilità intorno al ppb (µg/l)
2° vantaggio: Limitazione delle interferenze
3° vantaggio: determinabili elementi altrimenti non analizzabili con fiamma o fornetto (resistenti alla decomposizione con il calore)
come il B, P (fosforo), W, U, Zr, Nb
4° vantaggio: determinabili elementi NON METALLICI (Cl, Br, I, S)
L’allestimento più semplice per la spettroscopia con sorgente al plasma è l’ICP AES (Emissione atomica), detto “ICP OTTICO” perché le linee di emissione dei singoli elementi vengono “lette” da una camera CCD (Charge Coupled Device, una griglia
di semiconduttori)
Perché l’ICP?
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Perché l’ICP?
5° vantaggio: possibile acquisire contemporaneamente le concentrazioni di molti elementi (quasi tutta la TAVOLA PERIODICA)
6° vantaggio: Estrema precisione perché le condizioni di atomizzazione sono molto riproducibili e stabili (circa 1%)
7° vantaggio: GRANDE RANGE LINEARE, è cioè possibile fare misure in un vasto intervallo di concentrazioni senza dover cambiare le
condizioni operative
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Un miglioramento ulteriore nelle prestazioni rispetto a un ICP
Ottico si ha con un ICP-MASSA
Atomi carichi elettricamente Analizzatore di massa (quadrupolo)
(nell’ICP ottico si sfrutta la radiazione elettromagnetica invece)
VANTAGGI:
• Spettri semplici• Rivelatori molto sensibili
Limiti di rivelabilità molto bassi (sotto ppb) e buone
riproducibiltà
SVANTAGGI:
• Costoso• Apparecchiatura complicata
da gestire
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FIAMMA:
• Alti limiti di rivelabilità• Buona riproducibilità
• Poco costosa• Pochi elementi determinabili
(1 alla volta)ppm – 5%
FORNETTO:
• Bassi limiti di rivelabilità• Riproducibilità difficoltosa
• Relativamente poco costoso• Pochi elementi determinabili
(1 alla volta)ppb – 10%
ICP OTTICO:
• Bassi limiti di rivelabilità• Buona riproducibilità
• Costosa• Multi-elemento
(contemporaneamente)• Vasto range di concentrazioni
ppb – 1-5%
ICP MASSA:
• Bassissimi limiti di rivelabilità• Buona riproducibilità
• Molto costoso• Multi-elemento
(contemporaneamente)• Vasto range di concentrazioni
<ppb – 1-5%
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L’altro grande filone analitico è quello degli IDROCARBURI, i composti organici costituiti da atomi di C ed H (con poche
eccezioni)
• Gassosi (basso bollenti): metano, etano, propano, butano
• Liquidi: presenti per esempio nel petrolio, come benzene, esano, ottano
• Solidi o viscosi (alto bollenti): composti bituminosi, cere, asfalti, paraffine
Si possono distinguere in:
• Idrocarburi alifatici: dal greco aleifar (unguento), caratterizzati da atomi di C legati tra loro in catene aperte
• Idrocarburi aromatici: identificati un tempo per il loro intenso odore (aroma), hanno degli anelli benzenici e sono molto stabili
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Benzene, capostipite
degli AROMATICIIdrocarburi LINEARI
Idrocarburi
LINEARI
Idrocarburi
RAMIFICATI
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Possono avere origine petrolifera oppure biogenica, animale evegetale, con pesi molecolari, caratteristiche chimiche e fisichediverse. Nelle matrici ambientali si trovano, in genere, in rapportidifferenti tra loro a secondo dell’origine del campione
Vengono determinate le FAMIGLIE, non i singoli idrocarburi, inparticolare la classe C5-C8, la C10-C40 e gli AROMATICI, aventi limitidi legge diversi per la differente tossicità e per l’utilizzo (o il destino)della matrice in analisi
Per esempio, il D.lgs 152/2006 (Parte III, Allegato 5, Tabella 3) indica i limiti di emissione degli scarichi in acque superficiali e in fognatura.
Lo stesso D.lgs indica i limiti di concentrazione di idrocarburi in una matrice “suolo/sedimento” oppure “rifiuto”
Idrocarburi
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Evoluzione metodologica per la determinazione degli idrocarburi
1° metodo (APAT-IRSA 5160 B)
• Utilizzo di freon (composti idrocarburici clorurati, CFC) per l’estrazione
• Purificazione con Florisil
• Analisi IR (spettrometria InfraRossa)
CRITICITA’
• Freon: dannosi per l’ambiente (distruggono l’ozono) e tossici
• L’analisi IR non permette di riconoscere che tipo di idrocarburi sono presenti (analisi solo QUANTITATIVA, non QUALITATIVA)
• Analisi che richiedono un operatore interamente dedicato
Spettrometro Infrarosso
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2° metodo (GC-FID: Gas Cromatografia con rivelatore FID)
Campione
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• Analisi sia QUANTITATIVA che QUALITATIVA, si possono determinare le varie frazioni alifatiche per trarre importanti
conclusioni
• Possibilità di automatizzare l’analisi (previa l’estrazione)
Singoli idrocarburi basso bollenti Miscela di idrocarburi alto bollenti (olii)
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E’ il caso, per esempio, di alcuni protocolli per la valutazione del rischio sito specifica
In caso di necessità di vedere con specificità cosa abbiamo, si effettuano dei confronti con degli standard.
C 9 – C 12 C 19 – C 36C 12 – C 18
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GC-MS: Gas Cromatografia con rivelatore di massa
Possibile determinare un composto in base alla sua
massa specifica
Possibilità di effettuare RICERCHE nei database per
l’identificazione di una sostanza incognita
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• Determinazione degli Idrocarburi POLICICLICI AROMATICI, cancerogeni o presunti cancerogeni nell’uomo
• Determinazione di PESTICIDI e FITOFARMACI
• Determinazione PCB e DIOSSINE, inquinanti persistenti e molto tossici
Alcuni IPA
Esempio di PCB Diossina
Pesticida