Parametri di qualità

1. Parametri di qualità Claudio Lubello

2. Caratteristichegenerali La qualità di un mezzo (acqua, aria e suolo) si definisce attraverso una serie di parametri che possono essere classificati in 3 principali categorie: • Chimici • Fisici • Microbiologici

3. Parametri chimici • Esprimono la concentrazione delle sostanze nel mezzo • considerato, a partire dagli ioni più comuni fino alle più • complesse sostanze organiche. I parametri chimici possono essere suddivisi in due grandi categorie: INORGANICI e ORGANICI.

4. Modi di esprimere la concentrazione Concentrazione di massa: peso/volume………..es. mg/l peso/peso……………ppm volume/volume………ppmV ppm = parti per milione ppb = parti per miliardo Molarità: numero di moli/l numero di moli = peso (gr)/peso molecolare Peso Equivalente: basato sulla carica ionica Peso molecolare/carica ionica basato sulle reazioni acido-base Peso molecolare/n H+ o (n OH-) basato sulle reazioni red-ox Peso molecolare/n e- scambiati Normalità: numero di equivalenti/l

5. Pressione parziale In caso di miscugli di gas, come l’atmosfera, la pressione totale può essere espressa come somma delle pressioni parziali. La pressione parziale è pari a quella che avrebbe la singola componente se fossero eliminate tutte le altre. Si ricordi che per la Legge dei gas Perfetti fissata la temperatura ed il volume la pressione è direttamente proporzionale al numero di moli, pertanto la pressione parziale è pari alla frazione molare (o alla frazione di volume, come visto). Pertanto in aria, in condizioni standard, la pressione parziale dell’ossigeno è pari a 0.21 atm.

6. Composti organici

7. Tensioattivi

8. Struttura dei tensioattivi Sono costituiti da molecole composte da un gruppo lipofilo (affine quindi alle sostanze grasse) combinato con un gruppo fortemente idrofilo (affine quindi a sostanze polari come l’acqua). In genere il gruppo idrofobo è rappresentato da un radicale idrocarburico (R).

9. Meccanismo di azione Per questa ragione si orientano sull’interfaccia aria-acqua o grasso-acqua provocando una diminuzione della tensione superficiale: bagnano prontamente le superfici, rimuovono lo sporco, penetrano nei materiali porosi, disperdono le particelle solide, emulsionano oli, grassi e producono schiuma per agitazione. Per queste proprietà sono largamente utilizzati come detergenti.

10. Meccanismo di azione L’azione del tensioattivo permettere di ridurre la tensione superficiale e quindi l’angolo di contatto acqua-superficie

11. Tensioattivi di sintesi I primi prodotti di sintesi erano caratterizzati da bassa biodegradabilità, l’introduzione di molecole più semplici a catena lineare (LAS= alchilbenzeni solfonati linerari) ha ridotto questo problema. Si tratta di un’ampia classe di sostanze che possono essere suddivisi in cationici, anionici (denominati anche MBAS) e non ionici (denominati anche BiAS), a seconda della carica assunta in acqua dalla parte attiva della molecola. La loro presenza è causa di problemi di ordine tecnico, perché creano difficoltà alla sedimentazione ed agli scambi gassosi all’interfaccia liquido gas, ed organolettico in quanto a basse concentrazioni (0.2 ppm) producono sapori sgradevoli. Alcuni additivi dei detergenti commerciali sono implicati in problemi ambientali (p.es. polifosfati). Composti della biodegradazione di alcuni tensioattivi non ionici (alchilfenoli etossilati) possono essere fortemente tossici (p.es. nonilfenolo). Usati nell’industria dei pesticidi possono avere un effetto sinergico per la tossicità di questi ultimi che possono penetrare più facilmente.

12. Pesticidi

13. Pesticidi: insetticidi ed erbicidi Sostanze utilizzate allo scopo di distruggere, reprimere o comunque controllare la crescita di insetti, roditori, piante, malerbe o altre forme di vita indesiderate. I comuni pesticidi possono essere classificati in tre gruppi: Pesticidi inorganici, pesticidi organici naturali e pesticidi organici sintetici. Per quanto attiene gli insetticidi attualmente vengono utilizzati principalmente quelli organici sintetici: insetticidi organoclorurati, insetticidi organofosforati e insetticidi carbammati. I pesticidi organoclorurati (p.es. DDT), soprattutto sotto forma di insetticidi, furono introdotti fra gli anni 1940-1950. Gli effetti ambientali sono risultati molto gravi (bassa biodegradabilità, bassa solubilità in acqua, elevata solubilità nelle sostanze organiche, persistenza ambientale e bioaccumulo). Gli erbicidi più frequentemente utilizzati sono quelli organici.

14. Idrocarburi

15. Idrocarburi Gli idrocarburi sono composti organici, che contengono soltanto atomi di carbonio e di idrogeno. Gli atomi di carbonio (C) sono legati tra loro a formare lo scheletro della molecola, mentre gli idrogeni (H) sporgono da questo scheletro.

16. Solubilità in acqua Sono sostanze apolari poco solubili in acqua, e rientrano, pertanto, fra le sostanze dette NAPL: Non Aqueous Phase Liquid DNAPL Più dense dell’acqua LNAPL Meno dense dell’acqua

17. Oli minerali Sono tutti i derivati del petrolio (nafta, lubrificanti,…). Possono ritrovarsi in acque superficiali (perdite). Non presentano elevata tossicità (a meno che non siano presenti additivi). Conferiscono sapore e odore sgradevole.

18. Benzene Il benzene è un idrocarburo aromatico strutturato, come molecola planare, ad anello esagonale ed è costituito da 6 atomi di carbonio e 6 atomi di idrogeno (formula C6H6). Rappresenta la sostanza aromatica con la struttura molecolare più semplice e per questo lo si può definire il composto-base della classe degli idrocarburi aromatici.Il benzene a temperatura ambiente si presenta come un liquido incolore che evapora all’aria molto velocemente. E' caratterizzato da un odore pungente e dolciastro che la maggior parte delle persone può già percepire alla concentrazione di 1,5-4,7 ppm (nell’acqua, dove si dissolve piuttosto lentamente, il sapore inizia a sentirsi a 0,5-4,5 ppm). E’ un composto cancerogeno.

19. Utilizzo del Benzene Prima di essere riconosciuto come cancerogeno, trovava largo impiego come additivo anti-detonante nella cosiddetta “benzina verde” in sostituzione del piombo tetraetile. Ora il suo impiego è fortemente ridotto per le stringenti normative sui carburanti. Viene inoltre usato nella produzione del napalm. È un importante solvente nonché un reattivo basilare nella sintesi di numerosi composti, farmaci, materie plastiche, gomme sintetiche, polimeri, coloranti. Si trova in natura nel petrolio greggio, ma in genere viene sintetizzato partendo da altri composti ottenuti dal petrolio.

20. Sottoprodotti e Prodotti di sintesi

21. Idrocarburi policiclici aromatici (IPA) Simili al benzene sono costituiti da numerosi anelli uniti fra loro attraverso una coppia di atomi di carbonio. I più importanti sono il naftalene, l’antracene ed il fenantrene. Tali composti sono presenti come contaminanti in diversi tipi di aree industriali (raffinerie, cockerie). Alcuni sono usati nella preparazione dei coloranti. Possono essere prodotti da processi incompleti di combustione, in particolare del legno e del carbone. Nelle acque sono adsorbiti dai sedimenti o assimilati dai mitili.

22. PCB I policlorobifenili (PCB) sono una serie di composti largamente impiegati a livello industriale come plasticizzanti, deinchiostranti e come fluidi refrigeranti nelle apparecchiature elettriche (trasformatori e condensatori). Chimicamente i bifenili si formano dal benzene ad alta temperatura. Dal punto di vista ambientale presentano un comportamento simile a quello degli insetticidi organoclorurati. Tali composti sono oggi molto diffusi in ambiente a causa del largo uso che ne è stato fatto a partire dagli anni ’50.

23. Le diossine sono una classe di composti organici aromaticiclorurati la cui struttura consiste di due anelli benzenici legati da due atomi di ossigeno e con legati uno o più atomi di cloro.Formula di struttura delle diossine Diossine

24. Nella terminologia corrente iltermine diossina è spesso usato come sinonimo di TCDDo 2,3,7,8-tetracloro-dibenzo-p-diossina (figura 2): in realtà si conoscono 210 tipi diversi tra diossine (73 tipi) e furani, strettamente correlati per caratteristiche e tossicità (figure 3, 4). Le fonti di diossine possono essere diverse: incenerimento di legname trattato con fungicidi a base di clorofenoli, uso di sbiancanti a base di cloro nell’industria cartaria, impianti di incenerimento di rifiuti solidi (senza camera di post-combustione). La diossina, altamente lipofila, tende a bioaccumularsi nella catena alimentare.

25. Furani • Un forte riscaldamento dei PCB in presenza di ossigeno porta alla formazione di dibenzofurani, composti strutturalmente simili alle diossine. Come la diossina i furani si formano in numerosi processi industriali, in particolare nella produzione della carta e nell’incenerimento dei rifiuti solidi urbani.

26. Fenoli Sono i composti derivati dal fenolo. Utilizzati come intermedi chimici in un ampio numero di processi industriali. Possono essere formati da processi di degradazione microbica di altri composti organici. La loro presenza in acque è quasi certamente di origine antropica. composti fenolici, sono caratterizzati da elevata tossicità nei confronti delle specie animali.

27. Solventi

28. Si tratta di una classe che comprende un numero estremamente elevato di composti naturali e, spesso, di sintesi di varia natura. Si tratta solitamente di composti poco biodegradabili e molto tossici già a concentrazioni molto basse (g/l). Molti di questi sono cancerogeni. I più pericolosi sono quelli caratterizzati da notevole volatilità.

29. Quali sono i composti definibili come solventi • gli idrocarburi aromatici (benzene, toluene, xilene, stirene, cumene) • - gli idrocarburi alifatici ed aliciclici (petrolio, benzina, nafta solvente) • - gli idrocarburi alogenati a) bromosostituiti (bromuro di metile) b) iodio-sostituiti (iodoformio e ioduro di metile) c) fluorosostituiti (fluoroalcani o freon e fluoroalcheni) d) clorurati (Alifatici: cloruro di metile e di etile, diclorometano, tetracloruro di carbonio, cloroformio, monocloroetano, dicloroetano, tricloroetano e tetracloroetano, monocloroetilene, dicloroetilene, tricloroetilene e tetracloroetilene. Aromatici: monoclorobenzene e diclorobenzene) • - gli alcoli (metilico, etilico, isopropilico, isobutilico) • - i chetoni (acetone, metiletilchetone, metilisobutilchetone, cicloesanone, metilcicloesanone) • - gli esteri (acetati, lattati, formiati, ftalati, dimetilsolfati) • - le aldeidi (acetaldeide, glutaraldeide) • - gli eteri (etere etilico) • - i glicoli e derivati (glicole etilenico, propilenglicole, metilcellosolve, diossano) • - il disolfuro di carbonio.

30. Solventi clorurati • I solventi clorurati sono composti derivati dagli idrocarburi alifatici o dagli idrocarburi ciclici, nei quali uno o più atomi di idrogeno sono sostituiti da altrettanti atomi di cloro. • Si tratta di sostanze dotate, nella massima parte, di un ottimo potere solvente, propellente, refrigerante e di scarsa infiammabilità. • Per le loro caratteristiche trovano largo impiego nell'industria chimica, tessile, della gomma, delle materie plastiche, degli estintori di incendio, dei liquidi refrigeranti, nelle operazioni di sgrassaggio e pulitura di metalli, pelli e tessuti.

31. Composti organici di recente interesse

32. Negli ultimi anni si è iniziato a valutare il possibile impatto inquinante causato da altri composti organici, di largo consumo, presenti solitamente in concentrazione molto basse: • Antibiotici ad uso umano ed animale; • Farmaci; • Ormoni.

33. Principali parametri caratteristici delle acque

34. BOD-COD e TOC • Il contenuto complessivo di sostanze organiche nelle acque viene espresso attraverso appositi parametri: • BOD - COD - TOC

35. Parametri chimici - Organici • BOD: acronimo di ‘Biochemical Oxygen Demand’. • Esprime la quantità di ossigeno necessaria ad ossidare biologicamente le sostanze • organiche contenute nell’acqua. Il BOD NON E’ UN COMPOSTO INQUINANTE! • Materia organica + batteri + O2 nuovi batteri + CO2 + H2O • Viene determinato secondo una metodica di analisi standardizzata. • Il parametro si misura in mg O2/l. • frazione carboniosa e azotata • possibili errori di interpretazione (esempio tossicità); • il valore del BOD dipende anche dal tipo di sostanze presenti (difficile il • confronto tra acque diverse); • determinazione lunga; • importanza della temperatura.

36. Parametri chimici - Organici Andamento del BOD nel tempo Di solito ci si riferisce al BOD5 : quantitativo di ossigeno consumato in 5 giorni alla temperatura costante di 20 °C.

37. Parametri chimici - Organici

38. Parametri chimici - Organici • COD: acronimo di ‘Chemical Oxygen Demand’. • Esprime la quantità di ossigeno necessaria ad ossidare chimicamente le sostanze • ossidabili contenute nell’acqua. Il COD NON E’ UN COMPOSTO INQUINANTE! • CxHyOz + Cr2O7-- (x+3) CO3-- + (y/2) H2O + 2 Cr3+ • Viene determinato secondo una metodica di analisi standardizzata (titolando • l’eccesso di cromo o per via spettrofotometrica). • Il parametro si misura in mg O2/l. • per una certa acqua il COD è sempre maggiore del BOD; • si elimina il problema della tossicità; • le sostanze organiche non ossidate sono solamente quelle molto refrattarie; • determinazione breve (2 ore); • la reazione di ossidazione viene fatta avvenire a 150 °C.

39. Parametri chimici - Organici Aggiunta di un volume noto di campione ad una provetta contenente i reagenti. La provetta è messa per 2 ore in una piastra che mantiene la T a 150 °C. In seguito alle reazioni di ossidazione la soluzione si colora di giallo. Al termine si misura per via spettrofotometrica l’intensità della colorazione sviluppata e si ricava il valore del COD in mgO2/l.

40. Parametri chimici - Organici • TOC: acronimo di ‘Total Organic Carbon’. • Esprime la quantità totale di sostanze organiche contenute nell’acqua. • Il TOC NON E’ UN COMPOSTO INQUINANTE però da una misura globale • dell’inquinamento organico! • Reazione di combustione: Sostanza organica + O2 CO2 • Viene determinato misurando la CO2 che si forma dalla combustione delle sostanze • organiche. Le sostanze inorganiche non bruciano. • Il parametro si misura in mg di Carbonio Organico/l. • Vengono determinate tutte e sole le sostanze organiche; • per una certa acqua il TOC è sempre maggiore del BOD; • si elimina il problema della tossicità; • determinazione breve; • determinazione molto costosa; non viene effettuata di routine come le precedenti.

41. Parametri chimici - Inorganici • Fondamentali: sodio (Na+), potassio (K+), calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+), • cloruri (Cl-), solfati (SO42-) silice (SiO2). Sono detti fondamentali perché • derivano dalla solubilizzazione dei sali delle rocce e del terreno. Altri: Carbonato (CO32-) Bicarbonato (HCO3-), Nitrati (NO3-), Nitriti (NO2-), Ammonio (NH4+), Fosforo (in pratica PO43-), Ferro (Fe2+/3+), Manganese (Mn2+). Elementi in traccia. Con questo termine vengono definiti gli elementi contenuti nelle acque in quantità generalmente modesta che presentano un comportamento analogo. Boro (B), cromo (Cr), cadmio (Cd), rame (Cu), nichel (Ni), piombo (Pb), zinco (Zn), alluminio (Al), molibdeno (Mo), Vanadio (V), arsenico (As), mercurio (Hg). Molti di questi sono definiti metalli pesanti a causa della loro densità (>5 gr/cm3). Alcuni di questi risultano tossici.

42. Parametri chimici - Inorganici Ossigeno disciolto. È un parametro di fondamentale importanza per la salute dei corpi idrici in quanto è legato alla vita degli organismi superiori presenti in acqua. Si misura solitamente per mezzo di apposite sonde (OSSIMETRI) potenziometriche (si sfruttano i potenziali di reazioni red-ox) e si esprime in mg O2/l. La concentrazione a saturazione dell’ossigeno nell’acqua varia con la T: i valori sono compresi tra 14 e 7,6 mg/l per T di 0 e 30 °C.

43. Parametri chimici derivati • Sono quei parametri che non misurano direttamente la concentrazione di una o più • specie ma ne derivano in modo diretto. pH. E’ definito come il cologaritmo della concentrazione idrogenionica in soluzione: pH = - log [H+]. • E’ un parametro fondamentale perché: • regola tutti gli equilibri chimici in soluzione; • regola le reazioni biologiche; • determina le specie chimiche che si trovano in soluzione. Ha un campo di variazione tra 0 e 14 e si esprime in unità di pH: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Ambiente acido Ambiente basico Neutralità

44. Parametri chimici derivati Si misura in modo veloce utilizzando una coppia di elettrodi (elettrodo di riferimento e elettrodo a idrogeno).

45. Parametri chimici derivati Alcalinità. E’ definita come la capacità di neutralizzare le specie acide ed è dovuta alla presenza di ioni carbonato CO3--, ioni bicarbonato HCO3- e ioni ossidrili OH-. Si determina per titolazione e si esprime in mg CaCO3 /l o in meq CaCO3 /l. Un’acqua con elevata alcalinità riuscirà a tamponare le variazioni di pH conseguenti all’aggiunta di acidi.

46. Parametri chimici derivati DUREZZA: somma delle concentrazioni dei cationi metallici (no alcalini e idrogeno). In pratica è data dalla concentrazione degli ioni Calcio e Magnesio. Si determina per titolazione dei due cationi o anche diretta. Durezza (°F) = Ca++ (mg/l)/4 + Mg++ (mg/l)/2,43 La durezza si esprime in GRADI FRANCESI (°F) o in mg/l CaCO3 (1 °F=10 mg/l CaCO3 ). In base alla durezza le acque si definiscono: Tendenza delle acque dure a causare incrostazioni in seguito alla formazione di precipitati (carbonato di calcio CaCO3 e idrossido di magnesio Mg(OH)2). 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Dolci Medie Dure Molto dure

47. Parametri fisici • TEMPERATURA. • Influenza le reazioni chimiche; • Influenza le reazioni biologiche. • Influenza la solubilità dei gas (OSSIGENO). • Si misura con i termometri. Si esprime in °C.

48. Parametri fisici Conducibilità. Rappresenta la capacità di una soluzione di condurre corrente elettrica. Il passaggio di corrente attraverso una soluzione richiede la presenza di ioni per cui la conducibilità rappresenta una misura indiretta del contenuto salino. Si parla di conducibilità specifica o conduttanza nel caso della conducibilità di un volume unitario di soluzione. Si misura mediante apparecchi detti conduttimetri e si esprime solitamente in S/cm . E’ un parametro dipendente dalla Temperatura: all’aumentare della temperatura aumenta la conducibilità. Di norma si misura alla T di 25°C altrimenti è bene riportare il valore a cui è fatta la misura. RESIDUO FISSO. La conducibilità è legata al contenuto di solidi disciolti totali (TDS) che si esprime di fatto con il RESIDUO FISSO: tutto ciò che rimane dopo aver fatto evaporare un volume noto di acqua e riscaldato il tutto a 180°C. Approssimativamente si ha: TDS (mg/l) = 0,64 · ECw (S/cm)

49. Parametri fisici Strumento per misure on-line Portatile

50. Parametri fisici TORBIDITA’. E’ dovuta alla presenza di sostanze in sospensione spesso di dimensioni molto ridotte (classificazione solidi).