Monitoraggio continuo della qualità dell'aria per polveri sottili e aerosol nocivi

L’inquinamento atmosferico è definito dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) come «la contaminazione dell’ambiente interno o esterno da parte di qualsiasi agente chimico, fisico o biologico che modifichi le caratteristiche naturali dell’atmosfera» [1]. Il monitoraggio dell’inquinamento atmosferico industriale è essenziale poiché respirare aria altamente inquinata porta a problemi respiratori, malattie cardiache, cancro e altri gravi problemi di salute. Può anche causare piogge acide, danneggiare i raccolti, ridurre la crescita e la produttività delle piante e danneggiare la fauna selvatica. Poiché il 99% della popolazione mondiale respira aria che supera i limiti delle linee guida di qualità dell’OMS [1,2], questo è un problema diffuso. Tra i vari inquinanti atmosferici, il particolato e gli aerosol destano particolare preoccupazione. Questo articolo del blog discute questi fattori che contribuiscono all’inquinamento atmosferico e mette in evidenza due strumenti per il monitoraggio continuo della qualità dell’aria ambiente.

Qual è la differenza tra particolato e aerosol?

Figure 1. Confronto delle dimensioni del particolato. Adattato dall'EPA statunitense [3].

Il particolato (PM) è generalmente definito come piccole particelle solide sospese in un gas, mentre gli aerosol sono goccioline liquide più fini o particelle solide che rimangono sospese nei gas per periodi di tempo significativi. Entrambi possono avere effetti negativi sulla salute umana, soprattutto quando il loro diametro è inferiore a 2,5 µm (PM_2.5, Figura 1).

Gli aerosol e il particolato possono provenire da fonti naturali come le eruzioni vulcaniche, ma anche da attività antropiche come operazioni industriali e trasporti. Pertanto, il monitoraggio della qualità dell’aria industriale svolge un ruolo fondamentale nell’identificazione delle fonti di emissione, nella comprensione della composizione chimica e nello sviluppo di strategie per ridurre l’esposizione.

Come viene eseguita l'analisi del PM e degli aerosol?

Tradizionalmente, l'analisi del PM e degli aerosol consiste in due fasi: raccolta e analisi del campione. Per raccogliere campioni rappresentativi, è importante utilizzare apparecchiature e tecniche di campionamento adeguate.

La raccolta dei campioni utilizza comunemente un processo di filtrazione. Le particelle vengono raccolte su substrati con filtri che vengono rimossi dopo un certo periodo di tempo per l'estrazione con acqua deionizzata per la successiva analisi [4]. Tuttavia, questo metodo è in grado di determinare solo le medie su periodi di tempo di 24 ore o più. Inoltre il metodo è macchinoso e impreciso. Ciò rende impossibili misurazioni continue online.

Il campionamento continuo della composizione dell’aerosol è fondamentale per comprendere e affrontare le sfide legate alla qualità dell’aria. I dati in tempo reale forniscono preziose informazioni sui rapidi cambiamenti nella composizione dell’aerosol, consentendo risposte più rapide agli eventi di inquinamento e supportano indagini scientifiche più accurate sui processi atmosferici.

Per superare i limiti dei metodi di campionamento tradizionali, sono necessarie tecnologie avanzate per l'analisi continua dell'aerosol. I dispositivi di raccolta del vapore, come il Metrohm AeRosol Sampler (MARS) e il 2060 Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air (MARGA) (Figura 2), offrono un monitoraggio continuo e in tempo reale della composizione dell'aerosol. Questi strumenti utilizzano tecniche avanzate per raccogliere e analizzare gli aerosol, fornendo dati preziosi per la valutazione e la ricerca sulla qualità dell'aria.

Figure 2. La preparazione in linea dei campioni gassosi è resa più semplice utilizzando i sistemi 2060 MARGA (a sinistra) o MARS (a destra) di Metrohm Process Analytics.

Figure 3. MARS consente l'analisi completa di campioni di aria con IC, VA o entrambi.

Con il 2060 MARGA, i gas e gli aerosol campionati dalla stessa massa d'aria vengono separati dissolvendoli selettivamente in acqua. Le soluzioni risultanti, disponibili ogni ora, vengono poi analizzate mediante cromatografia ionica con rilevamento della conducibilità. Questa separazione consente il rilevamento di gas precursori cruciali e di specie ioniche presenti negli aerosol, fornendo una comprensione più completa della qualità dell’aria.

MARS (Figura 3) è specificamente progettato per l'analisi degli aerosol. In termini di analisi chimica, il dispositivo MARS è tipicamente accoppiato con analizzatori chimici umidi esterni, come cromatografi ionici (IC) per analisi di cationi e/o anioni, o sistemi voltammetrici (VA). Questo approccio modulare offre maggiore flessibilità e adattabilità per soddisfare una gamma più ampia di requisiti analitici rispetto al MARGA 2060, che integra internamente circuiti integrati anionici e cationici.

Entrambi gli strumenti (2060 MARGA e MARS) includono denuder di gas (Wet Rotating Denuder «WRD»; Figura 4, a sinistra), un campionatore di crescita delle particelle di condensa (Steam-Jet Aerosol Collector «SJAC»; Figura 4, a destra), nonché dispositivi di pompaggio e controllo. Questi strumenti applicano il metodo di conversione delle particelle di aerosol in goccioline in un ambiente di vapore acqueo sovrasaturo. Dopo essere state miscelate con l'acqua di trasporto, le goccioline raccolte vengono continuamente immesse nei circuiti dei campioni o nelle colonne di preconcentrazione per l'analisi.

Figure 4. A sinistra: denuder rotante a umido (WRD) per una facile rimozione del gas. A destra: Steam-Jet Aerosol Collector (SJAC) incorporato nel MARS e nel 2060 MARGA.

MARS vs. 2060 MARGA – qual è la scelta giusta?

Mentre MARS è stato progettato per campionare solo aerosol, il 2060 MARGA determina anche i gas solubili in acqua. Rispetto ai classici denuder che rimuovono i gas dal campione d'aria a monte del collettore di aerosol (growth chamber), il 2060 MARGA raccoglie le specie gassose in un WRD per l'analisi online. A differenza dei gas, gli aerosol hanno velocità di diffusione basse e quindi attraversano il WRD senza interferenze.

Il 2060 MARGA è disponibile in due configurazioni: R (ricerca) e M (monitoraggio). La versione 2060 MARGA R è pensata per campagne di ricerca, come lo studio della variabilità stagionale della qualità dell'aria. Quando non è in uso, il cromatografo ionico può essere disaccoppiato e riutilizzato per altre ricerche di laboratorio.

Per una soluzione più permanente e un monitoraggio della qualità dell'aria 24 ore su 24, 7 giorni su 7, il 2060 MARGA M è più adatto.

**Tabella 1.** Differenze tra le capacità di analisi dei sistemi 2060 MARGA e MARS.
	MARS	2060 MARGA
Dimensione del campione	Campioni d'aria di grandi dimensioni: 0,5–1,0 m3/h	Campioni d'aria di grandi dimensioni: 0,5–1,0 m3/h
Tipologia di inquinanti	Adatto solo per analisi di aerosol Aerosols: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺	Analisi di aerosol e gas Aerosols: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ Gases: HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
Tipologia di inquinanti	MARS può misurare vari inquinanti come ioni solfato, nitrato e ammonio.	MARGA può misurare vari inquinanti come ioni solfato, nitrato e ammonio, nonché gas in traccia tra cui anidride solforosa e ammoniaca.
Metodo di analisi	Può essere abbinato a diverse tecniche di analisi (ad esempio IC, VA, ecc.)	Due ICs integrati
Metodo di analisi	Sono possibili tecniche di analisi singole o multiple	Tecnica di analisi singola
Risoluzione temporale	Monitoraggio continuo dell'aria	Monitoraggio continuo dell'aria
Metodo di raccolta del campione	SJAC	WRD e SJAC
Dimensioni in mm (W/H/D)	660/605/605	2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605
Destinazione d'uso	Ricerca	2060 MARGA R – Campagne di ricerca 2060 MARGA M – Monitoraggio continuo dedicato

Di seguito è riportato un confronto dei risultati per determinare se esiste qualche correlazione tra il campionamento e la misurazione dell'aerosol 2060 MARGA e MARS. Poiché i risultati degli aerosol del MARGA del 2060 sono noti per essere accurati [5], una buona correlazione indicherebbe che anche MARS misura gli aerosol con una precisione simile.

I grafici seguenti mostrano i risultati dell'aerosol dell'aria ambiente a Schiedam, nei Paesi Bassi, misurati tra il 6 e il 9 giugno 2022 con entrambi i sistemi 2060 MARGA e MARS utilizzando la cromatografia ionica (Figura 5). Il MARGA 2060 ha un tempo di ciclo di 60 minuti (tempo di ciclo normale), mentre MARS ha un tempo di ciclo di 30 minuti. I dati mostrano un andamento simile per entrambi i sistemi, ma poiché MARS genera il doppio dei dati, i dati sulla concentrazione di aerosol sono superiori rispetto a quelli del 2060 MARGA . Se i dati vengono corretti a 60 minuti utilizzando una media mobile, le concentrazioni fornite da MARS e 2060 MARGA sono simili.

Figure 5. Test comparativo che mostra i risultati per vari parametri di qualità dell'aria misurati dal 2060 MARGA (in alto) e MARS (in basso).

Conclusione

Il monitoraggio dell’inquinamento atmosferico è fondamentale perché ci consente di comprendere le tipologie e i livelli di inquinanti presenti nell’aria che respiriamo. L’esposizione all’inquinamento atmosferico può causare numerosi problemi di salute, tra cui malattie respiratorie, malattie cardiovascolari e persino il cancro. Può anche danneggiare l’ambiente provocando piogge acide, riduzione dell’ozono e contribuendo al cambiamento climatico. È importante misurare la qualità dell’aria utilizzando strumenti come 2060 MARGA o MARS di Metrohm Process Analytics per comprendere l’impatto dei vari inquinanti e sviluppare strategie efficaci per ridurre l’esposizione. In questo modo possiamo lavorare per creare un ambiente più sano e sostenibile per tutti.

Riferimenti

[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2025-02-06).

[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (‎PM_2.5 and PM₁₀)‎, Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide; World Health Organization: Geneva, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228

[3] US EPA. Particulate Matter (PM) Basics. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (accessed 2025-02-06).

[4] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. A Sampler for Collecting Fine Particles into Liquid Suspensions. Aerosol Air Qual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616

[5] Läubli, M. Air Monitoring by Ion Chromatography – a Literature Reference Review, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html