ALLEGATO VI Metodo di riferimento per la misura della concentrazione di benzene in atmosfera 0. Premessa Il metodo qui descritto consente la misura della concentrazione media oraria del benzene in atmosfera. Esso e' applicabile nell'intervallo di concentrazioni 0.3-200ug/m3 ovvero 0.1-70 parti per miliardo in volume (ppbv). 1. Prelievo del campione 1.1. Contenitori di raccolta dell'aria campione Per il prelievo dell'aria campione si usano contenitori ermetici (bombole o "canisters" con volume interno compreso tra 2 e 8 litri), fusi in un solo blocco e dotati di rubinetti apri/chiudi e valvole regolatrici di flusso. Particolare cura va prestata alla scelta dei materiali e alla pulizia dei contenitori. Il recipiente deve essere in metallo con le superfici interne passivate e pulite elettricamente del tipo "SUMMA". Precedentemente alla raccolta del campione, il canister e' pulito con la seguente procedura: esso viene spurgato dell'aria residua producendo il vuoto per aspirazione in condizioni di blando riscaldamento (T=40oC); quindi vi si immette aria iperpura ulteriormente disidratata e pulita (per filtrazione attraverso un disseccante e setacci molecolari) e si produce ancora il vuoto; si lava nuovamente con aria iperpura e si opera definitivamente il vuoto. 1.2. Controllo del "bianco" del contenitore Un'aliquota dell'aria di secondo lavaggio (vedi sopra) viene sottoposta ad analisi similmente ad un campione reale di aria secondo la procedura appresso descritta (paragrafi 2-7). La concentrazione apparente di benzene che ne risulta costituisce il "bianco" del sistema di prelievo ed analisi e fornisce, per sottrazione del "bianco della trappola" (paragrafo 2), il "bianco del canister", che deve risultare inferiore a 0.2ug/m3. Qualora il "bianco del canister" risulti superiore a 0.2ug/m3, questo e' ulteriormente purificato e, se l'operazione non sortisce effetto apprezzabile, sostituito. I contenitori ermetici sono custoditi in ambiente privo di sorgenti di benzene. 1.3. Sistema pneumatico Per il prelievo dell'aria campione si utilizzano pompe da gas costruite o internamente rivestite di materiale inerte e prive di spurgo di olio, accessoriate con regolatori-misuratori di flusso di massa e di pressione aventi l'accuratezza e precisione migliori possibili (e comunque superiore al 99%) negli intervalli di flusso operativi (50-300 mL/min.) e rubinetti apri/chiudi. Il sistema pneumatico e' in grado di operare a flusso costante (+-2%) compensando la progressiva impedenza offerta del canister. Prima del prelievo dell'aria campione, il sistema pneumatico e' purificato facendo aspirare aria filtrata attraverso disidratante e setacci molecolari (100mL/min. per 3 min.). 1.4. Operazione di prelievo. Il canister e' collegato al sistema pneumatico immediatamente prima del prelievo. Il prelievo dell'aria campione e' protratto per l'intervallo temporale di un'ora. Il flusso di aspirazione (100-300mL/min.) e' prefissato in modo che la pressione finale risulti non inferiore a 2 atmosfere. Operando come sopra descritto, il prelievo dell'aria campione dall'atmosfera risulta quantitativo al pari del recupero dal contenitore (maggiore 99%) e la stabilita' del benzene in tali condizioni preverra' valutazioni errate per eccesso o per difetto, purche' l'analisi sia eseguita a breve distanza temporale del prelievo e comunque entro non oltre 15 giorni. Sulla linea di prelievo e' posto, a monte del canister, un separatore per le polveri (filtro di PTFE o di fibra di quarzo, alloggiato in apposito contenitore), onde prevenire potenziali contaminazioni indotte dal contenuto organico di esse. E' da verificare la perfetta tenuta d'aria dei contenitori e delle linee di prelievo e di trasferimento. Il volume di aria campione effettivamente prelevato, di molto superiore a quello necessario per l'analisi, permette di eseguire non meno di tre repliche, attraverso le quali si puo' valutare la ripetitivita' della misura. Inoltre esso consente, qualora il benzene risulti eccessivamente diluito, di ripeterne la determinazione usando volumi maggiori di aria campione. La metodologia seguita e gli strumenti utilizzati sono applicabili senza modifiche anche ad atmosfere artificiali con contenuto di benzene certificato; consentono anche l'introduzione di un "riferimento interno". 2. Trasferimento dell'analita ad una cartuccia di arricchimento L'aria campione e' trasmessa allo strumento di separazione ed analisi, attraverso una cartuccia adsorbente degli idrocarburi. 2.1. Cartuccia di arricchimento del benzene La cartuccia di arricchimento ("trappola") e' costituita da un tubicino di vetro borosilicico (lunghezza 150mm, diametro esterno 6mm, diametro interno 3mm). Essa e' parzialmente riempita con due carboni grafitati (1.5cm lineari di Carbopack tipo C, avente sviluppo superficiale di circa 10m2/g seguito da 7cm lineari di Carbopack tipo B avente sviluppo superficiale pari a 80m2/g, nel verso del trasferimento) separati e trattenuti nella cartuccia da piccoli batuffoli in lana di quarzo. Il materiale adsorbente contenuto nella cartuccia assicura il completo recupero del benzene del campione d'aria ivi trasferito dal canister nelle condizioni operative descritte (volume di ritenzione del benzene superiore a 10L) ed anche il suo rilascio nella fase successiva di desorbimento. In cartuccia di arricchimento e' sigillata con raccordi ciechi a vite e guarnizioni in PTFE e conservata in recipienti opachi a tenuta di aria contenenti carbone attivo. 2.2. Pulizia della cartuccia di adsorbimento Prima del caricamento dell'aria campione, la cartuccia nuova o gia' utilizzata e' sottoposta a desorbimento termico in flusso di elio iperpuro anidro (100mL/min. per 20min. a 300C), al fine di eliminare i possibili composti organici volatili residui. 2.3. Caricamento della cartuccia con l'aria campione Trasportato il contenitore dell'aria campione in laboratorio di analisi, una aliquota di essa (250mL) e' trasferita attraverso un sistema controllore-misuratore di flusso di massa (mass flow control- ler), a flusso di aria costante per un tempo accuratamente misurato (50 mL/min. per 5 min.), alla cartuccia di arricchimento degli idrocarburi. 3. Introduzione di un "riferimento interno". Ai fini sia della identificazione del benzene sia della sua valutazione quantitativa, e' introdotta nell'aria campione una concentrazione nota di benzene perdeuterato (C6D6), scelto quale "sostanza di riferimento" interna (RI). Allo scopo si utilizza un contenitore ermetico pressurizzato, contenente il R.I. (50 ug/m3 certificati per via gravimetrica) diluito con azoto iperpuro anidro. Una aliquota di esso (50mL) e' trasferita, attraverso un mass flow controller e una linea per gas inerte, opaca e a tenuta di aria, a flusso di gas costante per un tempo accuratamente misurato (50mL/min. per 1min.) alla medesima cartuccia di arricchimento in cui e' stata trasferita l'aria campione. 4. Trasferimento dell'aria campione allo strumento analitico Il trasferimento e' eseguito in un apparato che mantiene in collegamento in linea di gas (elio) la trappola di arricchimento, la trappola fredda e il sistema di separazione e rivelazione del benzene. L'operazione consta di due fasi: a) trasferimento del campione di aria arricchito di R.I. dalla trappola al criofocalizzatore; b) trasferimento dal criofocalizzatore alla colonna separativa. 4.1. Precondizionamento della cartuccia di arricchimento Prima del desorbimento del benzene ivi contenuto, la cartuccia e' alloggiata in un fornetto che assicuri l'effettivo e uniforme riscaldamento della stessa per tutta la sezione contenente i carboni grafitati e collegato in linea con il criofocalizzatore. La cartuccia viene purificata a temperatura ambiente dell'aria residua facendovi fluire elio iperpuro (10mL/min. per 2 min.) nello stesso verso rispetto al verso di caricamento dell'aria campione del canister. 4.2. Criofocalizzatore ("trappola fredda") Il criofocalizzatore e' costituito da un capillare di materiale inerte (0.53mm di diametro interno) la cui superficie interna e' ricoperta con un film di gomma siliconica chimicamente legata al tipo DB1 (1.2um di spessore di fase). Esso e' sempre collegato in linea con la colonna capillare separativa (vedi paragrafo 5), per la quale funge da "iniettore"; e' costantemente attraversato dal gas di trasporto. Prima del trasferimento del contenuto della cartuccia di arricchimento, il capillare viene raffreddato con azoto liquido a temperatura subambiente (-150 C); esso e' mantenuto a -150C fino a completo trasferimento del campione. 4.3 Desorbimento della cartuccia di arricchimento Il trasferimento dell'aria campione al criofocalizzatore e' realizzato per desorbimento di questa con l'alta temperatura. La trappola e' desorbita portando rapidamente la temperatura del fornetto (maggiore 100C/min. fino a 250C), sotto regime di flusso di elio (15mL/min. per 6min.) in controcorrente rispetto al verso di caricamento del benzene dal canister. 4.4. Trasferimento dal criofocalizzatore alla colonna di separazione ed analisi. Terminata la focalizzazione dell'aria campione nel capillare raffreddato il benzene e' termicamente desorbito e trasferito alla colonna capillare gascromatografica usata per la separazione e analisi, per mezzo del gas di trasporto (elio). Per l'esecuzione del trasferimento alla colonna separativa il criofocalizzatore e' portato in condizioni di flusso (1mL/min.) alla temperatura di 200C ed ivi mantenuto per 2 min. Contemporaneamente si da' inizio alla corsa cromatografica in gradiente di temperatura (vedi paragrafo 5.2). 5. Separazione gascromatografica. La separazione del benzene e' realizzata per gascromatografia in colonna capillare. Quale gas di trasporto si usa elio iperpuro, ulteriormente filtrato attraverso essiccante (drierite) e setacci molecolari. Numerose colonne gascromatografiche sono in grado di separare efficacemente il benzene dagli altri composti organici volatili presenti nell'atmosfera urbana. Esse sono raggruppabili in due tipi: a) colonne capillari del tipo "Plot", la cui base stazionaria e' costituita da un film di allumina porosa drogata con sali (Al203/KCl, Al203/Na2S04); b) colonne capillari ricoperte di siliconi polimeri chimicamente legati (tipo DB1, DB5, CPSil5, CPSil8, SP1, HP1, HP5, etc.). Operativamente, e' stato prescelto il secondo tipo di colonne capillari. 5.1 Colonna capillare di fase siliconica Per la separazione del benzene dagli altri composti organici volatili si usa di una colonna capillare tipo DB1 (gomma di metilpolisilossano chimicamente legato) avente lunghezza di 60m, diamentro interno 0.32mm e spessore di film 0.33um. 5.2. Eluizione gascromatografica L'eluizione del benzene nella colonna separativa e' eseguita in gradiente di temperatura secondo il seguente programma: a) temperatura iniziale 5C, isoterma iniziale 3min.; b) primo incremento termico +3C/min. fino a 50C; c) secondo incremento termico +5C/min. fino a 210C; la corsa cromatografica dura complessivamente 50min.; il benzene e' eluito circa 10min. dopo l'inizio dell'analisi. 6. Rivelazione ed identificazione del benzene Si usa il principio della spettometria di massa operante in rivelazione selettiva di ioni ("Selected Ion Monitoring - Mass Spectrometry" o SIM-MS). La ionizzazione delle molecole si realizza per impatto con un fascio di elettroni e 70eV di energia. Il filtro di massa fornisce una risoluzione pari ad una unita' di massa a M/Z=400. Per la rivelazione sono registrate le correnti ioniche corrispondenti agli ioni molecolari (rispettivamente M/Z=78 per il benzene, M/Z=84 per il C6D6). Il rivelatore fornisce un segnale proporzionale alla quantita' di sostanza che lo attraversa ad ogni istante. Le tracce delle correnti ioniche provenienti dal rivelatore di massa sono inviate ad un sistema di acquisizione ed elaborazione dati. L'identificazione del benzene si attua confrontando i tempi di ritenzione cromatografica, assoluto (r.t.) e relativo (r.r.t.) rispetto al benzene perdeuterato, con atmosfere di riferimento contenenti benzene e R.I. diluiti con azoto puro anidro. Infatti, r.t. e r.r.t. sono costanti nelle condizioni operative prescelte, purche' rimanga costante l'umidita' residua nell'aria campione. 7. Determinazione quantitativa 7.1. Curve di calibrazione. Metodo dello standard interno La determinazione quantitativa e' compiuta con il "metodo dello standard interno". Il metodo si basa sulla determinazione del fattore di risposta relativo RRF del benzene (non normalizzato per la quantita') rispetto al benzene perdeuterato (vedi paragrafo 3), eseguita per diverse quantita' di analita: RRFi = 2.5 * Bi/D Ove: RRFi = fattore di risposta RRF calcolato per la quantita' i- esima di benzene (in ng); Bi = Area del picco cromatografico relativo al benzene per la quantita' i-esima, in unita' arbitrarie; D = Area del picco cromatografico relativo al benzene perdeuterato (quantita' fissa di 2.5ng). Attraverso la proporzionalita' del RRF, e' verificata la linearita' di risposta dello strumento di misura verso la quantita' di benzene, nell'intervallo operativo compreso tra 0.1X e 10X, ove X rappresenta la quantita' di R.I. 7.2. Calibrazione del rivelatore 7.2.1. Riferimento primario di benzene Per la calibrazione del rivelatore si fa ricorso ad un "riferimento primario", costituito da un contenitore ermetico contenente benzene iperpuro in concentrazione certificata (50ug/m3), determinata con le migliori accuratezza e precisione possibili, diluito con azoto iperpuro ed anidro. 7.2.2. Esecuzione della calibrazione. Aliquote differenti di "riferimento primario" sono inviate al criofocalizzatore attraverso un regolatore-misuratore di flusso di massa, con procedura simile a quella usata per i campioni di aria ambiente (vedi al par. 2). Si aggiunge ad ogni aliquota una quantita' fissa di R.I., pari a quella aggiunta all'aria campione (vedi al par. 3). Per ogni prova si fa procedere la corsa gascromatografica e si registrano le risposte strumentali verso il benzene e il R.I., espresse in termini di "area di picco cromatografico". Da queste ultime si calcolano i RRFi. 7.2.3. Verifica della linearita' del segnale rivelatore. Graficando i valori degli RRFi verso le corrispondenti quantita' di benzene rivelate, si costruisce la "curva di taratura" e si definisce il campo di linearita' strumentale, entro il quale occorre eseguire le determinazioni quantitative del benzene nell'aria campione. Poiche' nelle condizioni operative sopra descritte la quantita' assoluta di R.I. rivelata e' 2.5ng, la risposta dello strumento deve risultare lineare nell'intervallo 0.25-25ng di benzene. 7.3. Esecuzione delle misure su campioni di aria reali Si sottopone ad analisi una prima aliquota di aria campione, di vol- ume pari a 250mL. Si ricava il valore di RRFx, ovvero il fattore di risposta del benzene nel campione rispetto al R.I. (C6D6). Riportando il valore di RRFx nella curva di calibrazione, si ricava la quantita' di benzene Qx. Se la quantita' di benzene effettivamente rivelata e' compresa nell'intervallo tra 0.25ng e 25ng (equivalenti a concentrazioni in aria comprese tra 1 e 100ug/m3) la misura e' considerata valida (Q1) e si calcola la concentrazione C1 di benzene attraverso la formula: C1 (ug/m3) = 1000 * Q1/250 * Tc/Ta * Pa/Pc Ove: C1 = concentrazione media oraria di benzene (misura 1); Q1 = quantita' assoluta di benzene misurata dal sistema analitico; Tc = Temperatura assoluta dell'aria (oK) all'atto del campionamento; Ta = Temperatura assoluta dell'aria (oK) all'atto del trasferimento dal canister alla cartuccia; Pa = Pressione atmosferica (in millibar) all'atto del campionamento, Pc = Pressione di trasferimento dell'aria campione dal canister alla cartuccia; Ovvero, esprimendo la concentrazione in termini di parti per miliardo in volume (rapporto di mescolamento) "ppbv": c1 (ppbv) = C1 * 22.4/78.1 * Tc/273.2 Ove: 22.4 = Volume molare dei gas a OC; 78.1 = Peso molecoalre del benzene. Qualora invece la quantita' di benzene presente nel campione di aria soggetto ad analisi ricada al di fuori dell'intervallo sopra indicato, il risultato si considera semiquantitativo e non viene registrato: per ricavare la misura corretta della concentrazione, e' necessario ripetere la prova aumentando o diminuendo proporzionalmente il volume di aria campione soggetto ad analisi. L'operazione di misura del benzene e' replicata non meno di tre volte su altrettante aliquote uguali di aria campione C2..Cn). Si calcolano la concentrazione media e lo scarto di ogni misura dalla media ( i): C = (C1 + C2+...+Cn)/n i = C - Ci Lo scarto massimo non deve risultare superiore al 2%.