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Ingegneria Sanitaria-Ambientale

P M

OLITECNICO DI ILANO

- S . A

D.I.I.A.R. Misura delle concentrazioni

EZ MBIENTALE

APPUNTI DI INGEGNERIA SANITARIA-AMBIENTALE

N - M

OZIONI DI BASE ISURA DELLE CONCENTRAZIONI

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 della sostanza, dalla natura fisica

(solida, liquida, gassosa) del mezzo in cui essa è presente e, spesso, dalla finalità della misura

stessa. Le unità di misura più comunemente utilizzate in campo ambientale sono sintetizzate in

Tab. 1., mentre in Tab. 2 sono riportati i prefissi del sistema internazionale (SI) ed i corrispondenti

fattori moltiplicativi.

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

S E U

IGNIFICATO SEMPIO NITÀ DI MISURA TIPICHE

-1 -1

Massa sostanza/massa totale mg kg nel suolo mg kg , ppm m

-1 -1 -3

Massa sostanza/volume totale mg l in soluzioni liquide o in aria mg l , µg m

Volume sostanza/volume totale frazione volumetrica in aria ppm

v

-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.

F P S F P S

ATTORE MOLTIPLICATIVO REFISSO IMBOLO ATTORE MOLTIPLICATIVO REFISSO IMBOLO

12 -2

10 tera T 10 centi c

9 -3

10 giga G 10 milli m

6 -6

10 mega M 10 micro µ

3 -9

10 kilo k 10 nano n

2 -12

10 hecto h 10 pico p

1 -15

10 deca d 10 femto f

-1 -18

10 deci d 10 atto a

Concentrazioni in termini di massa

Le concentrazioni in termini di massa della sostanza “i” (m ) possono riferirsi tanto all’unità

i

di massa m che a quella di volume V del mezzo in cui la sostanza è contenuta. Nel primo caso le

concentrazioni vengono comunemente espresse indicando esplicitamente le unità di misura adottate:

-1 -1 -1

ad es., mg kg , µg kg , g kg e così via. In casi assai frequenti esse vengono anche espresse in parti

per milione (ppm ), parti per bilione (ppb ), parti per trilione (ppt ) e così via. La concentrazione

m m m 1

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in parti per milione in massa è definita come “le unità di massa m della sostanza i presenti in una

i

6 6

massa totale di 10 unità”: ad esempio, 1 mg di soluto contenuto in 10 mg (1 kg) di soluzione

liquida ha una concentrazione in massa pari a 1 ppm . In pratica:

m 6

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

m i T

ove m ed m sono, rispettivamente, la massa della sostanza “i” e la massa totale. Poiché il rapporto

i T 6

(m /m ) è la frazione in massa della sostanza “i”, 10 rappresenta implicitamente il fattore di

i T

conversione tra frazione in massa e concentrazioni in ppm :

m

6

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

m i T m

Considerazioni del tutto analoghe valgono per le concentrazioni in ppb e ppt ed anche per quelle

m m

espresse in % in massa (o in peso): 9

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

m i T b

12

ppt = (m /m ) [frazione in massa] · 10 [ppm /frazione in massa] (4)

m i T t

2

% in peso = (m /m ) [frazione in massa] · 10 [% in peso/frazione in massa] (5)

i T

Per le concentrazioni in massa valgono, ovviamente, le seguenti relazioni:

-1 -1

ppm = mg kg = µg g (6)

m -1 -1

ppb = µg kg = ng g (7)

m -1 -1

ppt = ng kg = pg g (8)

m

In campo ambientale, le concentrazioni in ppm , ppb , ppt e % in peso sono di utilizzo

m m m

comune 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 la

m m

determinazione 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 ppb

m m

Le concentrazioni in massa riferite all’unità di volume sono di utilizzo generalizzato tanto

nel campo della caratterizzazione dei gas che in quello delle soluzioni acquose. Nel primo caso esse

-3 -3

vengono di norma espresse in mg m o µg m , mentre nel secondo le unità di misura più comuni

-1 -1

sono riferite al litro (mg l o µg l ). Nel campo delle soluzioni acquose, poiché nella grande

maggioranza dei casi di interesse pratico dell’ingegneria ambientale le soluzioni stesse possono

considerarsi diluite, nel senso che la presenza dei soluti (composti in soluzione) e/o dei composti in

sospensione non influenza in maniera apprezzabile la massa del soluto (acqua), le concentrazioni in

-1 -1

mg l sono equivalenti a quelle in ppm : infatti, essendo la densità dell’acqua pari a 1 kg l , si ha:

m 6

/ l = mg / kg = mg / 10 mg = ppm

mg

i H2O i H2O i H2O m 2

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Tale equivalenza non è rigorosamente valida per situazioni nelle quali la densità della soluzione si

-1

discosta apprezzabilmente dal valore di 1 kg l : i casi più frequenti riguardano le soluzioni

concentrate (variazioni di densità imputabili alla consistente presenza di ioni disciolti) e quelle a

temperatura relativamente elevata (l’acqua allo stato liquido presenta una densità massima, pari

-1

appunto a 1 kg l , a circa 4°C di temperatura). Nell’ambito dell’ingegneria ambientale rientrano nel

primo caso alcune acque salmastre e saline (acqua marina); per ciò che riguarda, invece, l’effetto

della temperatura le variazioni indotte dalla densità (Tab. 3) sono tali da potersi ritenere

sostanzialmente trascurabili nella conversione delle concentrazioni.

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

-1

D (kg l ) T (°C)

ENSITÀ EMPERATURA

0,9998 0

1 4

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

m

determinazione analitica, condotta su 1 l. di campione, ne fornisce una presenza di 5 mg.

Soluzione

[TCE] = (5 mg TCE) / (1 l H O) = 5 mg TCE / l

2

Per ricavare la concentrazione in ppm è necessario valutare la frazione in massa, dividendo per la

m

-1

densità della soluzione (1 kg l ), ed effettuare le opportune conversioni delle unità di misura:

[ TCE ]

= ⋅ 6

C ( ppm ) 10

TCE m ρ H O

2

5 mg TCE 6

10 ppm

l H O

= ⋅ =

m

2 5 ppm

C ( ppm )

TCE m m

6

10 mg H O frazione in massa

2

l H O

2 3

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Esempio: calcolo della concentrazione in atmosfera. -6

Una miscela gassosa di volume pari a 10 l contiene 10 moli di CO (peso molecolare CO = 28 g /

3

mole): calcolarne la concentrazione in µg/m .

Soluzione

Essendo la concentrazione richiesta espressa in massa di CO per 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 PM

C (

µg / m )

CO CO

volume miscela

6 6 3

10 moli CO 28 g CO 10 µg 10 l

= ⋅ ⋅ ⋅ = 3

2800 µg / m

C CO 3

10 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 miscela

stessa 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 riferiscono

3 3

(es. 100 µg/m di SO in condizioni normali, 150 µg/m di PM a 25°C e 101, 3 kPa).

2 10

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 6

ppm = (V /V ) [frazione volumetrica] ·10 [ppm /frazione volumetrica] (9)

v i T v

ove V e V sono, rispettivamente, il volume della sostanza “i” ed il volume totale della miscela e

i T

6

10 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 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: 4


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria per l'ambiente e il territorio (CREMONA - MILANO)
SSD:
Docente: Bonomo Luca
A.A.: 2013-2014

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher michela.betelli@gmail.com di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Ingegneria sanitaria-ambientale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano - Polimi o del prof Bonomo Luca.

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