CONTRIBUTO DELLE EMISSIONI DI
TERMOUTILIZZATORI ALLA DOSE GIORNALIERA DI
POLVERI: IL CASO ITALIANO
GIORGIO BUONANNO
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Prof. ass., Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università di Cassino e del Lazio Meridionale
Adj. prof., Queensland University of Technology, Brisbane, Australia
INTRODUZIONE: definizioni
L’aerosol atmosferico è una sospensione metastabile di particelle di varie dimensioni
e composizione sospese in aria.
basketball
• PM10 – Deq<10 µm
• polveri grossolane (PM10-PM2.5)
PM10
• polveri fini (PM2.5) – Deq<2.5 µm
• PM1 – Deq<1 µm
• polveri ultrafini - Deq< 0.1 µm (100 nm)
• nanoparticelle – Deq< 0.050 µm (50 nm)
nanoparticella
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
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INTRODUZIONE: esposizione
Sorgente
Esposizione
Effetti
salute
Processi termodinamici
Dose
Politiche ambientali
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PUNTI FISSI O PERSONALE?
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
• Per valutare gli effetti sulla salute è fondamentale la stima della dose.
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INTRODUZIONE:
effetti sulla salute
Diversi studi epidemiologici hanno dimostrato effetti negativi sulla salute umana (problemi
cardiovascolari e respiratori…) dovuti ad una elevata esposizione alle polveri:
Quale proprietà o taglia dimensionale delle
particelle è maggiormente responsabile degli
effetti negativi sulla salute umana?
•
•
•
•
Concentrazioni in massa: PM10 – PM2.5
Concentrazioni in numero: UFP
Concentrazioni in area superficiale
Tasso di assunzione
…
• Nucleo carbonioso (black carbon)
• Composti organici volatili (VOCs)
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LABORATORIO DI MISURE AMBIENTALI
(SEZ. MISURE INDUSTRIALI) 2009-2013
Collaborazioni
•Queensland University of Technology, AUS
•ENEA, Roma
•NIST, US
•ISPESL, Roma
•Università di Torino
•NIOSH, Pittsburgh, US
•Lund University, Svezia
•Woolcock Institute of Medical Research, Sydney, AUS
•National Institute Water & Air, NIWA, Nuova Zelanda
•University of Wales, Swansea, United Kingdom
•Lublin University of Technology, Polonia
•Almaty University, Kazakhstan
Afferenti laboratorio
•1 responsabile (prof. associato)
•1 ricercatore TD + 1 ricercatore tempo indeterminato
•1 tecnico laureato
•2 post doc
•4 studenti di dottorato
•4 studenti
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LA MISURA DELL’AEROSOL:
la strumentazione
• 2 Scanning mobility particle sizer (SMPS) TSI 3936
• 1 Aerodynamic Particle Sizer Spectrometer (APS) TSI 3321
• 2 CPC TSI 3775 (buthanol)
• 1 CPC TSI 3781 (water)
• 1 DustTrak
• 3 Fast Mobility Particle sizer (FMPS) TSI 3091
• 1 Nanoparticle Aerosol Sampler
• 2 Nanoparticle Surface Aerosol Monitor
• 1 Thermodiluter for submicrometer particles
• 1 Diluter for APS
• Galleria del vento a circuito chiuso e vena aperta
• 1 TSI 4140 Mass Flowmeter
• Sistema Particle Image Velocimetry (PIV)
• 1 TSI EMCO IAQ-CALC CO2 conc.
• diversi campionatori gravimetrici (PM10, PM2.5, PM1)
• 1 sistema di generazione aerosol monodisperso (TSI 3940)
• 3 contatori portatili Philips Nanotracer
• 1 CPC TSI 3007
• 1 Aerosol electrometer TSI 3068B
• 1 Nanoscan
• 1 Optical Particle Counter
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TEMATICHE DI RICERCA: impatto
ambientale dell’autostrada A1
150
m
100
m
20
m
30
m
Autostrada del Sole
Buonanno G. Lall A., Stabile L., 2009. Temporal size distribution and concentration of
particles near a major highway, Atmospheric Environment, 43, 1100–1105
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TEMATICHE DI RICERCA: impatto
ambientale dell’autostrada A1
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
• Per valutare gli effetti sulla salute è fondamentale la stima della dose.
• Le strade rappresentano microambienti con elevate concentrazioni.
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TEMATICHE DI RICERCA:
monitoraggio outdoor a Cassino
Buonanno G., Fuoco F.C., Morawska L., Stabile L, 2013. Airborne particle concentrations at schools
measured at different spatial scales, Atmospheric Environment, 67, 38-45.
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TEMATICHE DI RICERCA:
monitoraggio outdoor a Cassino
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
• Per valutare gli effetti sulla salute è fondamentale la stima della dose.
• Le strade rappresentano microambienti con elevate concentrazioni.
• Le polveri ultrafini sono ben correlate al traffico (ancora meglio il black carbon).
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TEMATICHE DI RICERCA:
esposizione dei pedoni a Cassino
Buildingside vs. kerbside: total particle number; street canyon A3 (south sides):
congested traffic with the presence of HD vehicles
Average concentrations (10-min route):
-Kerbside = 1.3×105 part. cm-3
-Buildingside = 6.7×104 part. cm-3
slow traffic condition
Average concentrations (10-min route):
-Kerbside = 7.5×104 part. cm-3
-Buildingside = 4.1×104 part. cm-3
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
• Per valutare gli effetti sulla salute è fondamentale la stima della dose.
• Le strade rappresentano microambienti con elevate concentrazioni.
• Le polveri ultrafini sono ben correlate al traffico.
• Gli street canyon peggiorano la qualità dell’aria: effetto “distanza”.
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ESPOSIZIONE NELLE SCUOLE:
il progetto UPTECH
• Monitorate tre scuole (I e II circolo di Cassino) su diverse scale spaziali
• Prove mediche condotte su più 100 di bambini (coll. ASL FR) 8-11 anni
• Scuole rappresentano un microambiente “pulito”
• Criticità esposizione via Garigliano
• Influenza trascurabile delle scuole sui dati medici
Stabile L, Buonanno G., Fuoco F.C., Avino P., 2013. Dimensional and
chemical characterization of airborne particles at schools: respiratory effects
on children, Aerosol Air Quality & Research, in press
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D (nm)
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
• Per valutare gli effetti sulla salute è fondamentale la stima della dose.
• Le strade rappresentano microambienti con elevate concentrazioni.
• Le polveri ultrafini sono ben correlate al traffico.
• Gli street canyon peggiorano la qualità dell’aria: effetto “distanza”.
• Le scuole riducono l’esposizione rispetto al background urbano.
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DOSE GIORNALIERA A CASSINO:
il metodo indiretto
• Oltre 100 miliardi di particelle si depositano ogni giorno negli alveoli dei bambini
• Indoor (cucina) contribuisce notevolmente
Morawska, L., Afshari, A., Bae, G. N., Buonanno, G., Chao, C.,
Hänninen, O., Hofmann, W., Isaxon, C., Jayaratne, R., Salthammer, T.,
Waring, M., Wierzbicka, A., Indoor Aerosols: From Personal Exposure
to Risk Assessment, Indoor Air, in press.
Buonanno G., Giovinco G., Morawska L., Stabile L., 2011.
Tracheobronchial and alveolar dose of submicrometer particles for
different population age groups in Italy, Atmospheric Environment, 45
(34), 6216-6224
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TEMATICHE DI RICERCA: stima
della dose (comfort respiratorioolfattivo)
Buonanno G., Marini S., Morawska L., Fuoco F.C.,
2012. Individual children dose and exposure to
airborne particles, Science of the Total Environment,
438, 271–277.
150000
Individua l monitoring
N (part. cm-3)
125000
Urba n ba ckground
School time
100000
75000
50000
25000
0
0.00
3.00
6.00
9.00
12.00
15.00
hour of the day
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18.00
21.00
0.00
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
• Per valutare gli effetti sulla salute è fondamentale la stima della dose.
• Le strade rappresentano microambienti con elevate concentrazioni.
• Le polveri ultrafini sono ben correlate al traffico.
• Gli street canyon peggiorano la qualità dell’aria: effetto “distanza”.
• Le scuole riducono l’esposizione rispetto al background urbano.
• L’esposizione giornaliera è influenzata anche dai contributi indoor.
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TEMATICHE DI RICERCA:
stima della dose
1000 mm2 di area superficiale delle particelle depositata
giornalmente negli alveoli generano un decremento delle
prestazioni nelle “piccole vie” del 7,5%
Buonanno G., Marks G., Morawska L., 2013. Health respiratory effects
of daily airborne particle dose on children, Environmental Pollution,
accepted.
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
• Per valutare gli effetti sulla salute è fondamentale la stima della dose.
• Le strade rappresentano microambienti con elevate concentrazioni.
• Le polveri ultrafini sono ben correlate al traffico.
• Gli street canyon peggiorano la qualità dell’aria: effetto “distanza”.
• Le scuole riducono l’esposizione rispetto al background urbano.
• L’esposizione giornaliera è influenzata anche dai contributi indoor.
• Gli effetti sulla salute sono ben correlati alla dose personale.
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TEMATICHE DI RICERCA: impatto
ambientale di sistemi energetici
Buonanno G., Scungio M., Stabile L., Tirler W., 2012. Ultrafine particle emission from incinerators: The role of the
fabric filter, Journal of the Air & Waste Management Association, 62:1, 103-111
Buonanno G., Stabile L., Avino P., Belluso E., 2011. Chemical, dimensional and morphological ultrafine particle
characterization from a Waste-to-Energy plant, Waste Management, 31 (11), 2253-2263, ISSN: 0956-053X.
Buonanno G., Anastasi P., Di Iorio F., Viola A., 2010. Ultrafine particle apportionment and exposure assessment in
respect of linear and point sources, Atmospheric Pollution Research, ISSN: 1309-1042
Buonanno G., Stabile L, Avino P, Vanoli R., 2010. Dimensional and chemical characterization of particles at a
downwind receptor site of a waste-to-energy plant, Waste Management, ISSN: 0956-053X.
Buonanno G., Ficco G., Stabile L., 2009. Size distribution and number concentration of particles at the stack of a
municipal waste incinerator, Waste Management, 29, 749–755
Buonanno, G., Ficco, G., Stabile, L., 2008. Size distribution of ultrafine particles and trends of concentration near a
linear (major highway) and point source (waste incinerator), Chemical Engineering Transactions, 16, 95-104.
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ANALISI SPERIMENTALE: gli impianti
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ANALISI SPERIMENTALE: la metodologia
Campagne sperimentali: 2007-2011;
misure al camino;
misure a monte del filtro a maniche (impianti A e B).
Parametri operativi durante le campagne sperimentali
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RISULTATI: concentrazioni/1
Concentrazione totale media in numero di particelle al camino: 0.4×103 – 6.0×103 part. cm-3
Concentrazione totale massima in numero di particelle al camino: 1.0×104 part. cm-3
Confronto tra due campioni di concentrazione totale di
particelle misurati al camino dell’impianto B (2010 vs. 2011)
Concentrazione al camino dell’impianto a biomasse (filtrazione con ESP): 3.0×105 part. cm-3.
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RISULTATI: concentrazioni/2
Concentrazione totale media in numero di particelle a monte del filtro a maniche:
Impianto A: 2.4×107 ± 0.2×107 part. cm-3;
Impianto B (2010): 1.4×107 ± 0.1×107 part. cm-3;
Impianto B (2011): 1.1×107 ± 0.1×107 part. cm-3;
Condizioni operative stazionarie…
schema dell’Impianto A:
punti di campionamento
Esempio di trend della concentrazione totale di particelle
misurata a monte del filtro a maniche dell’impianto B (2011)
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RISULTATI: distribuzioni
Massime distribuzioni al camino:
l’impianto D non emette particelle maggiori di 100
nm: effetto della doppia filtrazione?
Distribuzioni al camino e a monte del filtro:
efficienza di abbattimento delle UFPs maggiore
del 99.99%!!!
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ANALISI ELEMENTARE:
il campionamento
Campionamento di particelle di diverse dimensioni (50, 100, 150 e 200 nm) al camino
dell’Impianto A mediante Nanometer Aerosol Sampler (NAS 3089 TSI Inc.) :
Analisi elementare delle particelle campionate mediante tecnica
nucleare: attivazione neutronica strumentale (INAA) in
collaborazione con ISPESL (Roma).
La scelta di una tecnica di tipo nucleare si è resa necessaria a causa della
dimensione estremamente ridotta del filtro e dell’esigua massa ivi raccolta.
La tecnica INAA, infatti, è un metodo analitico che non richiede alcun pretrattamento chimico del filtro evitando, in tal modo, la possibilità di
contaminazione e permettendo la determinazione simultanea di oltre 50
elementi.
Elementi determinati:
Nanometer Aerosol
Al, As, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Eu, Fe, Hg, Na, Ni, Sb, Sc, Sm, Ta, Th, V, Yb, Sampler 3089 TSI
Zn
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TEMATICHE DI RICERCA: impatto
ambientale di sistemi energetici
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N(part.cm-3)
POLVERI ULTRAFINI (CONFRONTO)
1E+09
100000000
10000000
1000000
100000
10000
1000
100
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TAKE HOME MESSAGES
• In atmosfera ci sono tante polveri piccole (numero) e poche grandi (massa).
• Per valutare gli effetti sulla salute è fondamentale la stima della dose.
• Le strade rappresentano microambienti con elevate concentrazioni.
• Le polveri ultrafini sono ben correlate al traffico.
• Gli street canyon peggiorano la qualità dell’aria: effetto “distanza”.
• Le scuole riducono l’esposizione rispetto al background urbano.
• L’esposizione giornaliera è influenzata anche dai contributi indoor.
• Gli effetti sulla salute sono ben correlati alla dose
• Il contributo di inceneritori alla dose giornaliera di polveri ultrafini è assolutamente
trascurabile.
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“Sono solito dire che, quando si è in grado di misurare ciò di cui si sta
parlando ed esprimerlo in numeri, allora si sa effettivamente qualcosa di
esso ma quando non si è in grado di fare ciò allora la conoscenza a
riguardo è scarsa e insoddisfacente”
Lord Kelvin (William Thomson), 1824–1907
Giorgio Buonanno, Ph.D.
Associate Professor of Applied Thermodynamics
Department of Civil and Mechanical Engineering
University of Cassino and Lazio Meridionale
via Di Biasio 43 - 03043 Cassino (FR) - Italy
ph. +39 0776 2993669
mob. +39 388 9585444
e-mail: [email protected]
Adj. Prof. Queensland University of Technology (QUT), Brisbane,
Australia
e-mail: [email protected]
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