Ingegneria sanitaria-ambientale - la misura delle concentrazioni

Appunti di Ingegneria Sanitaria-Ambientale

Premessa

La concentrazione rappresenta uno dei parametri più importanti nella descrizione della fenomenologia dell'inquinamento, in quanto direttamente coinvolta nei processi di trasporto e trattamento che costituiscono la base dell'ingegneria sanitaria-ambientale. La concentrazione è infatti la forza motrice che controlla i movimenti delle sostanze all'interno dei comparti ambientali ed il loro trasferimento tra di essi, nonché la velocità di gran parte delle reazioni chimiche che li coinvolgono; essa risulta altresì direttamente correlata con la nocività degli inquinanti, tramite il ruolo sui fenomeni di tossicità e bioaccumulo che la caratterizza.

La concentrazione di una sostanza può essere espressa in svariate unità di misura: quella più appropriata per ogni singola situazione dipende dalla tipologia.

misura.

Tabella 1 - Unità di misura della concentrazione di più comune utilizzo in campo ambientale.

SE	UNITÀ DI MISURA	TIPO DI MISURA	TIPICHE ESEMPIO
-1	Massa sostanza/massa totale	mg/kg nel suolo	mg/kg, ppm
-1	Massa sostanza/volume totale	mg/l in soluzioni liquide o in aria	mg/l, µg/m3
-1	Volume sostanza/volume totale	frazione volumetrica in aria	ppmv
-1	Moli sostanza/volume totale	moli/l in soluzioni liquide	M (molarità)
-1	Equivalenti sostanza/volume totale	eq/l in soluzioni liquide	N (normalità)

Tabella 2 - Valori dei prefissi nel sistema internazionale (SI) di unità di misura.

PREFISSO	VALORE
mega	106
kilo	103
centi	10-2
milli	10-3
micro	10-6
nano	10-9

misura.F P S F P SATTORE MOLTIPLICATIVO REFISSO IMBOLO ATTORE MOLTIPLICATIVO REFISSO IMBOLO12 -210 tera T 10 centi c9 -310 giga G 10 milli m6 -610 mega M 10 micro µ3 -910 kilo k 10 nano n2 -1210 hecto h 10 pico p1 -1510 deca d 10 femto f-1 -1810 deci d 10 atto a

Concentrazioni in termini di massa

Le concentrazioni in termini di massa della sostanza “i” (m ) possono riferirsi tanto all’unitàidi massa m che a quella di volume V del mezzo in cui la sostanza è contenuta. Nel primo caso leconcentrazioni vengono comunemente espresse indicando esplicitamente le unità di misura adottate:-1 -1 -1ad es., mg kg , µg kg , g kg e così via. In casi assai frequenti esse vengono anche espresse in partiper milione (ppm ), parti per bilione (ppb ), parti per trilione (ppt ) e così via. La concentrazionem m m 1Ingegneria Sanitaria-AmbientaleP MOLITECNICO DI ILANO- S . AD.I.I.A.R. Misura delle concentrazioniEZ MBIENTALEin parti per milione

massa è definita come "le unità di massa m della sostanza i presenti in unai6 6massa totale di 10 unità": ad esempio, 1 mg di soluto contenuto in 10 mg (1 kg) di soluzioneliquida ha una concentrazione in massa pari a 1 ppm. In pratica:

Concentrazione in massa [ppm] = (m /m ) ·10 (1)

dove m ed m sono, rispettivamente, la massa della sostanza "i" e la massa totale. Poiché il rapportoi T 6(m /m ) è la frazione in massa della sostanza "i", 10 rappresenta implicitamente il fattore dii Tconversione tra frazione in massa e concentrazioni in ppm:

ppm = (m /m ) [frazione in massa] ·10 [ppm /frazione in massa] (2)

Considerazioni del tutto analoghe valgono per le concentrazioni in ppb e ppt ed anche per quellem mespresse in % in massa (o in peso):

ppb = (m /m ) [frazione in massa] · 10 [ppm /frazione in massa] (3)

ppt = (m /m ) [frazione in massa] · 10 [ppm /frazione in

massa] (4)m i T t2% in peso = (m /m ) [frazione in massa] · 10 [% in peso/frazione in massa]

(5)i TPer le concentrazioni in massa valgono, ovviamente, le seguenti relazioni:

-1 -1ppm = mg kg = µg g

(6)m -1 -1ppb = µg kg = ng g

(7)m -1 -1ppt = ng kg = pg g

(8)mIn campo ambientale, le concentrazioni in ppm , ppb , ppt e % in peso sono di utilizzom m mcomune per esprimere la presenza di sostanze in mezzi liquidi (acqua, soluzioni) e solidi (suoli,sedimenti).

Esempio: calcolo della concentrazione in un terreno.

Esprimere la concentrazione di tricloroetilene (TCE) in un terreno in ppm ed in ppb se lam mdeterminazione analitica, condotta su 1 kg di campione, ne fornisce una presenza di 5 mg.

Soluzione 3[TCE] = (5 mg TCE) / (1 kg terreno) = 0,005 g TCE / 10 g terreno =⋅-6 6= (5 · 10 g TCE / g terreno) · 10 = 5 ppm = 5 000 ppbm mLe concentrazioni in massa riferite all’unità di volume sono di utilizzo generalizzato tantonel campo della

caratterizzazione dei gas che in quello delle soluzioni acquose. Nel primo caso esse-3 -3vengono di norma espresse in mg m^-3 o µg m^-3, mentre nel secondo le unità di misura più comuni-1 -1sono riferite al litro (mg l^-1 o µg l^-1). Nel campo delle soluzioni acquose, poiché nella grandemaggioranza dei casi di interesse pratico dell’ingegneria ambientale le soluzioni stesse possonoconsiderarsi diluite, nel senso che la presenza dei soluti (composti in soluzione) e/o dei composti insospensione non influenza in maniera apprezzabile la massa del soluto (acqua), le concentrazioni in-1 -1mg l^-1 sono equivalenti a quelle in ppm : infatti, essendo la densità dell’acqua pari a 1 kg l^-1, si ha:m 6/ l = mg / kg = mg / 10 mg = ppmmgi H2O i H2O i H2O m 2Ingegneria Sanitaria-AmbientaleP MOLITECNICO DI ILANO- S . AD.I.I.A.R. Misura delle concentrazioniEZ MBIENTALETale equivalenza non è rigorosamente valida per situazioni nelle quali la densità

della soluzione si-1discosta apprezzabilmente dal valore di 1 kg l : i casi più frequenti riguardano le soluzioniconcentrate (variazioni di densità imputabili alla consistente presenza di ioni disciolti) e quelle atemperatura relativamente elevata (l’acqua allo stato liquido presenta una densità massima, pari-1appunto a 1 kg l , a circa 4°C di temperatura). Nell’ambito dell’ingegneria ambientale rientrano nelprimo caso alcune acque salmastre e saline (acqua marina); per ciò che riguarda, invece, l’effettodella temperatura le variazioni indotte dalla densità (Tab. 3) sono tali da potersi riteneresostanzialmente trascurabili nella conversione delle concentrazioni.

Tabella 3 - Densità dell’acqua liquida in funzione della temperatura.

D (kg l )	T (°C)
0,9998	0
0,9997	10
0,9991	15
0,9982	20
0,9957	30
0,9922	40
0,988	50
0,9832	60
0,9778	70
0,9718	80
0,9653	90
0,9584	100

Esempio: calcolo della

concentrazione in acqua. Calcolare la concentrazione in ppm di tricloroetilene (TCE) in un'acqua naturale se la determinazione analitica, condotta su 1 l. di campione, ne fornisce una presenza di 5 mg. Soluzione: [TCE] = (5 mg TCE) / (1 l H2O) = 5 mg TCE / l Per ricavare la concentrazione in ppm è necessario valutare la frazione in massa, dividendo per la densità della soluzione (1 kg/l), ed effettuare le opportune conversioni delle unità di misura: [TCE] = (5 mg TCE / l) * (6 * 10^3 ppm / 1 mg/l) = 30,000 ppm Esempio: calcolo della concentrazione in atmosfera. Una miscela gassosa di volume pari a 10 l contiene 10 moli di CO (peso molecolare CO = 28 g/mole): calcolarne la concentrazione in µg/m^3. Soluzione: Essendo la concentrazione richiesta espressa in massa di CO per unità di volume, è necessario convertire le moli di CO in grammi e il volume in metri cubi: Concentrazione di CO = (10 moli CO) * (28 g/mole) / (10 m^3) = 28 µg/m^3

unità di volume della miscela, è necessario convertire le moli di CO in massa, utilizzando il peso molecolare PM, ed effettuare le opportune conversioni tra le unità di misura:

moli CO = ⋅3 PMC (µg / m )CO CO

volume miscela−6 6 310 moli CO 28 g CO 10 µg 10 l= ⋅ ⋅ ⋅ = 32800 µg / mC CO 310 l miscela mole CO g m

E’ opportuno evidenziare che per le miscele gassose le concentrazioni espresse in massa/volume non si mantengono costanti al variare della temperatura e /o della pressione del gas: esse, infatti, diminuiscono se la miscela gassosa si espande (per un incremento di T o una diminuzione di P), a seguito dell’aumento del volume complessivo, ed aumentano se la stessa miscela si comprime (per una riduzione di T o un incremento di P), a seguito della diminuzione del volume: ciò rende necessario specificare sempre le condizioni di T e P a cui i valori si riferiscono3 3(es. 100 µg/m di SO in condizioni normali,

150 µg/m³ di PM a 25°C e 101,3 kPa). Le concentrazioni in termini di volume Le concentrazioni espresse in termini di frazioni volumetriche sono di frequente utilizzo nel campo delle miscele gassose in quanto, contrariamente a quelle espresse in termini di massa, si mantengono costanti al variare della temperatura e/o della pressione del gas. L'unità di misura più comune, in analogia con le corrispondenti espressioni in termini di massa/massa, è la parte per milione in volume (ppm): v_i = (V_i / V_t) [frazione volumetrica] × 10⁶ [ppm / frazione volumetrica] (9) dove V_i e V_t sono, rispettivamente, il volume della sostanza "i" ed il volume totale della miscela e 10⁶ rappresenta il consueto fattore di conversione tra parti per milione e frazione volumetrica. Per convertire le concentrazioni espresse in massa/volume nei corrispondenti valori in termini di volume/volume si fa riferimento alla ben nota legge dei gas ideali: pV = nRT (10) in cui p è la pressione, V è il volume, n è il numero di moli, R è la costante dei gas ideali e T è la temperatura assoluta.

cui il valore della costante universale dei gas R dipende dalle unità di misura utilizzate per definire P, V e T: quelli di più diffuso utilizzo sono i seguenti:

4Ingegneria Sanitaria-AmbientaleP MOLITECNICO DI ILANO- S . AD.I.I.A.R. Misura