Concentrazioni delle polveri ultrafini nei diversi microambienti

Sommario 
Sommario 
La problematica dell’impatto ambientale dei sistemi energetici ha rappresentato negli ultimi anni 
un vincolo e allo stesso tempo un’opportunità nell’ambito dell’innovazione tecnologica. 
Nell’ambito della complessa tematica dell’impatto ambientale, negli ultimi anni la comunità 
scientifica internazionale ha dedicato una grande attenzione all’esposizione della popolazione alle 
concentrazioni di polveri. Supportata dai continui progressi nel settore delle nanotecnologie nello 
sviluppo di metodologie di misura e caratterizzazione dell’aerosol, la ricerca nel campo ambientale 
e medico ha avuto modo di approfondire le modalità d’interazione tra la salute umana e le 
concentrazioni di particelle misurate in diversi ambienti o in emissione da impianti. 
Il presente lavoro di tesi si colloca in questo contesto, prefiggendosi come obiettivo, la 
valutazione dell’esposizione delle persone al particolato in diversi microambienti, allo scopo di 
costituire uno strumento propedeutico alla valutazione dell’esposizione umana globale giornaliera. 
Nel Capitolo 1 sono introdotte le definizioni propedeutiche alla caratterizzazione dell’aerosol e 
le funzioni di distribuzione dimensionale di probabilità delle particelle di aerosol; sono, inoltre, 
passati rapidamente in rassegna, le trasformazioni termodinamiche delle particelle a valle 
dell’emissione. 
Nel Capitolo 2, sono descritti la morfometria del sistema respiratorio umano e i flussi d’aria 
caratteristici delle regioni respiratorie, al fine di comprendere i meccanismi di deposizione e 
diffusione delle particelle nell’apparato respiratorio. 
Il Capitolo 3 è incentrato sulla problematica dell’interazione tra aerosol e apparato respiratorio e 
sulle modalità di dispersione e deposizione dell’aerosol nelle regioni polmonari. 
Nel capitolo 4 sono stati introdotti gli strumenti di misura tipicamente utilizzati per la rilevazione 
di polveri ultrafini in esposizione nei diversi microambienti, descrivendone il relativo principio di 
funzionamento. 
In ultimo, nel Capitolo 5 è riportato il caso di studio oggetto dell’attività bibliografica. In 
particolare, sono analizzati i fattori che influenzano l’esposizione alle polveri ultrafini, riassunti tutti 
i risultati della ricerca bibliografica relativa ai diversi microambienti indoor e outdoor. Inoltre, sono 
qui riportati e analizzati i dati di misura (concentrazioni in numero) di una campagna sperimentale 
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Sommario 
condotta in un sito, lontano da sorgenti emissive, nella cittadina di Cassino (FR). Tali misure sono 
state condotte tramite un contatore a condensazione (WCPC Model 3781). 
Sono state effettuate, anche, misure riguardanti i fattori meteorologici influenzanti le 
concentrazioni in numero delle polveri ultrafini, tramite stazione microclimatica Davis Vantage P, 
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e le concentrazioni in massa di ossidi di azoto (NO) e PM, tramite stazione ARPA, situata in 
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largo Dante, Cassino. 
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Capitolo 1 Introduzione 
Capitolo 1 Introduzione 
L’aerosol si definisce come una sospensione metastabile di particelle solide o liquide in un 
gas portante. Tal espressione è stata introdotta in contrapposizione al termine inglese hydrosol 
con il quale s’indica la sospensione di particelle nei liquidi, nota anche come sospensione 
colloidale. A differenza delle sospensioni colloidali, però, l’aerosol non può essere trattato 
come un sistema stazionario. Infatti, le scale dei tempi che interessano i fenomeni dinamici e 
termodinamici delle particelle sospese sono molto brevi e conferiscono, pertanto, la 
caratteristica d’instazionarietà all’aerosol cui l’aggettivo “metastabile” fa riferimento. 
Alla rigorosa definizione di aerosol appena proposta si aggiungono una serie di definizioni 
più o meno rigorose, introdotte per lo più nel settore ambientale, con cui si vuole indicare la 
presenza di particelle in esausti gassosi o in atmosfera quali quelle di fumo, smoke, fog, 
particulate matter (PM), polveri, particolato ecc. 
1.1 La classificazione dimensionale delle particelle 
La classificazione forse più rilevante delle particelle di aerosol è quella che fa riferimento 
alla dimensione delle particelle stesse. La dimensione minima delle particelle non è definita in 
maniera rigorosa forse anche in virtù del fatto che i limiti tecnologici non permettono di 
individuare con un’efficienza accettabile particelle di dimensioni inferiori a 3 nm. Pertanto, 
considerando che mediamente le molecole di aria hanno una dimensione caratteristica media 
di 0,37 nm, l’intervallo dimensionale delle particelle di aerosol va da pochi nanometri alle 
decine, o centinaia di micrometri. Le particelle di dimensione caratteristica compresa tra 2,5 e 
10 μm sono comunemente definite polveri grossolane, quelle inferiori a 2,5 μm polveri fini e 
quelle inferiori a 100 nm polveri ultrafini (ultrafine particle, UFP). Molto spesso, nella 
letteratura scientifica del settore, si fa riferimento anche al termine di “nanoparticelle” con il 
quale sono indicate le particelle di dimensione inferiore a 50 nm. La definizione di 
nanoparticelle è, in realtà, utilizzata per lo più nel settore della nanoscienza, dove si fa 
riferimento alla particolare caratteristica di alcuni materiali che, per dimensioni nanometriche, 
mostrano una forte variazione delle loro proprietà in funzione della dimensione. 
Giacché il metodo di misura diretto della concentrazione di polveri consiste nella pesata di 
particelle depositate su filtro a seguito di una selezione dimensionale mediante impattore, è 
utile richiamare anche le definizioni delle diverse frazioni di PM (particulate matter). La 
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Capitolo 1 Introduzione 
Direttiva 1999/30/CE del Consiglio del 22 aprile 1999 concernente i valori limite di qualità 
dell'aria ambiente per il biossido di zolfo, il biossido di azoto, gli ossidi di azoto, le particelle 
e il piombo definisce, infatti, PM e PM come le frazioni in massa di particelle che 
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penetrano attraverso un ingresso dimensionale selettivo con un’efficienza d’interruzione del 
50% per un diametro aerodinamico, rispettivamente, pari a 10 e 2,5 μm. Analogamente, le 
particelle con diametro inferiore a 100 μm vengono più genericamente definite polveri totali 
sospese (total suspended particle, TSP). 
La dimensione caratteristica della particella cui si fa riferimento nella classificazione 
dimensionale appena proposta è il diametro. La forma delle particelle dell’aerosol 
(campionato in ambiente o in emissione) non è prettamente sferica (Figura 1.1). Pertanto, 
occorre identificare un parametro caratteristico della dimensione della particella. Sono stati 
introdotti, quindi, diversi diametri equivalenti facendo riferimento a proprietà delle stesse 
particelle effettivamente misurabili: il più noto è sicuramente il diametro aerodinamico 
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equivalente (d) definito come il diametro della sfera di densità unitaria (ρ = 1 g/cm) che 
ae0
presenta la stessa velocità di sedimentazione della particella in esame. Allo stesso modo, 
riferendosi, ad esempio, alla capacità delle particelle di muoversi in un campo elettrico o in un 
campo diffusivo è possibile definire diametri equivalenti di una particella, supposta sferica, 
che presenti la stessa mobilità della particella in esame; 
Figura 1.1 – Microfotografia al TEM di tipiche strutture aggregate di particelle d’argento (Lall et al., 2006). 
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Capitolo 1 Introduzione 
1.2 Le distribuzioni dimensionali delle particelle 
Le particelle dell’aerosol, siano esse campionate in ambiente o in emissione da impianti, 
tipicamente non sono dimensionalmente monodisperse, al contrario, esse variano in un 
intervallo dimensionale che va da pochi nanometri a decine o centinaia di micrometri secondo 
una distribuzione di concentrazione che, in termini di numero, area superficiale e volume, 
presenta picchi (o mode), in diverse zone dell’intervallo dimensionale in esame. Un esempio 
di distribuzione di concentrazione di particelle in numero, area superficiale e volume per un 
aerosol urbano è riportato in Figura 1.2. Come atteso, la distribuzione in numero è fortemente 
spostata verso diametri inferiori con un numero di particelle di piccole dimensioni molto 
elevato a dispetto di un esiguo numero di particelle di grosse dimensioni che, tuttavia, danno 
il contributo maggiore in termini di volume/massa. 
Figura 1.2 – Distribuzioni dimensionali in termini di numero (a), area superficiale (b) e volume (c) per un 
aerosol urbano (Seinfeld et Pandis, 2006). 
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Capitolo 1 Introduzione 
Giacché l’intero intervallo dimensionale in esame è molto esteso (ricopre diversi ordini di 
grandezza), le distribuzioni, come in Figura 1.2, sono riportate su un’ascissa in scala 
logaritmica. Mediante tale rappresentazione, le distribuzioni solitamente misurate mostrano 
una forma “a campana” matematicamente riconducibile a una funzione log-normale da cui ne 
deriva una semplificazione nell’elaborazione statistica dei risultati di misura. 
Secondo la differente origine dell’aerosol (meccanica, da fenomeni di combustione ecc.) la 
distribuzione in numero di particelle presenta una o più mode caratteristiche. Nell’intervallo 
dimensionale tipico delle particelle sub-micrometriche, si distinguono tre mode tipiche: 
nucleation mode, Aitken mode e accumulation mode. La moda tipica dei fenomeni di 
nucleazione, nucleation mode, include particelle generate direttamente da fenomeni di 
conversione gas-particella: esse sono particelle “fresche” emesse a seguito di fenomeni di 
combustione (aerosol primario) o formate per via fotochimica in atmosfera (aerosol 
secondario) e sono comprese nell’intervallo dimensionale di poche decine di nanometri. 
L’Aitken mode comprende particelle tipicamente in crescita la cui dimensione tipica è di 
diverse decine di nanometri. Nucleation mode e Aitken mode dominano, solitamente, le 
distribuzioni di particelle in numero. L’accumulation mode include particelle “invecchiate” 
che hanno praticamente concluso la loro fase di crescita o, comunque, il cui rateo di crescita è 
drasticamente diminuito. Tale moda è tipicamente compresa nell’intervallo da 100 nm a 
poche centinaia di nanometri e domina la distribuzione delle particelle in area superficiale. 
In Figura 1.3 è riportata una distribuzione dimensionale discreta in termini di numero di 
particelle nell’intervallo sub-micrometrico misurata nella foresta boreale di Hyytiälä, 
Finlandia da Mäkelä et al., 1997. Da tale distribuzione è possibile apprezzare la simultanea 
presenza delle tre differenti mode appena descritte. 
Figura 1.3 – Distribuzione trimodale sub-micrometrica osservata nella foresta boreale a Hyytiälä, Finlandia 
(Mäkelä et al., 1997). 
Nella definizione delle mode tipiche dell’aerosol si è fatto riferimento all’origine delle 
particelle e alla relativa differente forma delle distribuzioni dimensionali. Oltre che dal punto 
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Capitolo 1 Introduzione 
di vista dimensionale, le particelle di aerosol possono essere classificate, infatti, anche in 
riferimento alla fonte di emissione. Esse possono avere un’origine di tipo naturale o antropica 
secondo che la loro emissione sia dovuta a sorgenti di tipo naturale (erosione di rocce, 
risospensione di polveri dal terreno ecc.) o a causa di fenomeni di combustione che hanno 
sede nei processi di conversione dell’energia (traffico veicolare, impianti di potenza, ecc.). 
Inoltre, l’aerosol può essere classificato secondo l’origine in aerosol primario e secondario: si 
definisce primario l’aerosol direttamente emesso dalla sorgente in atmosfera, mentre, 
l’aerosol generato per via fotochimica in atmosfera a partire da gas precursori è definito 
secondario. 
In Tabella 1.1 è riportata una stima dell’emissione globale di particelle (Tg/anno) relativa 
agli anni ’80 in funzione dell’origine e della fonte di emissione (Seinfeld et Pandis, 1998). La 
tabella mostra come le sorgenti naturali abbiano un contributo in massa di molto superiore al 
contributo antropico ma, quest’ultimo, di fatto, costituisce la fonte principale in termini di 
polveri sub-micrometriche. Occorre far notare, inoltre, che, eccetto il trasporto di polveri su 
lungo raggio, le particelle hanno un effetto sull’uomo e sull’ambiente essenzialmente su scala 
locale. In tal senso, anche se le particelle emesse da fonti naturali sono globalmente molto 
superiori a quelle emesse per via antropica, esse non hanno effetti rilevanti sulla salute umana 
e sull’ambiente. Al contrario, particelle emesse da fonti antropiche sono oggetto 
d’investigazione poiché tali sorgenti sono prossime a insediamenti urbani a più elevata densità 
di popolazione. In linea generale si può sostenere, quindi, che le particelle generate per via 
meccanica sono principalmente di tipo super-micrometrico mentre la formazione di particelle 
sub-micrometriche è dovuta a fenomeni di nucleazione che hanno sede nei processi di 
combustione per condensazione di vapori a bassa volatilità (conversione gas-particella) e/o 
nelle reazioni chimiche di gas precursori in atmosfera che creano specie condensabili 
(particelle secondarie). 
In prima analisi le particelle sub-micrometriche sono costituite principalmente da solfati, 
nitrati, ammonio, carbonio elementare e organico e tracce di metalli. Le particelle grossolane 
sono, invece, prevalentemente costituite da materiali presenti nel terreno come silicio, calcio, 
magnesio, alluminio e ferro e da particelle biogeniche (pollini, spore, frammenti di piante). I 
nitrati si presentano in entrambe le frazioni: nella regione sub-micrometrica la presenza dei 
nitrati è dovuta alla reazione di formazione del nitrato di ammonio tra acido nitrico e 
ammoniaca, mentre, nella frazione grossolana, questi sono il risultato delle reazioni tra 
particelle grossolane e acido nitrico. In Figura 1.4 è riportata la distribuzione dimensionale 
relativa alla composizione di un aerosol urbano determinata da Wall et. al., 1988 a Claremont, 
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Capitolo 1 Introduzione 
CA. Tali curve indicano che solfati, nitrati e ammonio presentano due mode nella regione 
sub-micrometrica e una terza moda nell’intervallo > 1,0 µm. I nitrati sono presenti in misura 
maggiore nella frazione grossolana come pure il sodio e il cloruro. 
Tabella 1.1 – Stima delle emissione globale di particelle per le principali tipologie di aerosol negli anni ’80 
(Seinfeld and Pandis, 1998). 
Emissioni stimate 
Frazione dimensionale 
-1
(Tg anno) 
Fonte di emissione 
Min Max 
NATURALE 
Primario 
Aerosol minerale 1000 3000 Principalmente > 1 µm 
Aerosol marino 1000 10000 Principalmente > 1 µm 
Polveri vulcaniche 4 10000 > 1 µm 
Detriti biologici 26 80 > 1 µm 
Secondario 
Solfati da gas biogenici 80 130 < 1 µm 
Solfati da SO vulcanico 5 60 < 1 µm 
2
Gas organici 40 200 < 1 µm 
Nitrati da NO 15 50 Fini e grossolane 
x
2200 23500 
Totale naturale 
ANTROPICA 
Primario 
Polveri industriali (eccetto soot) 40 130 Fini e grossolane 
Soot 5 20 Principalmente > 1 µm 
Secondario 
Solfati da SO 170 250 < 1 µm 
2
Combustone di biomassa 60 150 < 1 µm 
Aerosol organico da gas antropici 25 65 < 1 µm 
Nitrati da NO 5 25 Fini e grossolane 
x
Totale antropica 300 650 
TOTALE (naturale + antropica) 2500 24000 
In Tabella 1.2 sono riportate le concentrazioni degli elementi trovati in diverse aree 
(remota, rurale e urbana). Tali valori mostrano che a parità di posizione, le concentrazioni 
possono variare anche di tre ordini di grandezza: ciò è indice del rilevante effetto di eventuali 
sorgenti antropiche. 
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Capitolo 1 Introduzione 
Figura 1.4 – Distribuzioni dimensionali di per differenti ioni (solfati, nitrati, ammonio, cloruro, sodio e 
idrogeno) misurate in Claremont, CA (Wall et. al., 1988). 
Tabella 1.2 – Concentrazioni in diverse aree (remota, rurale ed urbana) per diversi elementi nell’aerosol 
atmosferico (Schroeder et al., 1987). 
-3
Concentrazione (ng m) 
elementi Posizione della moda 
Remota Rurale Urbana 
< 1 µm e > 1 µm 
Fe 0.6 - 4200 55 – 14500 130 – 13800 
< 1 µm 
Pb 0.01 – 65 2 – 1700 30 – 90000 
Zn < 1 µm 0.03 – 450 10 – 400 15 – 8000 
Cd < 1 µm 0.01 – 1 0.4 – 1000 0.2 – 7000 
As < 1 µm 0.01 – 2 1 – 28 2 – 2500 
< 1 µm e > 1 µm 
V 0.01 – 15 3 – 100 1 – 1500 
< 1 µm e > 1 µm 
Cu 0.03 – 15 3 – 300 3 – 5000 
< 1 µm e > 1 µm 
Mn 0.01 – 15 4 – 100 4 – 500 
Hg 0.01 – 1 0.05 – 160 1 – 500 
Ni < 1 µm e > 1 µm 0.01 – 60 1 – 80 1 – 300 
Sb < 1 µm 0 – 1 0.5 – 7 0.5 – 150 
Cr < 1 µm e > 1 µm 0.01 – 10 1 – 50 2 – 150 
< 1 µm e > 1 µm 
Co 0 – 1 0.1 – 10 0.2 – 100 
< 1 µm e > 1 µm 
Se 0.01 – 0.2 0.01 – 30 0.2 – 30 
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