Particolato: Cos’è? Come si forma? Che problematiche crea?

Pensa prima all’allegra fiamma di un camino, poi ad una pietanza che cuoce su un fornello a gas. Che immagini si creano nella tua mente? Probabilmente, nel primo caso ricordi un’irrequieta fiamma gialla e rossa, che muta costantemente forma. Nel secondo caso, invece, emerge probabilmente nella tua mente l’immagine di una tranquilla fiamma azzurra.

Se si tratta sempre di fiamme, che differenza c’è tra le due? Nel corso dell’articolo forniremo risposta a questa domanda, analizzando una delle forme di inquinamento più note: il particolato atmosferico. In particolar modo, analizzeremo insieme tre diversi aspetti che caratterizzano il particolato.

• Che cos’è?
• Come si forma?
• Che effetti ha sull’ambiente e sulla salute?

Iniziamo rispondendo alla prima di queste tre domande. Le informazioni presenti in questo articolo sono principalmente tratte da un’interessante analisi presente nella rivista Chimica & Ambiente [1].

Viene denominato particolato atmosferico l’insieme delle particelle presenti in atmosfera, che siano di derivazione naturale o antropica. Infatti l’atmosfera terrestre, sia che si analizzino zone urbane sia che si analizzino zone remote, presenta un’elevata concentrazione di particelle (dell’ordine di 10⁸ al cm³). Non è tanto il numero di particelle che conta, quanto la loro dimensione caratteristica.

In questa interessante immagine, presa dall’articolo sopracitato [1], possiamo notare come la dimensione delle particelle vari in un range molto ampio, che va da dimensioni nanometriche alle centinaia di micron. Per effettuare una trattazione il più esaustiva possibile del particolato atmosferico, risulta essere utile considerare diversi intervalli di dimensioni caratteristiche:

1. 2-100 μm: Questo intervallo corrisponde al particolato grossolano, e tipicamente proviene da processi di natura meccanica e di erosione o da aerosol marini e desertici. Tali particelle hanno carattere prevalentemente inorganico, fortemente dipendente dalla zona geografica in cui vengono prelevate, e comprendono anche composti biogenici (polline, spore,…). È importante mettere in evidenza che per particelle di queste dimensioni il contributo di attrazione gravitazionale è assai più significativo rispetto al moto di agitazione termica, ed è dunque marcata la loro tendenza alla sedimentazione spontanea. Il tempo caratteristico di permanenza in atmosfera risulta essere esiguo.
2. 0,08-2 μm: Questo intervallo viene denominato «di accumulazione», ed è caratterizzato dal particolato fine. Le particelle caratterizzate da queste dimensioni si formano tipicamente per coagulazione di particelle di dimensioni inferiori oppure per fenomeni di condensazione di specie chimiche su particelle pre-esistenti. Data la ridotta dimensione, si ha che le energie associate all’azione gravitazionale e al moto browniano sono di ordini di grandezza simili, con conseguente bassa tendenza alla sedimentazione. Il particolato fine tende a permanere in atmosfera e, fino a quando viene rimosso dalla pioggia, influenza in modo profondo gli equilibri chimici dell’atmosfera stessa.
3. 10-80 nm: Le particelle che appartengono a questo range dimensionale vengono anche definite nuclei di Aitken e formano il particolato ultrafine. Si possono formare per meccanismi di nucleazione a bassa temperatura di vapori sovrasaturi, oppure nell’ambito dei processi di combustione. Sono proprio queste particelle che, mediante fenomeni di condensazione, accrescono le loro dimensioni e contribuiscono alla creazione dell’intervallo di accumulazione. Sono costituite quasi interamente da carbonio elementare o organico.
4. < 10 nm: Una serie di nuove tecniche sperimentali permette di analizzare ordini di grandezza sempre più piccoli, e di andare al di sotto dei 10 nm. Le particelle di dimensioni inferiori a questo valore numerico, costituite principalmente da carbonio organico, formano il particolato iperfine e appartengono all’intervallo definito di nucleazione.

Ora che abbiamo esaminato cos’è il particolato e le varie dimensioni geometriche che lo caratterizzano, risulta opportuno effettuare degli approfondimenti sulla sua origine. In particolar modo, esamineremo come il particolato viene prodotto nei processi di combustione.

Se i processi di formazione di molte specie inquinanti sono chiari, lo stesso non si può dire per la formazione del particolato. Gli step che conducono alla formazione di queste particelle carboniose sono molto complessi, e sono caratterizzati da intricate reazioni tra le molteplici specie chimiche che si generano nei processi di combustione.
Nell’articolo dedicato ai TAR avevamo analizzato la definizione di rapporto equivalente e i meccanismi di combustione del metano. In quello stesso articolo avevamo visto come l’instaurarsi di zone ad alta concentrazione di combustibile (Φ>>1) conduca allo sviluppo di condizioni pirolitiche, in cui la terminazione di due radicali metilici e successive deidrogenazioni danno luogo alla formazione di acetilene. L’acetilene, a sua volta, permette la genesi del benzene e di specie poli-aromatiche (PAH). È proprio da queste specie aromatiche che si formano la fuliggine e il particolato carbonioso!

I composti poli-aromatici hanno una geometria planare, ma il loro accrescimento induce le forze di Van der Waals ad operare dei processi di coagulazione, con conseguente assunzione di geometria tridimensionale. In questo modo si generano le particelle primarie di fuliggine, le quali subiscono successivamente dei processi di grafitizzazione e di crescita superficiale. Da queste particelle, mediante dei meccanismi di coagulazione ed assorbimento, si generano le strutture con diametro maggiore caratteristiche delle particelle fini e ultrafini. Se anche queste strutture dovessero incontrare delle zone ricche di comburente, si ha che i tempi caratteristici di ossidazione dei composti poliaromatici e delle particelle carboniose sono tali da rendere difficile la loro ossidazione completa. In altri termini, si ritroveranno tali strutture nel flusso gassoso uscente.

Queste considerazioni fanno emergere un importante monito: evitare la creazione di zone ricche di combustibile nei processi di combustione!
Dunque, come promuovere un’adeguata miscelazione?
In fase gassosa ci sono due diverse modalità di gestione del processo di combustione:

• Fiamme premiscelate: In questo caso combustibile e comburente vengono miscelati a bassa temperatura. La miscela perfettamente omogenea viene quindi inviata nella camera di combustione: da un lato della fiamma vi sono combustibile e comburente, mentre dall’altro lato i prodotti del processo ossidativo. Sebbene questa modalità operativa introduca il notevole vantaggio di non formare particolato, dall’altro lato della medaglia può presentare problematiche di sicurezza. Una fonte d’innesco può condurre all’accensione della miscela anche fuori dal combustore, e si cerca dunque di completare il processo di miscelazione in prossimità della fiamma stessa. È in questo modo che viene gestita la combustione nei fornelli: il colore blu è caratteristico di fiamme con poco soot.
• Fiamme diffusive: Nelle fiamme diffusive il combustibile e il comburente vengono alimentati separatamente, e vengono miscelati sfruttando fenomeni di trasporto materiale laminari o turbolenti. Dal momento che i reagenti vengono miscelati nei pressi del fronte di fiamma, è probabile che eventuali inefficienze conducano alla formazione di zone ricche di combustibile, con conseguente istaurazione dei meccanismi pirolitici e formazione di particolato. Il particolato, alle temperature caratteristiche delle fiamme, ha uno spettro di emissione che conferisce alle fiamme stesse il caratteristico colore giallo-arancione. Dunque, sebbene questa modalità operativa sia complessivamente più sicura, ha lo svantaggio di promuovere una maggiore formazione di specie inquinanti.

Se consideriamo la combustione di specie liquide e solide, possiamo notare che i fenomeni di miscelazione sono ulteriormente complicati dalla presenza di fasi diverse. In questo caso la chiave per gestire al meglio il processo ossidativo è garantire un’ampia superficie di contatto tra il combustibile (solido o liquido) e il comburente (gassoso). Nel caso dei liquidi, questo viene effettuato creando una fine dispersione di gocce. Nel caso dei solidi, si cerca di utilizzare materiale con una dimensione caratteristica ridotta.

Ora che abbiamo analizzato la natura del particolato e i meccanismi che lo generano, effettuiamo delle considerazioni sulle conseguenze che questo inquinante ha per l’ambiente e per l’uomo.

Immagina di pulire un cortile pieno di piccoli sassi, e poi di pulire un cortile pieno di sabbia. Le due casistiche sono molto diverse: le dimensioni caratteristiche dei sassolini sono significativamente superiori rispetto a quelle della sabbia, e questo li rende più facili da rimuovere.
Anche per la salute e per l’ambiente l’impatto risulta essere strettamente legato alle dimensioni caratteristiche delle particelle in gioco. Iniziamo esaminando gli effetti sulla salute.

Gli effetti sulla salute del particolato atmosferico sono notevoli. Degli studi epidemiologici hanno infatti dimostrato come esista una correlazione tra la presenza di particolato nell’atmosfera e un incremento dei livelli di mortalità e di degenza ospedaliera. Si pensi che a Londra, nel 1952, si registrarono incrementi di mortalità dell’ordine di 4000 decessi alla settimana per una concentrazione di particelle nell’ordine dei 4 mg/m³.
Oggi, fortunatamente, grazie al miglioramento delle tecnologie la concentrazione di polveri nell’aria si è drasticamente ridotta. È anche vero che i livelli attuali di inquinamento non sono innocui: comportano comunque delle conseguenze per la salute, e in particolar modo alcuni studi hanno messo in evidenza come le conseguenze più significative siano correlabili alle particelle di dimensioni inferiori. Le dimensioni del particolato stesso sono dunque il parametro principale per esaminare la sua nocività nei confronti della salute umana. Le cellule reagiscono infatti con la superficie delle particelle, piuttosto che con il loro volume: la presenza di materiali adsorbiti sulla superficie può quindi depositare dei composti nocivi nelle cellule stesse.
Come si può immaginare, l’apparato maggiormente colpito da questa categoria di inquinanti è quello respiratorio. La dimensione delle particelle influenza in modo notevole il loro grado di penetrazione nelle vie respiratorie. In particolar modo, le particelle aventi una dimensione superiore a 1 μm risultano facilmente intercettate e depositate nel naso e nella gola, per poi essere debitamente espulse.

Le particelle comprese tra 100 nm e 1 μm possono arrivare fino ai bronchioli, per poi essere convogliate alla gola ed essere rimosse in tempi relativamente brevi. Se consideriamo delle dimensioni ancora inferiori, la situazione si fa più problematica, dal momento che le particelle non vengono trattenute dalla mucosa nasale o bronchiale e possono penetrare fino agli alveoli polmonari. In questo caso i meccanismi di rimozione risultano essere meno efficienti e completi, con importanti conseguenze per la salute. Se consideriamo le particelle iperfini, potrebbero emergere delle problematiche a livello neuronale.

Uno studio della University of Rochester [2] ha infatti messo in evidenza come le particelle iperfini possano interagire direttamente con il sistema nervoso centrale, depositandosi nei pressi delle terminazioni nervose olfattive e diffondendo verso il cervello. Tenendo conto del potenziale accumulo di queste particelle, possono emergere dei gravi effetti neurotossici.

Gli effetti del particolato sull’ambiente sono piuttosto complessi. Infatti gli aerosol dispersi in atmosfera intervengono in modo complesso con le radiazioni termiche incidenti e riflesse dalla Terra, in funzione della loro concentrazione, morfologia, proprietà ottiche e solubilità. Possiamo distinguere differenti famiglie di aerosol e analizzare separatamente i loro effetti sul clima terrestre.

• Solfati: Sono gli aerosol maggiormente studiati e non mostrano bande di assorbimento nel campo del visibile. Si ritiene dunque che diano un contributo negativo all’incremento del flusso radiativo solare, dal momento che disperdono la radiazione solare che indice sulla superficie terrestre.

• Carbonio elementare: Ha uno spettro di assorbimento molto ampio, che va dall’ultravioletto fino all’infrarosso. Questa sostanza può dunque contribuire sia negativamente (disperdendo la radiazione solare entrante) che positivamente (assorbendo le radiazioni infrarosse emesse dalla terra) al forcing radiativo. Delle stime quantificano il suo contributo totale come positivo.
• Carbonio organico: questa tipologia di composti presenta delle problematiche sia nel campionamento che nell’analisi, e non si hanno dunque le idee ben chiare sulla sua influenza sul clima.

Oltre al contributo diretto degli aerosol risulta essere di fondamentale importanza analizzare il loro contributo indiretto.

Le particelle facilitano infatti la genesi di gocce nelle nuvole e nelle nebbie, comportandosi come nuclei sui quali avviene la condensazione delle molecole di acqua. Nelle zone ad alto inquinamento si ha che le particelle contribuiscono notevolmente al numero delle gocce di acqua che compongono le nubi, contribuendo alla riflessione della radiazione solare incidente.
Dunque, abbiamo visto molte informazioni sul particolato: cos’è, come si forma e che influenza ha sulla salute e sull’ambiente. In un nuovo articolo risponderemo ad una domanda chiave: com’è possibile rimuovere il particolato che si forma in vari settori industriali?
Ti dico subito che esistono varie tecnologie: filtri a maniche, filtri a celle, cicloni, multicicloni, scrubber a umido ed altre ancora!
Nel frattempo, guarda le nostre Case History e scopri le nostre soluzioni per abbattere gli inquinanti!
A presto, con nuove informazioni!

[1]  A. D’Alessio, A. D’Anna, T. Faravelli e E. Ranzi, «Particolato fine e ultrafine,» Chimica & Ambiente, pp. 34-42, 2005.[2]  G. Oberdörster, Z. Sharp, V. Atudorei, A. Elder, R. Gelein, W. Kreyling e C. Cox, «Translocation of Inhaled Ultrafine Particles to the Brain,» Inhalation Toxicology, pp. 437-445, 2004.