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Nanoparticelle nell`atmosfera ed interazione con i materiali lapidei.
“Proprietà ed applicazioni dei minerali alla nanoscala”, GNM, Otranto Giugno 2004. Nanoparticelle nell’atmosfera ed interazione con i materiali lapidei. Franco Belosi Istituto di Scienze del Clima e dell’Atmosfera Sezione territoriale di Lecce Introduzione: Scala delle dimensioni geometriche ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Introduzione Principali meccanismi: •Diffusione •Nucleazione Forze esterne: •Forze elettriche •Termoforesi ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Coagulazione Formazione di aggregati dovuti alle collisioni fra particelle primarie in moto relativo le une con le altre ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Condensazione • La condensazione è la crescita delle particelle per apporto di vapore che condensando su di esse ne aumentano le dimensioni. • Esempio: la formazione della pioggia • Su questo fenomeno si basa il principio di funzionamento di uno strumento, Contatore di nuclei (CNC-Condensation Nuclei Counter), che consente di contare le particelle ultrafini. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Condensazione: CNC • Impiegato per contare le particelle ultrafini: (limite inferiore circa 0.005 m); • Vapori di butanolo, a seguito di una forte espansione adiabatica, condensano sulle particelle ultrafini campionate; • In questo modo le particelle vengono rivelate da un fotomoltiplicatore che raccoglie la luce, proveniente da una sorgente luminosa collimata, di diffusa dalle particelle. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Moto browniano e diffusione • Nel 1827 il botanico inglese Robert Brown notò che particelle di polline sospese nell’acqua si muovevano in modo irregolare (zig zag). ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Moto browniano e diffusione ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Moto browniano e diffusione ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Coefficiente di diffusione • Il flusso netto di particelle J da zone a concentrazione elevata verso zone a bassa concentrazione è dato da: ∂N J = −D ∂x dove D rappresenta il coefficiente di diffusione delle particelle: k = cost. di Boltzmann T = temperatura (kelvin) = viscosità dell’aria dp = diametro delle particelle C = coeff. Di Cunningham kTC D= 3πµ d p ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Confronto fra la deposizione per diffusione e per sedimentazione Dalla tabella, ultima colonna, si osserva che per le particelle ultrafini la diffusione è il meccanismo di deposizione più rilevante. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Efficienza di rimozione L’efficienza di rimozione delle particelle ultrafini è elevata a causa del loro moto browniano che aumenta la probabilità, per moto casuale, di contatto con superfici dove poi si depositano. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Batteria a diffusione • Utilizzata per classificare gli aerosol ultrafini in base al loro coefficiente di diffusione (diametro geometrico) • Penetrazione delle particelle attraverso delle reticelle metalliche a spessori via via crescenti: le particelle più piccole (elevati coefficienti di diffusione) vengono catturate nei primi stadi (costituiti da sottili spessori di reticelle). • All’uscita di ogni stadio vengono contate le particelle: un software di deconvoluzione ricostruisce la distribuzione dimensionale dell’aerosol. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Applicazione: Batteria a diffusione ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Batteria a diffusione Intervallo di separazione da circa 0.01 µm a 0.2 µm ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Batteria a diffusione Calibrazione batteria a diffusione con latex (particelle monodisperse): 0.08 µm Si osserva un secondo picco a 0.02 µm dovuto alla Frammentazione delle goccioline di acqua. 14000 4 50 00 12000 4 00 00 3 50 00 10000 3 00 00 8000 2 50 00 6000 2 00 00 4000 150 00 2000 100 00 0 50 00 0 1 2 3 4 5 6 n. po rte 7 8 9 10 0 1 10 d imensio ne (nm) ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 100 100 0 Forze esterne: Elettriche Le nanoparticelle si caricano elettricamente principalmente per diffusione. La frazione n di particelle con una carica e.s. è data da: n = 1 – exp(- nio t) frequenza delle collisioni nio concentrazione degli ioni a grande distanza dalla particella ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Forze esterne: Elettriche Forza elettrostatica su una particella avente i cariche unitarie: F = ieE Forza elettrostatica equilibrata dalla forza di resistenza dell’aria: moto a velocità costante v: v = ieE/f f coefficiente di attrito di Stokes f = 3 dp/C µ viscosità dell’aria dp diametetro particella C coefficiente di Cunningham ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Applicazioni • Impattore inerziale: distribuzione dimensionale da 10 m a 0.03 m. Impiegato per la caratterizzazione delle particelle emesse dai motori a combustione (diesel). • Filtri elettrostatici. • Strumenti per il campionamento e la caratterizzazione dimensionale delle particelle (DMA – Differential Mobility Analyzer). ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 IMPATTORE ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Impattore ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Filtro elettrostatico Efficienza di caricamento Come si vede dalla figura ci sono particelle che non caricandosi elettrostaticamente non possono venire catturate dai filtri elettrostatici. Analizzatore differenziale di mobilità elettrica Questo strumento consente di classificare, in base al diametro, le particelle nell’intervallo da alcuni nanometri a circa 0.2 m. La classificazione avviene in tempo reale. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Termoforesi ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Termoforesi Confronto fra le velocità di sedimentazione (VTS) e le velocità termoforetiche (VTH) a 20 oC. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Termoforesi •Abbattimento di particelle ultrafini (inceneritori); •Processi di condensazione/evaporazione (es. formazione del ghiaccio); •Deposizione su superfici fredde (musei). ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Ultrafini in atmosfera Processi di formazione attraverso nucleazione (omogenea ed eterogenea) che determina un picco a circa 0.01 m; In termini di massa il contributo di tale picco è trascurabile. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Ultrafini in atmosfera (ottenute con un CNC) ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Tempo di residenza dell’aerosol in atmosfera Il tempo di residenza in atmosfera delle particelle ultrafini è molto breve in quanto processi diffusivi e di coagulazione determinano la crescita dimensionale degli aerosol. Tuttavia in prossimità di superfici le velocità di deposizione per diffusione sono maggiori determinando il loro accumulo su tali superfici. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Nanoparticelle nelle aree urbane • Diverse ricerche hanno evidenziato la presenza di aerosol ultrafini dovuti al traffico (ad esempio i motori diesel emettono particelle con diametro nell’intervallo 0.06 – 0.10 µm). Tali particelle sono sia primarie che secondarie (formate da processi di nucleazione). • Formazione per nucleazione omogena di nuove particelle nell’atmosfera urbana. Si ritiene che l’attività fotochimica giochi un ruolo fondametale nel processo (le concentrazioni maggiori di nanoparticelle sono registrate in corrispondenza di elevati valori di radiazione solare. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Nucleazione: esigenze di campionamento •Rilevazione di particelle con dimensioni di circa 0.003 m (CNC di ultima generazione); •Tempo di risoluzione di circa 10 minuti per misure a terra; •Risoluzione dimensionale (DMA); •Elevata sensibilità (< 500 particelle/cm3) nelle aree remote (Antartide); •Determinazione di concentrazioni elevate (> 105 particelle/cm3) nelle aree continentali o marine. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Deposizione polmonare Le particelle ultrafini presentano una elevata probabilità di depositarsi nelle vie respiratorie per diffusione browniana. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 Effetti: Salute • E’ accertato che le particelle ultrafini possono essere responsabili delle alterazioni all’apparato cardiovascolare. • Si ha deposizione nelle vie respiratorie per diffusione browniana. • La dose assorbita dipende dalla concentrazione delle particelle, dalla loro composizione (es: quarzo), e dalla loro superficie. ISAC ISAC- -Istituto IstitutoScienze Scienzedell’Atmosfera dell’Atmosferaeedel delClima Clima––Otranto Otranto2004 2004 EFFETTI DELLA DEPOSIZIONE DEL PARTICOLATO ATMOSFERICO SUL PATRIMONIO COSTRUITO (C. Sabbioni) ANNERIMENTO Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima (ISAC), CNR PATINE NERE STATO DELL’ARTE PATINE NERE Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima (ISAC), CNR EFFETTI SINERGICI SO2 • Deposizione di NO2 e O3 puo’ ossidare l’SO2 e accelerare il degrado di metalli e lapidei • Deposizione di particolato contente metalli (Fe, Mn) favorisce l’ossidazione di SO2 producendo degrado su molti materiali • Reazioni fotochimiche in particolare di composti organici (IPA) CNR - ISAC PROGETTO BATTISTERO EFFETTI DEL PARTICOLATO SULLE SUPERFICI • Soiling • Annerimento • Trasformazioni chimiche • Cristallizzazione sali • Biodegrado ! "! ! & !' ! #! $ % ! CNR - ISAC PROGETTO BATTISTERO $! ! +' " !$ ( ! , (# ! ' ' #( ! ( ( $)* ! $ ' ( . $ / ( $ ! (# ! ,! !- ! ! (% ! - ! !! !!! ' # Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima (ISAC), CNR La metodologia analitica messa a punto dimostra di essere uno strumento efficace nella speciazione e discriminazione delle componenti carboniose negli strati di degrado CO e CE sono le principali componenti dovute alla deposizione di particolato atmosferico sul patrimonio costruito e monumentale I dati di aerosol atmosferico hanno dimostrato che la principale sorgente di particelle carboniose è il traffico veicolare. Le emissioni da traffico sono in aumento Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima (ISAC), CNR MILANO, Maggio 2004 Bibliografia Generale • • Willeke K., P. A. Baron, “Aerosol Measurement”, Van Nostrand Reinhold, 1993. Sheldon K. Friedlander, “Smoke, Dust, Haze”, Oxford University Press, 2000. Specifica sulle nanoparticelle nelle atmosfere urbane • • • • • Charron A., Harrison R.M., “Primary particle formation from vehicle emissions during exhaust diluition in the roadside atmosphere”, Atmospheric Environment, 37 (2003), 4109-4119. Ji Pinh Shi, D.E. Evans, A.A., Khan, R. M. Harrison, “Sources and concentration of nanoparticles (<10 nm diameter) in the urban atmosphere”, Atmospheric Environment, 35 (2001), 1193-1202. Ji Pinh Shi, A.A., Khan, R. M. Harrison,”Measurements of ultrafine particle concentration and size distribution in the urban Atmosphere”, The Science of the Total Environment, 235 (1999), 51-64. Yung Sung Cheng, “Aerosol deposition in the extrathoracic regione”, Aerosol Science and Technology, 37, (2003), 659-671. Kulmala M., H. Vehkamaeki, T. Petaejae, M. Dal Maso, A. Lauri, V. M., Kerminen, W. Birmili, P.H. McMurry, “Formation and growth rates of ultrafine atmospheric particles: a review of observations”, Aerosol Science 35 (2004), 143-176.
