Chimica dell'ambiente

Chimica dell'ambiente – Lezione 1

Introduzione alle scienze ambientali

Le scienze ambientali sono l'insieme di interazioni che avvengono tra i vari comparti ambientali:

• Ambiente terrestre
• Acquatico
• Vivente
• Antropologico

In modo più specifico, è lo studio della terra, dell'aria, dell'acqua e degli ambienti viventi e degli effetti della tecnologia su di essi.

Formazione e inquinamento della Terra

Quando la Terra si è formata era priva di inquinamento o comunque con poco inquinamento. L'inquinamento è poi aumentato con l'intervento antropologico e con l'industrializzazione. Ogni tipo di inquinamento e ogni apporto antropogenico ha una ricaduta su tutti i comparti ambientali. L'emissione di inquinanti coinvolge tutti i comparti ambientali.

Le sostanze subiscono delle trasformazioni: l'SO2 e gli NOx subiscono dei fenomeni di ossidazione in atmosfera perché in atmosfera è presente ossigeno che è un forte ossidante, ha un potenziale elettrochimico standard di 1.23eV, quindi è in grado di ossidarli.

Effetti dell'inquinamento atmosferico

L'anidride solforosa viene ossidata ad acido solforico, gli ossidi di azoto invece vengono ossidati ad acido nitrico. Quindi l'ossigeno ha trasformato l'inquinante, perché l'anidride solforosa è un gas solubile che in atmosfera si andrà a solubilizzare nelle goccioline di acqua e ricadrà in altri comparti ambientali come per esempio nei sistemi acquiferi e nei suoli sotto forma di un inquinante che è trasformato; non ho più SO2 ma ho acido solforico, che è un inquinante secondario.

Effetti della tecnologia sull'ambiente

Quindi la produzione di carbonio e petrolio non ha inquinato solo l'atmosfera ma potrebbe aver avuto una ricaduta anche sulla geosfera e sull'idrosfera sotto forma di precipitazioni acide. Se nell'idrosfera faccio arrivare delle precipitazioni acide, avrò che la variazione di pH sul suolo farà rilasciare delle sostanze che sono chelate nel suolo tramite gruppi carbossilici.

Se arrivano degli ioni H+ i gruppi carbossilici si riprotonano, se il gruppo carbossilico mi teneva chelato un metallo tossico avrò una contaminazione del suolo da metalli pesanti oppure un rilascio eccessivo di nutrienti come ad esempio i metalli alcalino/alcalino-terrosi che, se sono troppo presenti, il suolo subisce un'alterazione, che può risentirne dal punto di vista agricolo, le piante potrebbero non crescere bene.

Contaminazione e impatto su falde acquifere

Ma potrei avere dal suolo la liscivazione di metalli che non solo contaminano il suolo ma contaminano anche la falda acquifera. Quindi hanno una ricaduta nell'idrosfera e contaminando la falda acquifera hanno un effetto su di noi perché noi l'acqua della falda acquifera nella maggior parte dei casi la utilizziamo per potabilizzarla, quindi avremo dell'acqua che non possiamo rendere potabile (acqua con arsenico nel viterbese).

Definizione di sostanza inquinante

Sostanza inquinante: è una sostanza che fa variare un comparto ambientale e per la quale è nota e accertata la tossicità sull'uomo, altera lo stato di salubrità dell'ecosistema dell'ambiente e soprattutto ha una ricaduta effettiva sull'uomo. I comparti che studieremo avranno tutti una netta correlazione.

Atmosfera

Atmosfera: un manto protettivo fatto di gas che ha una corteccia di 500km che circonda la superficie terrestre. Ha la funzione di alimentazione della vita (fonte di N e O) e di protezione della vita (protegge da tutte le radiazioni provenienti dal Sole). Nella Troposfera, che è dove viviamo noi, arriveranno solo quelle radiazioni provenienti dallo spettro dell'UV-visibile → 400-700nm. Tutte le altre sono filtrate dal Sole. Se non ci fosse l'atmosfera noi avremmo notevoli sbalzi termici (-50°C a +50°C) invece la presenza di alcune specie come il vapore acqueo e l'anidride carbonica (gas a effetto serra che assorbono la radiazione IR) mitigano e mantengono la temperatura della Terra costante intorno ai 25°C circa.

Idrosfera

Idrosfera: contiene tutta l'acqua terrestre, noi studieremo la chimica di bacini chiusi (non del mare). Gli oceani costituiscono il 97% di tutta l'acqua terrestre, del restante 3% solo uno 0.1-0.2% è sotto forma di bacini, ruscelli, laghi ecc... tutto il resto è inglobato all'interno dei ghiacciai. Noi studieremo la chimica di acqua dolce.

Geosfera

Geosfera: totalità della terra solida. L'inquinamento nel suolo è molto lento. Litosfera → 50-100km di spessore.

Biosfera

Biosfera: comprende tutti gli esseri viventi. Chimica dell'ambiente → studio delle sorgenti, delle reazioni, del trasporto, degli effetti e del destino delle specie chimiche in atmosfera, in acqua, nel suolo e degli effetti della tecnologia su di essi.

Chimica dell'ambiente – Lezione 2

Il ruolo della chimica analitica nell'analisi ambientale

Il ruolo della chimica analitica nell'analisi ambientale è quello di:

• Determinare che tipo di sostanza abbiamo (analisi qualitativa), dobbiamo capire l'inquinante, il contaminante, dobbiamo capire che tipologia di sostanza è, se è una sostanza di natura inorganica (catione metallico, anione), se è un composto organico. Dobbiamo capire in che stato fisico si trova ecc... Questa analisi ci permette di discriminare e determinare l'analita ma non in maniera quantitativa.
• Determinare la quantità di una sostanza (analisi quantitativa), determinare la concentrazione di inquinanti. L'analisi quantitativa a cui ci siamo approcciati fino ad adesso è un'analisi quantitativa in cui avevamo quantità di analiti molto elevati, oggi la strumentazione permette di avere una sensibilità molto elevata e determinare anche concentrazioni molto piccole. È molto importante nell'analisi ambientale effettuare dei metodi di arricchimento che ci permettono di aumentare in modo fittizio la concentrazione degli analiti ed eliminare tutti i possibili interferenti nel campione per riuscire a determinarlo in modo più accurato.
• Determinare se una sostanza fa male. È importante conoscere la concentrazione poiché per molti analiti la concentrazione è direttamente correlata al tipo di effetto che può avere sull'uomo. Degli analiti in determinate concentrazioni potrebbero non essere tossici ma dare degli effetti poco nocivi. L'analisi degli effetti viene fatta dai tossicologi.
• Determinare da dove viene, quindi la ricerca delle sorgenti. Da dove viene l'inquinante? L'inquinamento potrebbe non essere dovuto alla zona circostante rispetto a dove sto misurando l'inquinamento. In acqua gli inquinanti vengono trasportati e possiamo trovarli anche a km e km di distanza.
• Determinare cosa si può fare. Cosa possiamo fare per cercare di ovviare ad una emissione e cercare di risanare una possibile fonte di inquinamento. In un'acqua e in un suolo possiamo cercare di biorisanare mentre in atmosfera non posso, devo necessariamente ricercare un rimedio. Il rimedio in atmosfera è cercare di conoscere la sorgente e agire su essa.

Inquinamento e SINC

In natura esistono, per quanto riguarda gli inquinanti, i cosiddetti SINC che sono delle sostanze inerti che intrappolano degli inquinanti. Un esempio di SINC è il marmo, carbonato di calcio. Ogni tot anni i monumenti vengono ripuliti perché si anneriscono, quell'annerimento è l'adsorbimento sulla superficie le particelle di materiale particellare.

Il materiale particellare è in prevalenza materiale carbonioso, dovuto a benzine e tutti i composti organici e contiene composti organici volatili, monossido di carbonio, NOx, SO2.

Tipologie di inquinamento

Inquinamento: possiamo avere inquinamento dell'acqua, dell'aria o del suolo. Queste tre aree sono tutte collegate tra loro. Alcuni inquinanti possono essere convertiti in acidi forti come ad esempio l'SO2 che è un gas solubile in H2SO4 con un passaggio intermedio ad acido solforoso perché nel momento in cui l'anidride solforosa si solubilizza in acqua, forma l'acido solforoso che poi ricade sotto forma di piogge acide. Il solo ossigeno dell'aria non è un forte ossidante, cineticamente le reazioni ad opera dell'ossigeno non sono favorite.

Le piogge acide si vengono quindi a formare quando l'aria è già inquinata, e ci sono tanti inquinanti di tipo ossidante. Se noi siamo in presenza di smog fotochimico e produciamo tanto ozono stratosferico, oppure abbiamo prodotto acqua ossigenata oppure grazie al radicale ossidrile che è naturalmente presente in atmosfera abbiamo che l'acido solforoso tramite l'ossidazione attraverso ozono, H2O2, radicale ossidrile passa ad acido solforico. Stessa cosa per gli NOx che tramite ossidazione in fase gassosa si trasforma in acido nitrico.

Effetti delle piogge acide

Quindi, insieme danno origine a questo fenomeno di ricaduta chiamato piogge acide, che entrano in contatto con il suolo e con l'acqua e vanno a variare drasticamente il pH dei nostri bacini (piccoli bacini). Caso esemplare di piogge acide è rappresentato dalla Foresta Nera in Germania, che si chiama così perché le piante sono di un verde molto scuro dovuto alle precipitazioni acide che vanno ad alterare il processo di fotosintesi che rende verdi le piante. In assenza di fotosintesi bloccata dall'acidità delle precipitazioni, le piante cambiano colore, non riescono più ad effettuare fotosintesi.

In inverno le foglie sono gialle perché c'è sole per meno ore nella giornata e quindi le piante producono meno clorofilla. Il concetto nella Foresta Nera è uguale ma in quel caso è rafforzato dalla presenza di ioni H+ che vanno a bloccare il processo fotosintetico.

Inquinamento da rifiuti e discariche

Un altro caso è il rifiuto pericoloso che viene abbandonato o scaricato in un terreno, esso permea nell'acqua di falda come nel caso delle discariche incontrollate, il rifiuto subisce poi fermentazione alcolica. Le discariche devono essere fatte con delle griglie in terreni argillosi perché l'argilla assorbe molto meno e quindi viene impedita la liscivazione nella falda acquifera.

Storia dell'inquinamento

L'inquinamento fino al 1962 è stato un problema sottovalutato, perché si pensava che l'inquinante si diluiva, oppure veniva sotterrato. Nel 1962 ci fu la prima azione riguardante l'inquinamento (Silent Spring). Dopo di che sono nati i primi Summit. Si è parlato per la prima volta di sviluppo sostenibile, ovvero cosa possiamo fare per ovviare all'inquinamento che c'è, nel 1992.

Produzione di inquinamento globale

La quantità di inquinamento dipende dalla popolazione e da quante industrie ci sono. Ad oggi la massima produzione di inquinamento proviene dalla Cina perché è un paese in via di sviluppo. Per molti anni la Cina non è rientrata nelle normative perché era un paese in via di sviluppo, quindi a questi paesi doveva essere data la possibilità di immettere in atmosfera alte concentrazioni di inquinanti che in altri paesi non erano accettate per cercare di svilupparli. I primi paesi con le normative più stringenti sono stati: Stati Uniti, Germania e Inghilterra.

Normative e misurazione degli inquinanti

Se un inquinante per più di qualche giorno supera una certa concentrazione, devo adottare delle misure. È molto importante nell'inquinamento chimico valutare la qualità, ovvero il tipo di prodotto, che sia primario o secondario. Alcuni prodotti sono stati messi al bando: DDT, PCB e CFC. Il DDT venne usato per uccidere la zanzara che portava la malaria, ma poi è stato scoperto che è cancerogeno.

Effetti dei CFC

I CFC sono altri composti che non sono da definire inquinanti ma sono stati banditi. Sono stati molto utilizzati intorno agli anni '70 come refrigeranti, sono stati una scoperta sensazionale perché non inerti e non tossici. Ad un certo punto si è capito che essendo dei composti molto leggeri fatti di carbonio hanno delle emivite molto lunghe e quindi permangono nell'ambiente per tantissimo tempo, inoltre non rimangono in troposfera ma vanno in stratosfera. Per questo motivo sono stati banditi. Mentre il DDT e il PCB hanno delle ripercussioni sulla salute umana, i CFC invece il fenomeno di inquinamento globale a cui hanno dato seguito non era un fenomeno di inquinamento globale tangibile, si è capito dopo.

Bioaccumulo e biomagnificazione

È importante studiare la persistenza dell'inquinante, il bioaccumulo. I metalli pesanti ad esempio subiscono il fenomeno del bioaccumulo, quindi se respiro il piombo (unico metallo respirabile, sotto forma di piombo tetrametile) esso si bioaccumula nello scheletro osseo sostituendosi al calcio e crea un tipo di malattia che si chiama piombemia che è un tumore del sangue.

In altri casi bisogna stare attenti alla biomagnificazione nella catena alimentare, è un fenomeno in cui se io ho un inquinante anche in bassissime concentrazioni, questo all'interno della catena alimentare si biomagnifica. Il pesce mangia altri pesciolini in cui c'era mercurio che si accumula nel tessuto molle (nel fegato) dei pesci e la concentrazione aumenta.

Trasporto a lunga distanza degli inquinanti

Importante è anche il trasporto a lunga distanza, è un trasporto e una ricaduta in un punto distante dalla sorgente di emissione. Oggi vengono studiati anche gli inquinanti ai poli che ci sono arrivati per trasporto.

Tipologie di inquinanti

L'inquinante può essere classificato come inquinante primario o come inquinante secondario.

Inquinante primario → inquinante che viene immesso direttamente in atmosfera da una fonte che sia naturale o antropogenica.

Inquinante secondario → sostanze che subiscono una trasformazione in atmosfera (esempio H2SO4 e HNO3) → si generano in loco per reazione di inquinante primario con un'altra sostanza inerte. Anche l'ozono è un inquinante secondario, in troposfera ce l'abbiamo naturalmente, ma quello che si forma per smog fotochimico avviene se abbiamo NOx, quindi si forma dal ciclo fotolitico degli NOx.

Definizioni normative di inquinante e contaminante

Inquinante → sostanza presente a concentrazione maggiore di quella naturale, che ha effetto dannoso sull'ambiente, sull'uomo o sui suoi interessi. Quindi magari già è presente ma in concentrazioni più basse e non dannose.

Contaminante → sostanza che comporta una deviazione della naturale composizione dell'ambiente, per la quale non è stato ancora riscontrato un effetto dannoso. Vuol dire che in natura non c'è. Il clorofluorocarburo non esiste in natura, l'abbiamo immesso noi.

Alcune sostanze noi le confondiamo, la CO2 e il vapore acqueo sono presenti in atmosfera ma non hanno effetto tossico sull'uomo, ma danno luogo a un fenomeno di inquinamento globale.

Definizione di inquinante secondo normativa vigente

Secondo la normativa vigente si definisce inquinante qualsiasi sostanza presente nell'ambiente a una concentrazione e con caratteristiche tali da:

• Alterare le normali condizioni ambientali e di salubrità dell'ambiente.
• Costituire pericolo o pregiudizio diretto o indiretto per la salute dell'uomo.
• Compromettere le attività ricreative e gli altri usi legittimi dell'ambiente.
• Alterare le risorse biologiche e gli ecosistemi, i beni pubblici e privati.

Tipologie di inquinamento

L'inquinamento può essere considerato locale se rimane confinato in loco, regionale se è espanso a tutta la regione, globale se riguarda tutto il mondo (smog fotochimico). L'inquinante può essere immesso durante la fase di produzione, trasporto, stoccaggio e impiego di sostanze oppure se viene fatto un abuso di queste sostanze.

Caratteristiche degli inquinanti

Le caratteristiche che vengono studiate sono:

• Tempo di resistenza, importante per capire che effetti a lungo termine può avere quell'inquinante.
• Dominio di residenza, dove si è formato e dove ricade.
• Carico, quanto inquinante viene immesso in atmosfera giornalmente, questo viene misurato attraverso delle centraline.
• Flusso, con che velocità viene immesso l'inquinante in atmosfera.

Parametri di inquinamento e trattamento delle acque

Molto importante è anche la concentrazione, l'esposizione, la dose, l'effetto dell'inquinante sull'uomo e l'emissione. In acqua i livelli di inquinamento vengono definiti da parametri macrodescrittori: colore, odore, sapore, torbidità.

L'acqua può essere pretrattata attraverso impianti di potabilizzazione, oppure con un post-trattamento attraverso impianti di depurazione.

Inquinamento del suolo

Il suolo ha un inquinamento in genere meno evidente, l'influenza di questo inquinamento è sia sui raccolti che sulla falda acquifera. Si può biorisanare attraverso microrganismi che riescono ad ovviare al problema dell'inquinamento, trasformando gli inquinanti in composti che non sono inquinati.

Inquinamento dell'aria

L'aria non si può pulire dopo. Necessita solo di interventi preventivi, bisogna stare attenti a cosa si immette perché una volta che viene immesso non si può più togliere dall'atmosfera. L'inceneritore immette tonnellate e tonnellate di tossine in atmosfera. Il ppm è un rapporto volume/volume.

Cicli chimici

Il ciclo mi va a definire il destino dei composti, in che forme esistono nei vari comparti e a che tipo di composti possono dare luogo e che trasformazioni subiscono nell'ambiente. Ogni composto può trovarsi in forme diverse a seconda del comparto ambientale in cui si trova. Dobbiamo considerare due reazioni che sono la Fissazione e la Mineralizzazione che in chimica dell'ambiente corrispondono a riduzione e ossidazione.

I cicli possono essere divisi in:

• Cicli endogeni → comprendono principalmente rocce del sottosuolo di vario tipo. Uno dei pochi è il ciclo del fosforo, perché in questo ciclo non ci sono sostanze gassose, il fosforo rimane sempre solido.
• Cicli esogeni → avvengono essenzialmente sulla superficie della terra e hanno in genere componenti nell'atmosfera, il carbonio come CO2 e CO, l'azoto come N2.