Studio Nanoparticelle

Nanoparticelle nellatmosfera ed interazione con i materiali

lapidei.

Propriet ed applicazioni dei minerali alla nanoscala, GNM, Otranto Giugno 2004.

Franco Belosi

Istituto di Scienze del Clima e dellAtmosferaSezione territoriale di Lecce

Introduzione: Scala delle dimensioni geometriche

ISAC - Istituto Scienze dellAtmosfera e del Clima Otranto 2004ISAC - Istituto Scienze dellAtmosfera e del Clima Otranto 2004

Principali meccanismi:DiffusioneNucleazione

Forze esterne:Forze elettricheTermoforesi

Introduzione


CoagulazioneFormazione di aggregati dovuti alle collisioni fra particelle primarie in moto relativo le une con le altre


Condensazione

La condensazione la crescita delle particelle per apporto di vapore che condensando su di esse ne aumentano le dimensioni.

Esempio: la formazione della pioggia Su questo fenomeno si basa il principio di funzionamento

di uno strumento, Contatore di nuclei (CNC-CondensationNuclei Counter), che consente di contare le particelle ultrafini.


Condensazione: CNC

Impiegato per contare le particelle ultrafini: (limite inferiore circa 0.005 m);

Vapori di butanolo, a seguito di una forte espansione adiabatica, condensano sulle particelle ultrafini campionate;

In questo modo le particelle vengono rivelate da un fotomoltiplicatore che raccoglie la luce, proveniente da una sorgente luminosa collimata, di diffusa dalle particelle.


Moto browniano e diffusione

Nel 1827 il botanico inglese Robert Brown not che particelle di polline sospese nellacqua si muovevano in modo irregolare (zig zag).


Moto browniano e diffusione


Coefficiente di diffusione Il flusso netto di particelle J da zone a

concentrazione elevata verso zone a bassa concentrazione dato da:

x

NDJ

=

dove D rappresenta il coefficiente di diffusione delle particelle:

pdkTCDpi3

=k = cost. di BoltzmannT = temperatura (kelvin) = viscosit dellariadp = diametro delle particelleC = coeff. Di Cunningham


Confronto fra la deposizione per diffusione e per sedimentazione

Dalla tabella, ultima colonna, si osserva che per le particelle ultrafini la diffusione il meccanismo di deposizione pi rilevante.


Efficienza di rimozione

Lefficienza di rimozione delle particelle ultrafini elevata acausa del loro moto browniano che aumenta la probabilit, per moto casuale, di contatto con superfici dove poi si depositano.


Batteria a diffusione Utilizzata per classificare gli aerosol ultrafini in

base al loro coefficiente di diffusione (diametro geometrico)

Penetrazione delle particelle attraverso delle reticelle metalliche a spessori via via crescenti: le particelle pi piccole (elevati coefficienti di diffusione) vengono catturate nei primi stadi (costituiti da sottili spessori di reticelle).

Alluscita di ogni stadio vengono contate le particelle: un software di deconvoluzionericostruisce la distribuzione dimensionale dellaerosol.


Applicazione: Batteria a diffusione


Batteria a diffusioneIntervallo di separazione da circa 0.01 m a 0.2 m


Batteria a diffusione

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10n. po rte

05000

1000015000

200002500030000350004000045000

1 10 100 1000dimensione (nm)

Calibrazione batteria a diffusione con latex(particelle monodisperse): 0.08 mSi osserva un secondo picco a 0.02 m dovuto alla Frammentazione delle goccioline di acqua.


Forze esterne: ElettricheLe nanoparticelle si caricano elettricamente principalmente per diffusione.La frazione n di particelle con una carica e.s. data da:

n = 1 exp(-nio t)

frequenza delle collisioninio concentrazione degli ioni a grande distanza dalla particella


Forze esterne: Elettriche

Forza elettrostatica su una particella avente i cariche unitarie:

F = ieEForza elettrostatica equilibrata dalla forza di resistenza dellaria: moto a velocit costante v:

v = ieE/ff coefficiente di attrito di Stokes

f = 3dp/C viscosit dellaria

dp diametetro particellaC coefficiente di Cunningham


Applicazioni

Impattore inerziale: distribuzione dimensionale da 10 m a 0.03 m. Impiegato per la caratterizzazione delle particelle emesse dai motori a combustione (diesel).

Filtri elettrostatici. Strumenti per il campionamento e la caratterizzazione dimensionale

delle particelle (DMA Differential Mobility Analyzer).


IMPATTORE


Impattore


Filtro elettrostatico

Efficienza di caricamento

Come si vede dalla figura ci sono particelle che non caricandosi elettrostaticamente non possono venire catturate dai filtri elettrostatici.

Analizzatore differenziale di mobilit elettrica

Questo strumento consente di classificare, in base al diametro, le particelle nellintervallo da alcuni nanometri a circa 0.2 m. La classificazione avviene in tempo reale.


Termoforesi


TermoforesiConfronto fra le velocit di sedimentazione (VTS) e le velocit termoforetiche (VTH) a 20 oC.


TermoforesiAbbattimento di particelle ultrafini (inceneritori);Processi di condensazione/evaporazione (es. formazione del ghiaccio);Deposizione su superfici fredde (musei).


Ultrafini in atmosfera

Processi di formazione attraverso nucleazione (omogenea ed eterogenea) che determina un picco a circa 0.01 m;In termini di massa il contributo di tale picco trascurabile.


Ultrafini in atmosfera (ottenute con un CNC)


Tempo di residenza dellaerosol in atmosfera

Il tempo di residenza in atmosfera delle particelle ultrafini molto breve in quanto processi diffusivi e di coagulazione determinano la crescita dimensionale degli aerosol. Tuttavia in prossimit di superfici le velocit di deposizione per diffusione sono maggiori determinando il loro accumulo su tali superfici.


Nanoparticelle nelle aree urbane

Diverse ricerche hanno evidenziato la presenza di aerosol ultrafini dovuti al traffico (ad esempio i motori diesel emettono particelle con diametro nellintervallo 0.06 0.10 m). Tali particelle sono sia primarie che secondarie (formate da processi di nucleazione).

Formazione per nucleazione omogena di nuove particelle nellatmosfera urbana. Si ritiene che lattivit fotochimica giochi un ruolo fondametale nel processo (le concentrazioni maggiori di nanoparticelle sono registrate in corrispondenza di elevati valori di radiazione solare.


Nucleazione: esigenze di campionamento

Rilevazione di particelle con dimensioni di circa 0.003 m (CNC di ultima generazione);Tempo di risoluzione di circa 10 minuti per misure a terra;Risoluzione dimensionale (DMA);Elevata sensibilit (< 500 particelle/cm3) nelle aree remote (Antartide);Determinazione di concentrazioni elevate (> 105particelle/cm3) nelle aree continentali o marine.


Deposizione polmonare

Le particelle ultrafini presentano una elevata probabilit di depositarsi nelle vie respiratorie per diffusione browniana.


Effetti: Salute E accertato che le particelle ultrafini possono

essere responsabili delle alterazioni allapparato cardiovascolare.

Si ha deposizione nelle vie respiratorie per diffusione browniana.

La dose assorbita dipende dalla concentrazione delle particelle, dalla loro composizione (es: quarzo), e dalla loro superficie.


EFFETTI DELLA DEPOSIZIONE DEL PARTICOLATO ATMOSFERICO SUL

PATRIMONIO COSTRUITO(C. Sabbioni)

EFFETTI DELLA DEPOSIZIONE DEL PARTICOLATO ATMOSFERICO SUL

PATRIMONIO COSTRUITO(C. Sabbioni)

ANNERIMENTO PATINE NEREANNERIMENTO PATINE NEREIstituto di Scienze dellAtmosfera e del Clima (ISAC), CNR

PATINE NEREPATINE NERE

STATO DELLARTESTATO DELLARTE

Istituto di Scienze dellAtmosfera e del Clima (ISAC), CNR

EFFETTI SINERGICI Deposizione di NO2 e O3

puo ossidare lSO2 e accelerare il degrado di metalli e lapidei

Deposizione di particolato contente metalli (Fe, Mn) favorisce lossidazione di SO2producendo degrado su molti materiali

Reazioni fotochimiche in particolare di composti organici (IPA)

SO2

PROGETTO BATTISTEROCNR - ISAC

EFFETTI DEL PARTICOLATO SULLE SUPERFICI

Soiling Annerimento Trasformazioni

chimiche Cristallizzazione

sali Biodegrado

PROGETTO BATTISTEROCNR - ISAC

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# Istituto di Scienze dellAtmosfera e del Clima (ISAC), CNR

La metodologia analitica messa a punto dimostra di essere uno strumento efficace nella speciazione e discriminazionedelle componenti carboniose negli strati di degrado

CO e CE sono le principali componenti dovute alla deposizione di particolato atmosferico sul patrimonio costruito e monumentale

I dati di aerosol atmosferico hanno dimostrato che la principale sorgente di particelle carboniose il traffico veicolare. Le emissioni da traffico sono in aumento

Istituto di Scienze dellAtmosfera e del Clima (ISAC), CNR MILANO, Maggio 2004

Bibliografia

Generale

Willeke K., P. A. Baron, Aerosol Measurement, Van Nostrand Reinhold, 1993. Sheldon K. Friedlander, Smoke, Dust, Haze, Oxford University Press, 2000.

Specifica sulle nanoparticelle nelle atmosfere urbane

Charron A., Harrison R.M., Primary particle formation from vehicle emissions during exhaust diluition in the roadside atmosphere, Atmospheric Environment, 37 (2003), 4109-4119.

Ji Pinh Shi, D.E. Evans, A.A., Khan, R. M. Harrison, Sources and concentration of nanoparticles (

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