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%.