L’inquinamento: conoscere l’ambiente per salvaguardarlo

1. L’inquinamento: conoscere l’ambiente per salvaguardarlo Inquinamento Atmosferico

2. Programma Modulo • L’atmosfera: classificazione delle zone dell’atmosfera • Studio delle principali sostanze inquinanti • Studio dei principi di funzionamento ed utilizzo della strumentazione per l’analisi dei campioni. Aspetti chimici Effetti sulla salute umana Normativa

3. Nozioni preliminari “Inquinamento indica l’introduzione da parte dell’uomo, direttamente o indirettamente, di sostanze o energia nell’ambiente che comporta effetti nocivi di natura tale da mettere in pericolo la salute dell’uomo, nuocere alle risorse viventi, compromettere le attrattive o ostacolare altri usi legittimi dell’ambiente” (OrganizationforEconomicCo-operation and Development (OECD) Inquinante = sostanza presente in concentrazione maggiore rispetto a quella naturale, come risultato dell’attività umana, che ha un effetto dannoso sull’ambiente o su qualcosa di valore di esso. Sorgente = luogo di origine dell’inquinante. Recettore = ciò su cui l’inquinante ha effetto. Sostanze contaminanti = sostanze che comportano delle deviazioni dalla normale composizione dell’ambiente, senza produrre effetti dannosi.

4. Inquinamento Atmosferico • Nella legislazione italiana la prima definizione di inquinamento atmosferico compare nel DPR 203/88. L’ inquinamento atmosferico viene definito dall’art. 268 del 152/2006 come «ogni modificazione dell’aria atmosferica, dovuta all’introduzione nella stessa di una o più sostanze in quantità e con caratteristiche tali da ledere o da costituire un pericolo per la salute umana o per la qualità dell’ambiente oppure tali da ledere i beni materiali o compromettere gli usi legittimi dell’ambiente.»

5. Inquinamento Atmosferico Gli inquinanti atmosferici vengono classificati in due categorie: • Inquinanti primari = sono gli inquinanti che permangono nell’atmosfera con le stesse caratteristiche chimico – fisiche con le quali vengono emessi. • CO, CO2 • NOx • SO2 • Particolato • Idrocarburi • Inquinanti secondari = sono gli inquinanti che si formano a seguito di trasformazioni o combinazioni di sostanze diverse. • O3 • HNO3 • H2SO4

6. Inquinamento Atmosferico Classificazione degli inquinanti: • Particelle sospese: sono elementi o composti chimici allo stato solido o liquido di piccole dimensioni, che restano in sospensione nell’aria ( ad es. polveri, fumi, esalazioni ecc.); • Gas: sono elementi o composti chimici presenti nell’aria sotto forma di sostanze volatili; • Odori: sono sostanze aeriformi presenti in piccolissime concentrazioni, che vengono subito avvertite perché provocano immediatamente disturbi.

7. Inquinamento Atmosferico • Salute umana • Fauna L’inquinamento atmosferico provoca danni: • Flora • Opere d’arte • Manufatti Natura Concentrazione Modalità di emissione Il grado di nocività dipende:

8. Inquinamento Atmosferico L’inquinamento può essere di due tipi: Tipo acuto: provocato da emissioni per brevi periodi di sostanze inquinanti a elevata concentrazione che determinano danni immediati e gravi soprattutto nei soggetti più deboli Tipo cronico: le concentrazioni delle sostanze inquinanti sono basse, ma vengono emesse per lunghi periodi. Recentemente sono stati però messi in evidenza i rischi derivanti da concentrazioni anche piccole di inquinanti e dalla loro azione sinergica.

9. Inquinamento Atmosferico Le fonti di inquinamento: Molteplici sono le fonti di inquinamento, né tutte sono note ed evidenti, sussistendo sorgenti che solo a lungo andare rivelano la loro tossicità. attività industriali; traffico veicolare e aereo; Processi di combustione per la produzione di calore; Incenerimento dei rifiuti solidi; Attività nucleari; Spargimento di pesticidi e fertilizzanti; Combustione incontrollata dei rifiuti solidi; Eventi naturali: eruzioni vulcaniche, incendi, decomposizioni Le più comuni sono:

10. Inquinamento Atmosferico

11. L’ATMOSFERA Classificazione delle regioni dell’atmosfera

12. Composizione chimica dell’atmosfera Azoto(N2)78% Ossigeno (O2)21% Argon (Ar)1% Altre sostanze quali: Acqua (H2O)0 - 7% Ozono (O3)0 - 0.01% Biossido di carbonio (CO2) 0.01-0.1% Metano (CH4) Protossido di azoto (N2O) Elio (He) Neon (Ne) Kripton (Kr) Xeno (Xe)

13. Struttura • L’atmosfera è suddivisa verticalmente in strati in base alla temperatura: • Troposfera ( 0 – 15 km da terra) • Stratosfera ( arriva ad un’altezza di 50 – 60 km) • Mesosfera (fino a 85 km) • Termosfera (fino a 600 km) • Esosfera (fino a 1000 km)

14. La Troposfera Lo strato più vicino alla crosta terrestre è chiamato ”Troposfera”. Il suo spessore è di circa 10 Km Nella Troposfera avvengono quasi tutti i fenomeni meteorologici. La temperatura è compresa tra 15 °C al livello del mare e -56 °C al suo confine superiore.

15. La Stratosfera • Al di sopra della ”Troposfera” si trova la “Stratosfera”, lo strato che si posiziona tra i 10Km e i 50Km sopra alla crosta terrestre, uno strato chiamato “Tropopausa” li divide. • La stratosfera è lo strato dove si trova l’ozonosfera, che assorbe la maggior parte delle radiazioni solari ultraviolette. • Senza questa azione filtrante, le radiazioni solari produrrebbero danni ai tessuti animali. • Una parte di tali radiazioni raggiunge comunque la crosta terrestre e permette l’attivazione della vitamina D nell’uomo. • Il gradiente termico si inverte e la temperatura aumenta con l’altezza del suolo fino a 0 °C.

16. La Mesosfera • La “Mesosfera” inizia subito dopo la Stratosfera e si estende fino a 85 chilometri di altezza. • La temperature diminuiscono fino a quota 80-90 Km a valori di circa – 90°C (limite inferiore della mesopausa) • Le sostanze chimiche presenti sono in uno stato eccitato a causa dell’energia proveniente dal sole. • Uno strato chiamato “Mesopausa”la separa da quello successivo: la “Termosfera” Stratosfera Mesosfera Media atmosfera

17. Equilibrio radiattivo Nella regione tra tropopausa e mesopausa la temperatura è determinata essenzialmente dal cosiddetto “equilibrio radiattivo” Equilibrio radiattivo l’equilibrio tra l’assorbimento da parte dell’ozono e la perdita di energia per emissione di infrarossi da parte di anidride carbonica (CO2) e ozono (O3)

18. La Termosfera La “Termosfera” o “Ionosfera” inizia alla fine della mesosfera e si estende fino a una altezza di 600 km. In questo strato i gas sono in prevalenza allo stato ionizzato.o. La densità atmosferica è così bassa che sono sufficienti assorbimenti di quantità minime di energia solare da parte di ossigeno (O2) e ozono (O3) che la temperatura torna a crescere e può raggiungere valori superiori a 1500-2000°C. Questo strato viene anche definito come atmosfera alta.

19. La Esosfera La “Esosfera” segue la Termosfera e arriva fino allo spazio aperto. In questa regione l’idrogeno (H2) e l’elio (He) sono i componenti principali e sono presenti a densità molto basse. Esosfera

20. Inquinanti Primari

21. Inquinanti Diffusione degli Inquinanti • La concentrazione degli inquinanti nell’atmosfera dipende da diversi fattori: • Quantità degli inquinanti presenti nelle emissioni; • Numero e concentramento delle sorgenti inquinanti; • Distanza dai punti di emissione; • Trasformazioni chimico-fisiche alle quali sono sottoposte le sostanze emesse; • Eventuale velocità di ricaduta al suolo; • Situazione morfologica delle aree interessate all’inquinamento; • Condizioni meteorologiche locali e su grande scala.

22. CO P.M.: 28.01 Punto di Ebollizione: -191.5oC Punto di Fusione: -205oC • Il monossido di carbonio è un gas incolore, inodore, inerte in condizioni normali e fortemente tossico. Il CO si forma per combustione incompleta di idrocarburi CxHy + (2x+y)/4 O2 xCO + y/2H2O o di sostanze organiche per difetto di aria.

23. CO La concentrazione atmosferica di CO è di circa 0.1 ppm nella troposfera non inquinata; mentre in aree urbane la sua concentrazione può raggiungere 1-10 ppm. Il tempo medio di residenza del CO in atmosfera è di circa 3 – 4 mesi. Il CO viene rimosso dall’atmosfera attraverso reazioni di ossidazione a CO2 o attraverso reazioni fotochimiche coinvolgenti il metano e i radicali idrossilici. Il CO viene rimosso dall’atmosfera anche per assorbimento: • da parte di particolari microorganismi presenti nel suolo, • dalla vegetazione, • dalle acque interne, • dagli oceani.

24. Antropiche Naturali Antropiche CO Origini 0,3 miliardi di ton/anno 3-9 miliardi di ton/anno

25. CO LE FONTI NATURALI • Processidiossidazione del metano e dialtriidrocarburinell’atmosfera • Emissionideglioceani e paludi • Incendidelleforeste • Eruzionivulcaniche • Fotodissociazionedi CO2nell’altaatmosfera (a piùdi 75 km) • Dissociazionedella CO2indottadallescaricheelettriche

26. CO Le fonti antropiche Antropiche Antropiche • Combustionedi carbone, petrolio, cherosene, metano, benzina. • Autoveicoli a benzina • Riscaldamento • Usi domestici • Emissioni di alcune industrie: • raffinerie di petrolio • impianti siderurgici • cartiere • inceneritori • impianti per la produzione di energia

27. CO • Leindustrie che emettono maggiori quantitativi di CO sono quelle siderurgiche e petrolchimiche. Minori sono le emissioni di CO da parte di centrali termoelettriche e impianti di riscaldamento per un miglior controllo della combustione. • Nelle aree urbane gli autoveicoli con motori a combustione interna sono responsabili per oltre il 90 % delle emissioni di CO. Tali emissioni variano a seconda delle caratteristiche del motore, della temperatura dell’acqua di raffreddamento (in quanto influenza l'efficienza del motore), delle condizioni di marcia e della presenza o meno di marmitte catalitiche. • Un rimedio efficace per ridurre l'inquinamento da CO da parte degli autoveicoli a benzina è rappresentato dall'uso delle marmitte catalitiche, grazie alle quali si ha, tra l'altro, un abbattimento di circa l'80% delle emissioni di questo gas. Si passa, infatti, da livelli di emissione di 5.2-9.8 g/km a livelli di 1.2-2.1 g/km.

28. CO • La sua tossicità è dovuta alla formazione con l’emoglobina del sangue di un composto fisiologicamente inattivo, la carbossiemoglobina (COHb), che impedisce l’ossigenazione dei tessuti. • Una volta respirato, il CO si lega all’emoglobina con un’affinità che è circa 220 volte superiore a quella dell’ossigeno e impedisce, in tal modo, l’assorbimento di ossigeno da parte di quest’ultima. La COHb, al contrario dell’ossiemoglobina, non è in grado di garantire l’ossigenazione ai tessuti, in particolare al cervello ed al cuore. • I sintomi progressivi di avvelenamento da CO sono mal di testa, vomito e, nei casi più gravi dovuti ad un’elevata concentrazione di CO, perdita di coscienza e morte per asfissia. • L’effetto del CO risulta maggiore in altitudine per la ridotta percentuale di ossigeno nell’aria.

29. SOx • Con il termine generale di SOx si indicano i due composti SO2 e SO3 • Sono i principali imputati dell’inquinamento atmosferico da ossidi di zolfo. Nome:Biossido di zolfo (SO2) P.M.:  64.06 Punto di ebollizione:  -10.0oC Punto di fusione:  -76.0oC Nome :Triossido di zolfo (SO3) P.M.:  80.064 Punto di ebollizione:  45°C Punto di fusione:  16.9°C (forma g)

30. SOx • Il biossido di zolfo(SO2) è un gas incolore dall’odore acre e pungente, irritante, non infiammabile, molto solubile in acqua. • Il SO2 si forma per combustione dello zolfo presente come impurezza nei combustibili (carbone, olio combustibile, gasolio): • S + O2 SO2 • La concentrazione di fondo di SO2 è stata valutata intorno a 0,2-0.5 mg/m3. Nelle aree urbane si possono raggiungere i 50 mg/m3 e nelle grandi città industrializzate vengono spesso rilevati anche livelli di 300 mg/m3.

31. SOx • Il biossido di zolfopermane in atmosfera per 1 - 4 giorni subendo reazioni di trasformazione che hanno come risultato ultimo la sua ossidazione a triossido di zolfo. • SO2+ 1/2O2SO3 • Il biossido di Zolfo può anche reagire con H2O • SO2 + H2O H2SO3 • La concentrazione di SO3 è generalmente inferiore a quella di SO2 in quanto la reazione di ossidazione è molto lenta ed, inoltre, il SO3 reagisce con l’acqua dando luogo ad acido solforico, principale componente delle piogge acide: • SO3 + H2O H2SO4

32. SOx • Di notte gli ossidi di zolfo vengono assorbiti dalle goccioline di acqua presenti nell’atmosfera dando origine ad un aerosol di sali di solfato d’ammonio [(NH4)2SO4] e calcio (CaSO4) e quindi alla foschia mattutina. • Il destino ultimo degli ossidi di zolfo in atmosfera è la rideposizione al suolo, prevalentemente nella forma di acido solforico o solfati, per via umida o secca o mediante adsorbimento sulla superficie del pulviscolo atmosferico. • Le precipitazioni atmosferiche limitano l’accumulo dei composti dello zolfo nell’aria, minimizzando di conseguenza gli eventuali effetti sanitari, anche se in alcune zone le piogge acide costituiscono un serio problema ambientale.

33. Antropiche Naturali Antropiche SOx Origini 61% 39%

34. SOx Le fontinaturali • Attivitàvulcaniche • Decomposizionedisostanzeorganiche • Decomposizionebattericadeisolfati

35. SOx Le fontiantropiche • • Processidicombustionedicombustibilifossili (carbone, petrolio, gasolio) checontengonozolfo in variepercentuali: • centralitermoelettriche • riscaldamentodomestico • trasporti

36. SOx • Emissioni di alcune industrie: - raffinerie di petrolio - impianti di acido solforico - impianti per la conversione di carbon fossile in coke - fonderie (solfuri dei metalli) - incenerimento dei rifiuti - arrostimento della pirite (FeS2) 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2

37. SOx Nelle città, escludendo le emissioni industriali, la maggiore sorgente di anidride solforosa è il riscaldamento domestico. Pertanto, la concentrazione di questo inquinante nell’aria dipende molto dalla stagione e dalla rigidità del clima. • Negli ultimi anni, in seguito agli interventi adottati per il miglioramento della qualità dei combustibili, l’emissione di biossido di zolfo nelle aree urbane si è notevolmente ridotta: • Riduzione dell’uso del carbone • Uso di oli combustibili a basso tenore di zolfo (BTZ) • Commercializzazione di gasolio più pulito • Metanizzazione di gran parte delle centrali termiche industriali e delle caldaie per uso domestico.

38. SOx Effetti sull’uomo: • Il SO2 è un gas tossico. Per la sua elevata solubilità in acqua viene facilmente assorbito dalle mucose del naso e del tratto superiore dell’apparato respiratorio. Pertanto, solo quantità molto ridotte possono raggiungere gli alveoli polmonari. • Gli effetti sulla salute consistono in irritazioni delle vie respiratorie e oculari a vari livelli. Tuttavia, concentrazioni maggiori di 5 g/m3 producono asfissia tossica con morte per collasso cardiocircolatorio. • E‘ stato comunque notato un effetto sinergico con il particolato per la capacità che ha quest’ultimo di veicolare gli inquinanti nelle zone più profonde dell’apparato respiratorio.

39. SOxEffetti sull’ambiente • Esposizioni prolungate a SO2 a basse concentrazioni provoca l’ingiallimento delle foglie delle piante poiché interferisce con la formazione ed il funzionamento della clorofilla. Si è osservata anche una riduzione nella crescita delle piante. Per brevi esposizioni ad alte concentrazioni, inoltre, si manifesta uno scolorimento ed un rinsecchimento delle foglie con conseguente necrosi delle stesse. • L’azione principale operata ai danni dell’ambiente consiste nell’acidificazione delle precipitazioni metereologiche con la conseguente compromissione dell’equilibrio degli ecosistemi interessati. • Sui metalli, sui materiali da costruzione e sulle vernici si riscontrano gli effetti corrosivi dovuti all’azione dell’acido solforico che trasforma i carbonati insolubili, presenti nei monumenti, in solfati solubili che vengono dilavati per azione della pioggia. CaCO3•MgCO3 + 2SO2 + O2 + 9H2O CaSO4•2H2O + MgSO4•7H2O + 2CO2

40. NOx • Nell’atmosfera possiamo individuare 7 diversi composti dell’azoto, presenti in forma gassosa: •  Azoto molecolare (N2) • Ossido di diazoto (Protossido di azoto) (N2O) • Monossido d’azoto(NO) • Triossido di di azoto (Anidride nitrosa) (N2O3) • Diossido di azoto (NO2) • Tetrossido di diazoto (N2O4) • Pentossido di diazoto (Anidride nitrica) (N2O5)

41. NOx L’ossido di azoto (NO) e il biossido di azoto (NO2) sono le specie presenti in concentrazioni più elevate e sono quelle maggiormente studiate e insieme vengono generalmente indicati come NOX. • L’ossido di azoto, NO, è un gas incolore, insapore, inodore. • Il biossido di azoto, NO2, è un gas tossico, di colore rosso-bruno, dall’odore forte e pungente e con grande potere irritante. Viene considerato un inquinante secondario, dato che deriva, per lo più, dall’ossidazione in atmosfera di NO.

42. NOx • Gli NOx si formano in seguito a processi di combustione in aria ad elevata temperatura (1200 °C). Il NO2 che si forma costituisce meno del 5 % degli NOx totali emessi. N2 + O2 2NO 2NO + O2 2NO2 • La formazione di questi ossidi dipende dalla temperatura e dal tenore di ossigeno della camera di combustione.

43. NOx Origini Antropiche Antropiche Naturali

44. NOx • Su scala globale si stima che le emissioni di ossidi di azoto naturali ed antropogeniche siano dello stesso ordine di grandezza. Le fontinaturali • Decomposizioniorganicheanaerobichecheriduconoinitrati a nitriti •Emissionivulcaniche •Incendidelleforeste •Azionedeifulmini

45. NOx Le fontiantropiche • Processidicombustione (dicarbone, diolicombustibili, di gas naturale, dibenzina) ad elevatatemperatura: - trasporti (in particolareimotori diesel) - centralitermoelettriche - impiantidiriscaldamento • Attività industriali: - produzione di fertilizzanti azotati - produzione di acido nitrico

46. NOx • La concentrazione di fondo del monossido di azoto in atmosfera varia da 0.2 a 10 mg/m3; nell’aria inquinata la sua concentrazione è in genere di 62 - 930 mg/m3. • In atmosfera gli ossidi di azoto subiscono una serie complessa di reazioni che portano alla formazione di acido nitroso e nitrico.

47. Nox- Effetti sull’uomo • L’azione sulla salute dell’uomo di NO è relativamente blanda. In modo simile al CO, NO si lega all’emoglobina impedendo il trasporto di ossigeno. Tuttavia, in un’atmosfera molto inquinata, la concentrazione di NO è più bassa di quella del CO e, quindi, il suo effetto sull’emoglobina è molto basso. • NO2 è molto più tossico di NO. E’ un gas irritante per le mucose e può contribuire all’insorgere di varie alterazioni delle funzioni polmonari, bronchiti croniche, asma ed enfisema polmonare. • Lunghe esposizioni anche a basse concentrazioni provocano una drastica riduzione delle difese polmonari con conseguente aumento di rischio di affezioni alle vie respiratorie.

48. NOx • Nella vegetazione gli ossidi di azoto diminuiscono la velocità di fotosintesi e causano la formazione di necrosi fogliari. • I maggiori effetti sull’ambiente degli ossidi di azoto sono dovuti all’acidificazione delle piogge che provocano danni alla vegetazione e accumulo di nitrati nel suolo e nelle acque, alla formazione di smog fotochimico, costituendo dei precursori per la formazione di ozono troposferico. Altri effetti sono la diminuzione dello strato di ozono stratosferico e della visibilità. • NOx e i loro derivati danneggiano anche edifici e monumenti, provocando un invecchiamento accelerato e, in molti casi, irreversibile.

49. IPA • Gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) sono composti organici la cui struttura è caratterizzata dalla fusione di due o più anelli aromatici • Sono prodotti durante la combustione incompleta di materiale organico • Sono inquinanti ambientali sempre presenti in miscela nell’atmosfera dove si trovano per lo più adsorbiti sul particolato • Fluorantene • Pirene • Benzopirene • Benzoantracene • Benzofluorantene Pirene Benzo (a)Pirene

50. IPA Origini Antropiche Antropiche Naturali