Ingegneria sanitaria-ambientale - la misura delle concentrazioni

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 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

• Massa sostanza/massa totale: mg/kg nel suolo, ppm
• Massa sostanza/volume totale: mg/l in soluzioni liquide o in aria, µg/m³
• Volume sostanza/volume totale: frazione volumetrica in aria, ppmv
• Moli sostanza/volume totale: moli/l in soluzioni liquide, M (molarità)
• Equivalenti sostanza/volume totale: eq/l in soluzioni liquide, N (normalità)

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

• 10¹²: tera (T)
• 10⁹: giga (G)
• 10⁶: mega (M)
• 10³: kilo (k)
• 10²: hecto (h)
• 10¹: deca (d)
• 10^-1: deci (d)
• 10^-2: centi (c)
• 10^-3: milli (m)
• 10^-6: micro (µ)
• 10^-9: nano (n)
• 10^-12: pico (p)
• 10^-15: femto (f)
• 10^-18: atto (a)

Concentrazioni in termini di massa

Le concentrazioni in termini di massa della sostanza “i” (m) possono riferirsi tanto all'unità 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: 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 in parti per milione in massa è definita come “le unità di massa m della sostanza i presenti in una massa totale di 10⁶ unità”: ad esempio, 1 mg di soluto contenuto in 10⁶ mg (1 kg) di soluzione liquida ha una concentrazione in massa pari a 1 ppm.

In pratica:

Concentrazione in massa [ppm] = (mi/mT) · 106 (1)

Dove m_i ed m_T sono, rispettivamente, la massa della sostanza “i” e la massa totale. Poiché il rapporto (m_i/m_T) è la frazione in massa della sostanza “i”, 10⁶ rappresenta implicitamente il fattore di conversione tra frazione in massa e concentrazioni in ppm:

ppmm = (mi/mT) [frazione in massa] · 106 [ppmm/frazione in massa] (2)

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

ppbm = (mi/mT) [frazione in massa] · 109 [ppbm/frazione in massa] (3)

pptm = (mi/mT) [frazione in massa] · 1012 [pptm/frazione in massa] (4)

% in peso = (mi/mT) [frazione in massa] · 102 [% in peso/frazione in massa] (5)

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

ppmm = mg/kg = µg/g

ppbm = µg/kg = ng/g

pptm = ng/kg = pg/g

In campo ambientale, le concentrazioni in ppm_m, ppb_m, ppt_m e % in peso sono di utilizzo 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_m ed in ppb_m se la determinazione analitica, condotta su 1 kg di campione, ne fornisce una presenza di 5 mg.

Soluzione:

[TCE] = (5 mg TCE) / (1 kg terreno) = 0,005 g TCE / 103 g terreno = (5 · 10-6 g TCE / g terreno) · 106 = 5 ppmm = 5 000 ppbm

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 vengono di norma espresse in mg/m³ o µg/m³, mentre nel secondo le unità di misura più comuni 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 mg/l sono equivalenti a quelle in ppm: infatti, essendo la densità dell'acqua pari a 1 kg/l, si ha:

mg/l = mg/kg = mg/106 mg = ppmm