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Il campionatore diffusivo a simmetria radiale radiello

radiello

radiello^® è un sistema di campionamento per il monitoraggio della qualità dell’aria il cui principio di funzionamento si basa sulla Legge di Fick sulla diffusione dei fluidi. I tradizionali campionatori diffusivi sono tipicamente cilindrici e la diffusione dei composti avviene lungo l'asse del cilindro, per cui sono detti "assiali". radiello si distingue per la peculiarità della sua geometria in virtù della quale la diffusione avviene lungo il raggio del cilindro aumentandone sensibilmente la portata di campionamento.

Scegliendo un opportuno tempo di campionamento, in funzione dei presunti livelli di concentrazione in aria, è possibile eseguire misure sia a concentrazioni elevate (tipicamente in ambiente di lavoro) sia a concentrazioni basse (tipicamente in ambiente urbano o indoor).

Permette di confrontare le esposizioni personali con i valori limite forniti dal D.Lgs 81/2008 o con i Valori Limite di Soglia (OELV) proposti da organizzazioni internazionali come, ad esempio, lo Scientific Committee on Exposure Level (SCOEL/RAC) della Comunità Europea, i TLV-TWA o gli STEL/C proposti dall’American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH), gli OSHA PELs  della Occupational Safety and Health Administration, i NIOSH RELs del National Institute for Occupational Safety and Health o i DFG MAKs del Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Cenni storici

La tecnica del campionamento diffusivo è stata sviluppata a partire dai primi anni '70 e da allora sono centinaia le pubblicazioni apparse su riviste scientifiche peer-rewieved. Oggi la tecnica del campionamento diffusivo è una prassi acquisita nelle indagini che riguardano la qualità dell'aria: dall'igiene industriale all'igiene ambientale, dalla valutazione dell'esposizione personale ad agenti chimici ai monitoraggi della qualità dell'aria indoor (IAQ) e infine per indagini sulla protezione del patrimonio artistico e culturale.

I primi esperimenti di misura delle portate di campionamento di radiello, in una camera ad atmosfera dinamica controllata, iniziarono nel 1994 in seguito all'invenzione del campionatore per opera di Vincenzo Cocheo, all'epoca Direttore del Centro di Ricerche Ambientali di Padova (Italia) della Fondazione Salvatore Maugeri - IRCCS. La prima pubblicazione riguardante radiello su una rivista scientifica internazionale peer-reviewed risale al 1995.

Da allora radiello continua ad essere sviluppato e prodotto nei laboratori del Centro Ricerche Ambientali degli attuali Istituti Clinici Scientifici Maugeri S.p.A. - SB e da lì esportato in tutto il mondo.

radiello^® è un marchio registrato a livello internazionale.

Principio di funzionamento

Schematicamente un campionatore a diffusione può essere immaginato come una struttura chiusa, di solito cilindrica, in cui due facce si contrappongono a distanza costante. Una delle due facce è trasparente alle molecole gassose e quella opposta le adsorbe o chemiadsorbe. La prima è chiamata superficie diffusiva, la seconda superficie adsorbente (rispettivamente S ed A in figura).

Sotto il gradiente di concentrazione dC/dl esistente fra il substrato adsorbente interno al campionatore e l'aria esterna alla superficie diffusiva le molecole gassose attraversano S diffondendo verso A, lungo il percorso l perpendicolare alla superficie diffusiva. Le sostanze adsorbibili vengono trattenute dal substrato A in accordo alla prima legge della diffusione di Fick che, in forma semplificata, può essere descritta come:

${\tfrac {\partial m}{\partial t}}={\mbox{D}}\cdot {\mbox{S}}\cdot {\tfrac {\partial C}{\partial l}}\qquad \qquad$ [1]

dove:

• $\partial m$ è la massa adsorbita nel tempo $\partial t$
• $\partial l$ la lunghezza del percorso diffusivo
• ${\mbox{D}}$ è il coefficiente di diffusione, specifico per ogni sostanza.

se la concentrazione sulla superficie adsorbente è uguale o molto vicina a 0, l'integrale della [1] fornisce:

${\tfrac {\mbox{m}}{{\mbox{C}}\cdot {\mbox{t}}}}={\tfrac {{\mbox{D}}\cdot {\mbox{S}}}{\mbox{l}}}$

la grandezza ${\mbox{Q}}={\tfrac {{\mbox{D}}\cdot {\mbox{S}}}{\mbox{l}}}$ è detta portata di campionamento e le sue dimensioni sono quelle di un flusso (l·min^-1).

La concentrazione ${\mbox{C}}$ del composto in aria pertanto è esprimibile come:

${\mbox{C}}={\tfrac {\mbox{m}}{{\mbox{Q}}\cdot {\mbox{t}}}}$

Dunque, se ${\mbox{Q}}$ è costante e nota, per conoscere il valore della concentrazione ambientale è sufficiente misurare la massa captata dall’adsorbente ed il tempo in cui il campionatore è rimasto esposto.

Descrizione della geometria della diffusione a simmetria radiale del campionatore radiello

La simmetria radiale

Per aumentare la sensibilità analitica bisogna aumentare la massa ${\mbox{m}}$ della sostanza captata dall'assorbente. iò si realizza aumentando ${\mbox{Q}}$. Poiché ${\mbox{D}}$ è una costante, l’obiettivo può essere raggiunto solo intervenendo sul rapporto ${\mbox{S}}\setminus {\mbox{l}}$, che si definisce costante geometrica del campionatore. Tuttavia, nel tradizionale campionatore assiale, se si allarga la superficie diffusiva ${\mbox{S}}$, non si può fare a meno di allargare anche quella adsorbente A, dal momento che le due superfici devono fronteggiarsi a distanza costante. Poiché c’è un solo modo di recuperare l’analita adsorbito dal campionatore assiale (lo spostamento con un solvente) ogni aumento di A comporta un aumento proporzionale di volume del solvente desorbente, sicché l’effetto dell’incremento di ${\mbox{Q}}$ è annullato dalla diluizione.

Con radiello la geometria del campionatore cambia da assiale a radiale ed è la superficie cilindrica a funzionare da barriera diffusiva con le molecole gassose che si muovono parallelamente al raggio verso un adsorbente anch’esso cilindrico e coassiale alla superficie diffusiva. A parità di diametro del cilindro, ${\mbox{S}}$ diventa molto più grande di quella del campionatore assiale senza dover aumentare la quantità di adsorbente: anche se la superficie adsorbente è molto più piccola di quella diffusiva, la fronteggia in ogni punto a distanza costante.

Poiché ${\mbox{S}}={\mbox{2}}\cdot \pi \cdot {\mbox{r}}\cdot {\mbox{h}}$

dove:

• ${\mbox{h}}$ è la lunghezza del cilindro
• ${\mbox{r}}$ (il raggio) è il percorso diffusivo

Considerata la geometria di radiello, quindi, la [1] va riscritta come:

${\tfrac {\partial m}{\partial t}}={\mbox{D}}\cdot {\mbox{2}}\pi {\mbox{r}}\cdot {\mbox{h}}\cdot {\tfrac {\partial C}{\partial r}}\qquad \qquad$ [2]

L’integrale della [2] dal raggio della superficie diffusiva r_d a quello della superficie adsorbente r_a diventa:

${\tfrac {\mbox{m}}{{\mbox{C}}\cdot {\mbox{t}}}}={\mbox{Q}}={\mbox{D}}\cdot {\tfrac {{\mbox{2}}\pi {\mbox{h}}}{\ln \left({\frac {r_{d}}{r_{a}}}\right)}}\qquad \qquad$ [3]

quindi $\ln \left({\frac {r_{d}}{r_{a}}}\right)$è la costante geometrica di radiello. La portata di campionamento, dunque, è funzione diretta della lunghezza del cilindro diffusivo e inversa del logaritmo del rapporto fra i raggi del cilindro diffusivo e di quello adsorbente.

Mentre il valore di r_a è direttamente misurabile poiché è il diametro della cartuccia interna che contiene il substrato assorbente, quello di r_d è stato misurato tramite esposizione in una camera ad atmosfera controllata. La barriera diffusiva è stata progettata come un tubo in polietilene sinterizzato a parete spessa e microporosa: la lunghezza reale del percorso diffusivo non è semplicemente la differenza fra il raggio esterno del cilindro diffusivo e di quello adsorbente ma è molto maggiore a causa della tortuosità del percorso fra i pori. Un cilindro diffusivo con raggio esterno di 8 mm, spessore di 1,7 mm e dimensione media dei pori di 25 µm, accoppiato ad una cartuccia adsorbente da 2,9 mm di raggio, non crea un percorso diffusivo di 8 - 2,9 = 5,1 mm ma di 18 mm.

La portata di campionamento ${\mbox{Q}}$ dipende dal coefficiente di diffusione ${\mbox{D}}$, che a sua volta varia in funzione della temperatura (T) e della pressione atmosferica (p). La correzione per la pressione è, normalmente, trascurabile dato che la variazione è lineare e che la pressione atmosferica raramente oscilla di più di 30 hPa nell’intorno di 1013 hPa, l’errore massimo commesso, ignorando la correzione, non supera il ±3%, e di solito è compreso entro il ±1,5%.

Più importante può essere invece l’errore commesso trascurando la temperatura, poiché la dipendenza da questo parametro è esponenziale. Inoltre, nel caso del chemiadsorbimento, ai fattori termodinamici (variazione di ${\mbox{D}}$) possono sommarsi quelli cinetici (variazione della velocità di reazione con il reattivo chemiadsorbente). Ad esempio, campionando i composti organici volatili (COV) con il carbone attivo, la variazione sperimentale della portata entro ±10 °C nell’intorno di 25 °C è del ±5% ma, nello stesso intervallo di temperatura, diventa di ±21% campionando il biossido di azoto per chemiadsorbimento con la trietanolammina.

Caratteristiche

File:Tutti i componenti.png

I componenti fondamentali del campionatore diffusivo radiello: la piastra di supporto, il corpo diffusivo (giallo in questo caso), la cartuccia adsorbente e l'etichetta identificativa del campione.

Le parti essenziali del campionatore diffusivo radiello sono:

• cartuccia adsorbente o chemiadsorbente: si può trattare di un tubo in rete di acciaio inossidabile riempito di carbone attivo, carbone grafitato, Tenax TA, florisil rivestito di 2,4-dinitrofenilidrazina, gel di silice, setaccio molecolare e carbone attivo o un tubo in polietilene microporoso rivestito di trietanolammina o riempito di gel di silice rivestito di 4,4’-dipiridiletilene o, ancora, impregnato di acetato di zinco o acido fosforico.
• corpo diffusivo: esistono diversi tipi di corpi diffusivi , a diversa porosità o spessore in funzione della portata di campionamento che si vuole ottenere o di diverso colore se necessario campionare composti fotosensibili.
• piastra di supporto: in policarbonato e serve sia da tappo che da sostegno del corpo diffusivo
• etichetta autoadesiva riportante un codice per il riconoscimento univoco dei campionamenti

Sostanze campionabili

radiello consente il campionamento di numerosi composti aerodispersi, presenti sia allo stato  gassoso che come vapori. L'elenco completo delle sostanze campionabili, suddiviso per "famiglie" di composti, è riportato nelle tabelle seguenti. I composti elencati sono quelli per i quali la portata di campionamento è stata sperimentalmente misurata in camera ad atmosfera dinamica controllata e non desunta teoricamente a partire dai coefficienti di diffusione.

Composti Organici Volatili (COV)

acetone	diaceton alcool	isobutanolo	1-metossi-2-propanolo
acrilonitrile	1,4-diclorobenzene	isobutil acetato	1-metossi-2-propil acetato
alcool benzilico	1,2-dicloroetano	isoottano	naftalene
amile acetato	diclorometano	isoprene	n-nonano
benzene	1,2-dicloropropano	isopropanolo	n-ottano
bromoclorometano	dimetildisolfuro	isopropil acetato	pentano
1,3-butadiene	N,N-dimetilformammide	isopropilbenzene	α-pinene
butanolo	1,4-diossano	limonene	propil acetato
sec-butanolo	n-dodecano	metanolo	propilbenzene
ter-butanolo	n-eptano	metil acetato	stirene
butil acetato	n-esano	metil metacrilato	tetracloroetilene
2-butossietanolo	1-esanolo	metilcicloesano	tetraidrofurano
2-butossietil acetato	etanolo	metilciclopentano	toluene
carbonio tetracloruro	etere etilico	metiletilchetone	1,1,1-tricloroetano
cicloesano	etil acetato	metilisobutilchetone	tricloroetilene
cicloesanolo	etilbenzene	2-metilpentano	1,2,4-trimetilbenzene
cicloesanone	2-etil-1-esanolo	3-metilpentano	n-undecano
clorobenzene	etil-ter-butiletere (ETBE)	metil-ter-butiletere (MTBE)	m-xilene
cloroformio	2-etossietanolo	2-metossietanolo	o-xilene
n-decano	2-etossietil acetato	2-metossietil acetato	p-xilene

Gas e vapori anestetici

N2O	etrano	sevorano
forano	alotano	desflurano

Fenoli

fenolo	p-cresolo	2,6-dimetilfenolo
m-cresolo	2,3-dimetilfenolo	3,4-dimetilfenolo
o-cresolo	2,5-dimetilfenolo	3,5-dimetilfenolo

Aldeidi

acetaldeide	formaldeide
acroleina	glutaraldeide
benzaldeide	isopentanale
butanale	pentanale
esanale	propanale

Acidi

acido acetico

acido cloridrico

acido fluoridrico

Idrogeno solforato

acido formico

Composti vari

ammoniaca

biossido di azoto

biossido di zolfo

ozono

Collegamenti esterni

• radiello, sito ufficiale
• come usare radiello, video tutorial su come eseguire un campionamento completo, su YouTube
• Istituti Clinici Scientifici Maugeri S.p.A. - SB, sito istituzionale
• radiello su Treccani.it, Enciclopedia Treccani

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• Inquinamento_atmosferico
• Misure nell'ambiente