Carbonio elementare, organico e black carbon
In relazione alla frazione carboniosa del particolato atmosferico non c’è pieno accordo sulla terminologia corretta da utilizzare nella definizione delle diverse componenti. In letteratura scientifica, le definizioni utilizzate fanno riferimento o a specifiche proprietà dei composti carboniosi o al metodo di misura utilizzato (definizione operativa).
L’elemental carbon (EC) può essere definito “formalmente” come una sostanza contenente solo carbonio, non legato ad altri elementi, e le sue diverse forme allotropiche. Operativamente è la frazione carboniosa di particolato termicamente stabile, in atmosfera inerte, fino a temperature superiori ai 3.500 °C e che può essere portato in fase gassosa per ossidazione a temperature superiori a 340 °C.
L’organic carbon (OC) comprende una vasto insieme di composti in cui il carbonio tetravalente è chimicamente legato con altri atomi di carbonio, con l’idrogeno e altri elementi quali, ad esempio, ossigeno, zolfo, azoto, fosforo, cloro, etc. Operativamente è la frazione carboniosa di particolato che evolve in atmosfera inerte a temperature inferiori ai 1.000 °C.
Il black carbon (BC) è definito come l'insieme delle particelle carboniose in grado di assorbire luce con lunghezza d'onda caratteristica nello spettro del visibile (380÷760 nm).
Le definizione di EC e BC fanno riferimento a differenti proprietà (rispettivamente termiche e ottiche), tuttavia, la frazione carboniosa del particolato che vanno a individuare è all'incirca la stessa: particelle di carbonio con microstruttura simile a quella della grafite e aggregate in piccole sfere con diametro indicativamente compreso tra 10 e 50 nm. Il composto risultante è refrattario con una temperatura di fusione sopra i 3.500 °C, è un forte agente riducente e reagisce violentemente con ossidanti e con molti altri composti. Risulta insolubile in solventi organici, in acqua e nei componenti del particolato atmosferico.
Si tratta di un inquinante primario emesso durante la combustione incompleta di combustibili fossili e della biomassa e può essere emesso da sorgenti naturali ed antropiche sotto forma di fuliggine.
In ambito urbano può essere assunto quale tracciante delle emissioni dei motori a combustione interna e della vasta gamma di specie chimiche (e di varia tossicità) da esso trasportate, compresi i composti organici quali gli IPA (Idrocarburi Policiclici Aromatici).
L’OC comprende molti composti con grandi differenze di volatilità; alcuni di questi si possono trovare sia in fase vapore che in quella di particella. È un inquinante in parte primario e in parte secondario. Le principali sorgenti di OC primario sono le combustioni naturali o antropogeniche di biomassa, le combustioni di combustibili fossili (industria, trasporti, etc.) e il materiale biologico. L’OC secondario si può formare in seguito a ossidazione fotochimica di precursori volatili (VOC).
Per approfondimenti in merito agli effetti sanitari degli inquinanti è possibile consultare il link seguente: https://www.regione.lombardia.it/wps/portal/istituzionale/HP/DettaglioRedazionale/servizi-e-informazioni/cittadini/salute-e-prevenzione/Sicurezza-negli-ambienti-di-vita-e-di-lavoro/inquinamento-atmosferico/inquinamento-atmosferico
L’attuale normativa non prevede limiti per questi inquinanti.
Corpo testo
Le proprietà del BC sono riportate in Tabella (tratta da A. Petzold et al., Recommendations for reporting 'black carbon' measurements, Atmospheric Chemistry and Physics, 13, 8365-8379).
| Properties defining Black Carbon | ||
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| Properties | Characteristics | |
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Microstructure |
graphitic-like structure containing a high fraction of sp2-bonded carbon atoms |
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Morphology |
aggregates consisting of small carbon spherules of less then 10 to approx. 50 nm in diameter |
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Thermal stability |
refractory material with a volatilization temperature near 4000K, gasification is possible only by oxidation which starts at temperatures above 340°C |
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Solubility |
insoluble in organic solvents, in water, and in the other components of the atmospheric aerosol |
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Light absorption |
uniformly absorbing in the spectral range of visible light with MAC (550 nm) >5 m2g-1 for freshly produced particles; characterized by a significant , non-zero and wavelength-independent imaginary part of the refractive index over the visible and near-visible spectral regions |
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Su queste caratteristiche si basano le diverse tecnologie utilizzate nella misura diretta e indiretta del BC. Le tecnologie maggiormente utilizzate misurano l'attenuazione della luce che attraversa il campione di particolato atmosferico raccolto su idoneo filtro. La misura dell'attenuazione viene convertita in concentrazione di massa di BC attraverso opportuni coefficienti di conversione. Poiché l'attenuazione della luce attraverso il particolato può dipendere non solo dalla presenza di particelle carboniose ma anche di particelle di natura diversa, più correttamente, si deve parlare di misure di BC equivalente.
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