Appendice XI
(allegato VI)
Metodo di riferimento per il campionamento e l'analisi della
deposizione del mercurio
1 Campionamento delle Deposizioni atmosferiche
1.1 Campionatori e materiali
Il campionamento delle deposizioni atmosferiche per la determinazione
del mercurio viene effettuato mediante l'utilizzo di particolari
campionatori. I materiali utilizzati (imbuti e bottiglie di raccolta
) per il campionamento del mercurio devono essere di vetro
borosilicato, di Teflon o PFA.
I campionatori utilizzati possono essere di due tipi:
a) Campionatori tipo "wet only" che campionano solo quando un evento
di deposizioni atmosferiche "wet" e' in atto e sono quelli piu'
comunemente usati poiche' evitano la deposizione di particelle in
assenza di deposizioni atmosferiche di tipo "wet ".
b) Campionatori tipo "bulk" dove l'imbuto di raccolta rimane sempre
aperto.
I campionatori devono essere in grado di campionare e conservare il
campione durante tutte le stagioni e in tutte le condizioni
climatiche. Pertanto devono essere provvisti di un sistema di
termoregolazione della temperatura in modo tale da riscaldare durante
l'inverno per fondere la neve e prevenire la formazione di ghiaccio
nell'imbuto e nelle bottiglie, e raffreddare durante l'estate per
prevenire l'evaporazione del campione. Per periodi di campionamento
lunghi e' necessario favorire la diffusione di mercurio elementare
(Hg0 ) dal campione di deposizioni atmosferiche raccolto, dal momento
che il mercurio elementare potrebbe subire l'ossidazione a forme
solubili in acqua e quindi contribuire all'aumento della
concentrazione di mercurio presente nel campione raccolto. Questo e'
possibile usando un tubo capillare tra l'imbuto e la bottiglia. E'
anche necessario schermare il campione raccolto nella bottiglia dalla
luce per evitare reazioni fotochimiche indotte che alterino la
concentrazioni di mercurio presente nel campione di deposizioni
atmosferiche.
1.2 Procedura di Campionamento
La procedura descritta di seguito e' quella seguita utilizzando il
campionatore rappresentato in Figura 1. Per altre tipologie di
campionatori puo' essere adottata la stessa procedura.
Parte di provvedimento in formato grafico
Figura 1 - Schema del campionatore tipo Bulk.
Tutto il materiale occorrente per il campionamento deve essere
maneggiato con cura ed attenzione sia durante il trasporto che
durante la fase di conservazione dei campioni. Le bottiglie
utilizzate per il campionamento devono sempre essere poste in doppia
busta, chiuse ermeticamente e maneggiate solo ed esclusivamente
usando guanti sterili da laboratorio per evitare problemi di
contaminazione dei campioni. Prima di utilizzare le bottiglie per il
campionamento, addizionare HCl ultrapuro 0.5% v/v nel caso si prevede
un campionamento mensile. In alternativa, per periodi di
campionamento inferiori a 2 settimane, si addiziona al campione
raccolto HCl ultrapuro 1% v/v.
Per controllare ulteriori problemi di contaminazione (i.e., insetti,
materiale organico) durante il campionamento si raccomanda l'utilizzo
in parallelo di due o tre campionatori. In tal modo, infatti, i
campioni contaminati possono essere facilmente individuati e di
conseguenza i risultati analitici eliminati.
1.3 Conservazione del campione
I Campioni delle deposizioni atmosferiche contengono basse quantita'
di elementi in tracce e quindi vanno manipolati con estrema cura per
evitare contaminazioni dei campioni stessi. I campioni prelevati
vanno stabilizzati, subito dopo il prelievo, con l'aggiunta di HCl
ultrapuro 1% v/v, successivamente sigillati in sacchetti di
polietilene e conservati in frigorifero a +4 °C. L'analisi puo'
essere effettuata al massimo entro sei mesi.
1.4 Procedura di lavaggio
Tutto il materiale occorrente sia per il campionamento che per
l'analisi (tubi in teflon, raccordi, tappi, contenitori ecc.) deve
essere pulito in modo da evitare tutte le possibili contaminazioni
indirette, secondo la seguente procedura:
- Il materiale occorrente va prima di tutto sciacquato con acetone,
poi con acqua calda ed infine con detergente diluito specifico per
l'analisi in tracce. Si risciacqua abbondantemente, piu' volte, con
acqua deionizzata.
- Sotto cappa si predispone una bacinella in polietilene munita di
coperchio contenente HCl 3M (preparato con HCl ultra puro e acqua
Milli-Q) immersa in un bagno ad acqua e termostato e si immerge tutto
il materiale trattato in precedenza ad una temperatura di 80°C per 6
ore.
- Dopo 6 ore, si rimuove la bacinella dal bagno termostatico e si fa
raffreddare a temperatura ambiente.
- In una seconda bacinella munita di coperchio contenente HNO3 0.56 M
(preparato con HNO3 ultra puro e acqua Milli-Q) viene trasferito
tutto il materiale trattato in precedenza con la soluzione di Acido
Cloridrico e si lascia il tutto immerso per 72 ore a temperatura
ambiente. Trascorse le 72 ore si risciacqua il tutto con acqua
Milli-Q e si asciuga usando Aria ultra pura esente da mercurio3 .
- Tutto il materiale, pronto all'uso, viene riposto in triplice busta
di polietilene con chiusura a Zip.
1.5 Controllo di Qualita'
Tutti gli operatori devono essere istruiti al fine di seguire
esattamente le procedure che eliminano e/o minimizzano tutte le
possibili contaminazioni dei campioni.
Il duplice campionamento e' vivamente consigliato per poter
quantificare la precisione del metodo.
2 Principio del metodo
Il presente metodo viene utilizzato per la determinazione del
mercurio totale nelle deposizioni atmosferiche. Il mercurio presente
nelle sue varie forme, viene ossidato a mercurio divalente (Hg2+ )
per aggiunta al campione di Bromo mono-Cloruro (BrCl). Dopo 12 ore il
BrCl viene neutralizzato con una soluzione di Idrossilammina
Idroclururo (NH2 OH* HCl). Tutto il mercurio divalente (Hg2+ ) viene
ridotto a mercurio elementare (Hg0 ) per addizione al campione di
Stagno Cloruro (SnCl2 ).
Mediante la tecnica purge and trap con Azoto o Argon 5.0 i vapori di
mercurio elementare vengono preconcentrati (secondo il principio
dell'amalgama con l'oro) su una trappola contenente quarzo ricoperto
di oro. Successivamente, per desorbimento termico della trappola
(campione), i vapori di mercurio vengono trasportati nella linea
analitica da un flusso di Argon (carrier gas) e amalgamati nuovamente
su una seconda trappola (analitica). Si procede successivamente al
desorbimento termico di quest'ultima ed il mercurio trasportato dal
carrier nella cella di misura viene rilevato mediante fluorescenza
atomica CVAFS (Cold-Vapor-Atomic-Fluorescence-Spectrometry).
L'Azoto o l'Argon utilizzato per il purge and trap del campione deve
essere di elevato grado di purezza ed eventuali tracce di mercurio
presenti devono essere eliminate mediante una trappola d'oro
(Trappola filtro) inserita sulla linea del gas prima dell'ingresso
nel gorgogliatore.
3 Campo di applicazione
Questo metodo consente la determinazione del mercurio totale nelle
deposizioni atmosferiche nell'intervallo di concentrazione 0.04 - 100
ng/L. Per concentrazioni superiori a 100 ng/L e' possibile rientrare
nell'intervallo indicato ricorrendo alla diluizione del campione.
4 Materiale e Apparecchiature
- Rivelatore a fluorescenza atomica munito di mass flow controller
per il gas (CVFAS)
- Mass Flow Controller (necessario nel caso in cui il rivelatore
CVFAS non ne sia provvisto)
- Integratore o sistema equivalente di acquisizione segnale dal CVFAS
- Cappa a Flusso Laminare di Classe 100
- Argon 5.0
- Azoto 5.0
- Bilancia analitica precisione 0.1 g.
- Sistema di calibrazione costituito da: bagno termostatico ad acqua,
termometro, ampolla di vetro per mercurio metallico, siringa gas
tight
- Flussimetro a sfera regolabile a 300-500 cc/min.
- Flussimetro a sfera regolabile a 30-40 cc/min
- Gorgogliatori in vetro borosilicato
- Tubi in Teflon da ¼" e 1/8"
- Tubi in Teflon da 3/8" per la preparazione delle trappole di Soda
Lime
- Raccordi per tubi in teflon con attacco da 3/8" a ¼"
- Pompa di campionamento a basso flusso
- Trappole in quarzo
- Quarzo ricoperto d'oro
- Trappola di Soda Lime
- Guanti Anti-Statici
- Pinzette Anti-Statiche
- Occhiali,Cuffie e Camici
- Resistenze Ni-Cr
- Ventole di raffreddamento
- Contenitori in polietilene
- Bacinelle in teflon da 20 L con coperchio per procedura di lavaggio
"acid clean"
- Rubinetto in Teflon
- Gorgogliatore per purge and trap da 100 ml
- Bottiglie in Teflon da 50, 100, 250, 500, 1000 ml
- Termometro digitale con sonda di temperatura > 500 °C
5 Reattivi
Tutti i reattivi, l'acqua utilizzata per il lavaggio della vetreria e
dei materiali utilizzati per la preparazione delle soluzioni devono
essere ad elevato grado di purezza.
Tutti i reagenti devono riportare: numero di lotto, data e procedura
di preparazione.
Un Bianco reagenti deve essere effettuato per ogni reagente
preparato.
5.1 Acido Cloridrico
Viene impiegato Acido Cloridrico concentrato (d=1.40) di grado
ultrapuro.
5.2 Acido Nitrico
Viene impiegato Acido Nitrico di grado ultrapuro.
5.3 Acetone
Viene impiegato Acetone di grado ACS.
5.4 Acqua Milli-Q
Acqua Deionizzata con una conducibilita' di 18 MΩ/cm, preparata da un
sistema ad Osmosi-Inversa. Viene utilizzata per la preparazione di
tutti i reagenti e per il risciacquo di tutta la vetreria e materiali
utilizzati per l'analisi e il campionamento.
5.5 IdrossilAmmina Cloridrato
Si sciolgono 30 gr di NH2 OH.HCl in acqua Milli-Q per arrivare al
volume finale di 100 ml in un matraccio. Questa Soluzione viene
purificata tramite l'aggiunta di 0,5 ml di SnCl2 e lasciata
gorgogliare per 12 ore con Azoto (esente da mercurio). La soluzione
preparata deve essere conservata in una bottiglia scura di Teflon in
frigorifero per un massimo di trenta giorni, allo scadere dei quali
deve essere preparata nuovamente.
5.6 Bromo MonoCloruro
10.8 gr di Potassio Bromuro (KBr) vengono sciolti in 1 L di HCl Conc.
di grado ultrapuro agitando la soluzione tramite un piccolo magnete
rivestito in Teflon. Quando tutto il KBr e' disciolto si aggiungono
15.2 gr. di Potassio Bromato (KBrO3 )4 . Questo processo porta alla
formazione di Bromo e Cloro gassosi, pertanto tutto il trattamento
deve essere effettuato rigorosamente sotto cappa chimica. Dopo
l'aggiunta del sale, la soluzione deve raggiungere una colorazione
giallo scuro. La soluzione di BrCl preparata deve esser conservata a
temperatura ambiente sotto cappa. Tale soluzione deve essere
preparata nuovamente ogni mese. Prima dell'addizione della quantita'
opportuna ai campioni da analizzare, deve essere effettuato un bianco
della soluzione stessa come di seguito riportato nella procedura
"bianco dei reattivi".
5.7 Cloruro Stannoso
In un matraccio da 100 ml si solubilizzano 20 gr di SnCl2 con circa
70 ml di acqua Milli-Q; si aggiungono alla soluzione 10 ml di HCl
Conc. di grado ultrapuro e si porta a volume con acqua Milli-Q. Per
eliminare dalla soluzione eventuali tracce di mercurio si lascia
passare all'interno della stessa un flusso di Azoto (esente da
mercurio) a 300-400 cc/min per una notte. La soluzione preparata
viene conservata in frigorifero a + 4 °C in una bottiglia di Teflon
scura per un massimo di trenta giorni allo scadere dei quali la
soluzione deve essere preparata nuovamente.
5.8 Soluzione Madre di mercurio
La soluzione Madre di mercurio e' una soluzione standard (1000 mg/l
in HNO3 ).
5.9 Standard Secondario (100ng Hg/ml)
Lo Standard Secondario si ottiene trasferendo 100 μL della soluzione
madre (1mg/ml in HNO3 ) dentro un matraccio da 1L cui si aggiungono 5
ml di BrCl conc., si porta a volume con acqua Milli-Q e si agita
vigorosamente. La soluzione e' stabile per piu' di un anno.
5.10 Standard di Lavoro ( 2ng Hg/ml)
Lo Standard di Lavoro viene preparato prelevando 2 ml di Standard
Secondario successivamente trasferiti in un matraccio da 100 ml, con
l'aggiunta di 1ml di BrCl e portando a volume con acqua Milli-Q. Lo
Standard di Lavoro deve essere preparato ogni trenta giorni.
5.11 Lana di quarzo
Viene utilizzata per la preparazione delle trappole campione,
trappole analitiche e trappole soda Lime. Prima dell'uso viene
riposta in muffola a 500 °C per due/tre ore al fine di eliminare
eventuali tracce di mercurio presenti all'interno della stessa, si
lascia raffreddare in essiccatore contenente gel di silice e carbone
attivo e si conserva il buste di polietilene con chiusura a zip.
5.12 Soda Lime (Calce Sodata)
La Trappola Soda Lime viene utilizzata per adsorbire l'umidita' e gli
alogeni nella fase di Purge and Trap del mercurio dal campione,
poiche' la presenza di umidita' e/o alogeni riduce l'efficienza delle
trappole e, quindi, l'affidabilita' delle stesse.
La Trappola di Soda Lime puo' essere realizzata con un tubo di teflon
della lunghezza di 10 cm e del diametro esterno di 3/8" con alle due
estremita' due raccordi in teflon da 3/8" a ¼" . L'impaccamento della
trappola viene eseguito nel seguente modo: ad una delle due
estremita' avvitare il raccordo in teflon, inserire dalla parte
opposta uno strato di circa 1 cm di lana di quarzo, riempire il tubo
con la Soda Lime fino a circa 1.5 cm dall'estremita' del tubo,
inserire uno strato di lana di quarzo di circa 1 cm e avvitare il
secondo raccordo in teflon. Nelle due estremita' da 1/4" inserire e
avvitare due pezzi di tubo in Teflon da 1/4" della lunghezza
appropriata per il posizionamento nella linea del purge and trap dove
viene condizionata come descritto nella sezione 6.2.
5.13 Preparazione delle Trappole d'oro
I granuli di oro o di quarzo ricoperti con oro, usati nelle trappole
vengono impaccati in un tubicino di quarzo di 10 - 12 cm di lunghezza
avente all'interno due dentellature come illustrato in Figura 2.
Parte di provvedimento in formato grafico
Figura 2 - Schema della trappola d'oro
Ogni trappola contiene approssimativamente 0.7 gr di granuli di
quarzo ricoperti d'oro o di oro mescolato con granuli di quarzo e
sono impaccati usando della lana di quarzo posizionata all'interno
delle dentellature. I granuli, la lana di quarzo ed il tubicino
devono essere condizionati a 600°c per un' ora prima della
preparazione e tutto l'occorrente (tubicini, tappi e pinzette di
teflon) deve essere pulito usando la procedura precedentemente
descritta.
Dopo la preparazione le trappole vengono identificate tramite un
codice per poter rintracciare la data di preparazione, i bianchi e le
risposte analitiche di ogni singola trappola.
Le trappole prima dell'uso devono essere condizionate mediante
riscaldamento a 500°C per 5 minuti facendo passare un flusso di Argon
a 300cc/min al fine di eliminare tutte le eventuali impurita'
presenti all'interno della trappola. Questa procedura di
condizionamento e pulizia viene eseguita due volte.
6 Analisi
6.1 Analisi dei campioni
Ad un'aliquota di campione da 100 ml, introdotta in bottiglie di
teflon da 125 ml, si addiziona l'1% (v/v) di BrCl, si chiude la
bottiglia e si lascia reagire al buio per almeno 24 ore agitando
periodicamente. Nel caso in cui i campioni presentino un elevato
contenuto di materiale particellare la quantita' di BrCl che si
aggiunge a 100 ml di campione deve essere del 5%. Allo scadere delle
24h la soluzione deve avere una colorazione giallina dovuta ad un
eccesso di BrCl. Nel caso in cui la soluzione risulti incolore deve
essere ripetuto il trattamento con il BrCl.
Nel gorgogliatore (Figura 3) si versano 100 ml di campione trattato
con il BrCl. Si aggiungono 250 μL della soluzione di Idrossilammina
cloridrato o una quantita' maggiore rapportata alla quantita' di BrCl
aggiunta al campione, si chiude e si lascia reagire per 5 min. per
ridurre l'eccesso di BrCl nella soluzione. Trascorsi i 5 min. la
soluzione diventa incolore indicando che tutto il BrCl e' stato
ridotto.
Si aggiungono alla soluzione cosi' trattata 500 μL di Cloruro
Stannoso, si inserisce nella linea del purge and trap una trappola
d'oro campione, precedentemente pulita, all'estremita' libera della
Soda Lime Trap (Figura 3), si apre il regolatore di gas impostato a
450 cc/min e la soluzione si lascia gorgogliare per 7 min.
La trappola campione viene successivamente inserita nella linea
analitica (Figura 4) assicurandosi che la parte contenente il quarzo
ricoperto di oro sia completamente avvolta dalla resistenza. Si
lascia passare un flusso di Argon per 2 min. all'interno della linea
analitica in modo da pulire completamente la stessa dall'aria
ambiente filtrata all'interno del sistema durante l'inserimento della
trappola campione.
Parte di provvedimento in formato grafico
Figura 3 - Schema della tecnica Purge and Trap
Si procede quindi al desorbimento della trappola campione attivando
il riscaldamento della resistenza (R1) per 2 min.; il mercurio
desorbito viene trasportato dal gas carrier nella linea ed
intrappolato sulla seconda trappola del sistema (trappola analitica).
Si procede quindi al raffreddamento della trappola campione mediante
l'attivazione della ventola di raffreddamento (V1) e
contemporaneamente si attiva il riscaldamento della resistenza (R2)
per 2 min. all'interno della quale si trova la trappola analitica.
Il mercurio desorbito viene trasportato per mezzo del gas Carrier
(Argon), regolato a 35 cc/min da un mass flow controller (MFC), nella
cella di misura del rivelatore a fluorescenza atomica. Alla fine dei
due minuti si attiva la ventola (V2) per il raffreddamento della
trappola analitica.
Il segnale del rivelatore viene acquisito mediante un integratore o
un sistema di acquisizione dati per convertire il segnale in area
usata successivamente per i calcoli. Il rivelatore a fluorescenza
atomica (CVAFS) deve essere settato in modo da dare una risposta di
1000mV per 1 ng di standard di Hg, mentre la linea di base viene
impostata a 5 mV.
Parte di provvedimento in formato grafico
Figura 4 - Schema della Linea Analitica CVFAS
6.2 Condizionamento Trappola Soda lime e Pulizia del Sistema
Prima di analizzare la serie di campioni, e' necessario condizionare
la Trappola di Soda Lime e pulire la linea riempiendo il
gorgogliatore con 50 ml di acqua Milli-Q, aggiungendo 1 ml di SnCl2 e
lasciando gorgogliare per 15-20 min. a 450cc/min. Successivamente si
effettua un bianco di sistema per accertare l'assenza di
contaminazioni.
6.2.1 Bianco di Sistema
Si collega una trappola pulita alla Trappola Soda Lime e si aggiunge
1 ml di SnCl2 alla soluzione utilizzata precedentemente per la
pulizia del sistema, quindi si lascia gorgogliare per 5 min. a
450cc/min.
Successivamente si procede all'analisi come descritto precedentemente
per i campioni.
6.2.2 Bianco Reagenti
Prima di ogni serie di analisi deve essere effettuato un Bianco per
testare i reagenti impiegati per l'analisi dei campioni. Il Bianco
viene effettuato su un campione precedentemente analizzato e quindi
esente da mercurio. Per un'aliquota di 100 ml di campione, si
utilizzano: 1ml di BrCl, 0.25ml di NH2 OH·HCl e 0.5ml di SnCl2 . Si
inserisce una trappola pulita immediatamente dopo la Trappola Soda
Lime e si lascia gorgogliare per 7 min. a 450cc/min. Successivamente
si procede all'analisi come descritto precedentemente per i campioni.
Il risultato ottenuto servira' per determinare il limite di
rilevabilita' del metodo e per il calcolo della concentrazione del
campione.
6.3 Curva di Calibrazione e Standard di Controllo
La curva di calibrazione deve essere effettuata prima di ogni serie
di analisi, con un minimo di quattro punti.
Per ogni standard si inserisce una trappola campione pulita
immediatamente dopo la Trappola Soda Lime. Nel gorgogliatore
contenente 100 ml di acqua Milli-Q, si addiziona l'aliquota di
standard di lavoro e 1 ml di SnCl2 e si lascia gorgogliare per 7 min.
a 450 cc/min. Alla fine del processo si analizza la trappola campione
seguendo la procedura descritta per il campione.
Gli Standard di controllo devono essere analizzati ogni sei campioni,
nella maniera precedentemente descritta.
6.3.1 Calcolo della Concentrazione di mercurio
La Concentrazione di mercurio totale nelle deposizioni atmosferiche
viene espressa in ng/L.
La Concentrazione di mercurio viene calcolata mediante la seguente
formula:
C - B
Hg ng/L = ------- x 1000
V
Dove:
C = Concentrazione in ng di Hg ricavata dalla curva di calibrazione
B = Concentrazione in ng di Hg del bianco calcolato come segue:
B= Bianco dei reagenti + Bianco del sistema analitico
V = Volume dell'Aliquota Analitica
7 Risoluzione dei Problemi
Uno dei problemi piu' ricorrenti e' quello di un cattivo
funzionamento delle trappole che, come accennato in precedenza,
devono essere identificate. Ogni campione deve essere associato alla
o alle singole trappole in modo da tracciare un'analisi
dell'andamento delle stesse nel corso delle determinazioni.
Il contatto delle trappole con vapori di alogeni o il
surriscaldamento delle stesse possono renderle inutilizzabili.
Pertanto e' consigliabile controllare spesso la Trappola Soda Lime,
sostituirla quando necessario e controllare che la temperatura di
desorbimento non superi i 550 °C.
Se durante l'analisi si osserva una risposta bassa del rivelatore e'
possibile che vi sia qualche perdita all'interno della linea
analitica o in quella di gorgogliamento. Ispezionare le trappole
campione e Soda Lime e tutti i raccordi.
Se durante l'analisi si osservano picchi molto larghi o non se ne
rilevano affatto, il problema potrebbe derivare da una possibile
perdita nella linea analitica. L'allargamento dei picchi puo'
anch'essere dovuto da un basso flusso di gas o condensa all'interno
delle trappole, oppure da un inadeguato riscaldamento. In questi casi
e' consigliabile sostituire le trappole.
Se la linea di base risulta non stabile e' possibile che la lampada
UV sia esaurita. Dopo la sostituzione della stessa lo strumento si
deve stabilizzare per almeno 24 ore fin quando la lampada non va a
regime. Se il problema persiste, la causa potrebbe derivare da
fluttuazioni di corrente o variazioni della temperatura interna della
lampada.
La temperatura ambiente della stanza dove viene utilizzato il
rivelatore a fluorescenza atomica (CVAFS) deve essere mantenuta tra i
20-22°C. Per temperature superiori ai 26 °C potrebbe verificarsi un
incremento del rumore di fondo.
8 Bibliografia
Horvat, M., Kotnik, J., Fajon, V., Logar, M., Zvonaric, T., Pirrone,
N. (2003) Speciation of Mercury in Surface and Deep-Sea waters in the
Mediterranean Sea. Atmospheric Environment, Vol. 37/S1 , 93-108.
CEN/TC 264/WG 25: Speciation for Validation Measurements of a Method
for Determination of Mercury in Ambient Air and Deposition. (URL:
http://www.cs.iia.cnr.it/CEN/index.htm).
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3 L'Aria in bombole di grado UPP, deve essere ulteriormente
purificata per lo scopo inserendo nella linea di utilizzo un filtro a
carbone attivo.
4 Per ridurre il contenuto di mercurio nei reagenti di partenza si
consiglia di porre in muffola a 250 °C per una notte il KBr e il
KBrO3, quindi si lasciano raffreddare in essiccatore contenente gel
di silice e carbone attivo. Quest'operazione e' consigliata ogni
qualvolta si deve preparare la soluzione di BrCl.