La qualità dell’aria all’interno degli edifici – Seconda parte

Rinaldo Cervellati

(il primo post di questa serie è qui)

Quando i chimici dell’atmosfera si spostano dall’esterno all’interno, un’altra grande differenza che trovano, a parte i livelli di luce più bassi, è l’ubiquità delle superfici. All’esterno, questi scienziati studiano spesso la chimica nell’atmosfera superiore e la superficie principale di cui si occupano è la superficie delle particelle di aerosol.

“Se sei lontano dal suolo nell’atmosfera, trovi le particelle e tantissima aria. E la quantità di materiale che si trova nella fase condensata delle particelle è piccola”, spiega Abbatt dell’Università di Toronto.

Ma al chiuso, le superfici sono ovunque. Sono luoghi in cui le sostanze possono essere assorbite e riemesse, spesso dopo aver subito una reazione. E la quantità di materiale su quelle superfici è molto più alta che nei grandi spazi aperti.

Vicki H. Grassian, chimico dell’Università della California di San Diego, è leader del consorzio SURFace per la chimica degli ambienti interni, che fa parte del programma Sloan. Sta studiando le superfici interne per determinare quali composti si depositano su quali superfici. È particolarmente interessata ai meccanismi molecolari dei processi che avvengono sulle superfici interne. Tali dati potrebbero quindi essere inseriti in modelli computazionali di chimica dell’atmosfera indoor.

Vicki H. Grassian

Il gruppo di Grassian ha iniziato con sistemi di modelli in silice (SiO2) per imitare finestre e altre superfici vetrate. I ricercatori stanno studiando come gas e particelle organiche interagiscono con le superfici di silice, come queste specie si depositano sulla superficie e come vengono riemesse [7]. Stanno anche esaminando come i gas reagiscono con gli ossidanti indoor. Il team utilizza la microscopia a forza atomica accoppiata alla spettroscopia infrarossa per studiare la deposizione di pellicole organiche su superfici di vetro posizionate in vari ambienti interni [8].

Ma il vetro non è l’unica superficie nelle case. Ci sono anche pareti, controsoffitti e tappeti. Tessuti come tappeti e abbigliamento hanno un’enorme capacità di assorbire composti organici, afferma Glenn Morrison, ingegnere ambientale presso l’Università della Nord Carolina: “Se metti un nuovo tappeto in una casa, rilascerà VOC. Ma assorbirà anche così tanti SVOC che vedrai la concentrazione di SVOC nell’aria diminuire per mesi.”

Quando Jonathan Williams, chimico dell’atmosfera al Max Planck Institute for Chemistry, si interessò alla chimica indoor, si rese conto che ogni casa è diversa dalle altre. Le persone cucinano cibi diversi. Usano diversi prodotti per la pulizia, diversi arredi, diversi prodotti di consumo. Alcune persone fumano altre no.

Jonathan Williams

Ogni casa può avere emissioni diverse, e Williams si chiese se esistesse un fattore comune in tutte le abitazioni: “Qual è il fattore comune in qualsiasi spazio abitativo?” La risposta fu: “Ce n’è solo uno, ed è la persona o le persone che vi abitano “.

Il gruppo coordinato da Williams aveva già misurato le sostanze volatili emesse dalle persone in un cinema per rilevare le loro reazioni emotive ai film. Quindi sapeva che le persone emettono una quantità notevole di sostanze chimiche. Ha quindi deciso di estendere questo lavoro collaborando con i ricercatori dell’Università Tecnica di Danimarca per identificare e misurare le sostanze chimiche volatili emesse dalle persone.

I ricercatori hanno condotto esperimenti in camere di dimensioni contenute con basse emissioni di fondo. Hanno variato la temperatura, l’umidità e la concentrazione di ozono delle camere e l’età e l’abbigliamento dei partecipanti volontari nella ricerca. Afferma Williams: “Con solo queste cinque variabili, siamo stati in grado di vedere enormi differenze in ciò che una persona emette”. È stato esaminato il modo in cui tali variabili hanno influenzato i VOC, l’ammoniaca, l’anidride carbonica, il metano, le particelle, la reattività OH totale e i microrganismi.

Williams e collaboratori hanno scoperto che alle basse temperature gli esseri umani emettono meno VOC che alle alte temperature. Di per sé, questo risultato potrebbe non essere sorprendente, ma “anche 5 gradi fanno una grande differenza”, sostiene Williams. E la scelta di una persona di indossare indumenti a maniche lunghe o corte ha influenzato le misurazioni. Le persone devono rendersi conto che le decisioni che prendono possono davvero influenzare le sostanze chimiche cui sono esposte perché molte di esse provengono dalla pelle o dal respiro.

Goldstein e i suoi colleghi di Berkeley hanno anche condotto osservazioni sugli effetti degli occupanti sulla composizione dell’aria in una classe universitaria [9]. I ricercatori hanno misurato i VOC e l’ozono nella stanza per un periodo di 2 settimane.

È risultato che quando l’aula era normalmente occupata con più di 20 studenti, i due terzi dei composti organici volatili presenti nella stanza provenivano dalle persone, poco meno di un terzo dall’esterno e meno del 10% da oggetti nella stanza stessa. Sono stati rilevati sottoprodotti del metabolismo come isoprene e acetone, indicando che la maggior parte delle emissioni derivavano da prodotti per la cura personale. I livelli erano più alti al mattino per poi diminuire nel corso della giornata.

Il composto organico volatile dominante nella stanza è risultato un metilsilossano ciclico, il decametilciclopentasilossano, noto semplicemente come D5, che è un ingrediente comune in antitraspiranti, balsami per capelli, cosmetici e lozioni, che agisce come lubrificante o idratante. Preoccupante è stato constatare che anche le persone che non facevano uso di questi prodotti sono state esposte al D5 perché tutti hanno respirato la stessa aria.

Gli intensi studi in ambienti residenziali interni sono limitati da ciò che gli occupanti degli ambienti riescono a sopportare. Non è un segreto che la maggior parte degli studi sull’aria interna nelle abitazioni sono condotti all’interno di quella del ricercatore principale. In questo modo, si possono gestire meglio gli eventuali reclami degli occupanti. Ma i ricercatori hanno trovato un modo per risolvere il problema.

I membri della comunità dei chimici indoor si sono riuniti nel 2018 per intraprendere uno studio sul campo di 4 settimane all’interno di una casa appositamente dedicata alle misurazioni, che è stata chiamata HOMEChem (House Observations of Microbial and Environmental Chemistry ). L’idea nacque da Delphine K. Farmer, chimico dell’atmosfera, e Marina E. Vance, professore di ingegneria meccanica all’Università del Colorado. L’intenzione era di effettuare una ricerca sul campo su larga scala che avrebbe fornito un ampio insieme di dati riunendo nel contempo molti ricercatori in una comunità affiatata. La Fondazione Sloan ha fornito oltre 1 milione di dollari per il progetto HOMEChem.

E la casa perfetta li stava aspettando all’Università del Texas ad Austin. Un gruppo di professori aveva acquistato la casa mai abitata con fondi della National Science Foundation degli USA.

La casa è catalogata come attrezzatura da laboratorio e i ricercatori non sono autorizzati a dormirvi. Ma fornisce un posto per l’esecuzione di esperimenti che potrebbero essere troppo invadenti per essere effettuati in case private.

Il progetto HOMEChem si basa sugli studi come quelli condotti da Goldstein e Nazaroff, che hanno entrambi preso parte anche a HOMEChem.

“Avevamo un’enorme quantità di strumenti scientifici avanzati e siamo stati in grado di esaminare più tipi di molecole nell’ambiente interno di quanto non fosse mai stato visto contemporaneamente in precedenza.”, afferma Farmer.

Delphine Farmer (a sinistra) e Allen Goldstein nella casa-laboratorio

Oltre a identificare e quantificare i composti organici, i ricercatori hanno anche misurato ossidanti come radicali idrossilici, ozono e ossidi di azoto, cruciali per capire cosa succede in un ambiente interno.

Dozzine di ricercatori hanno lavorato nella casa-laboratorio di Austin nel giugno 2018. Hanno effettuato un vasto programma di esperimenti esaminando fattori come ambienti, pulizia e ventilazione [10]. In alcuni giorni, un singolo tipo di attività è stato ripetuto più volte, come ad es. cucinare in padella e far uscire l’aria dalla casa.

Altri giorni prevedevano attività sequenziali come cucinare seguito da un’intensa pulizia. Sono stati usati diversi sistemi di pulizia in giorni diversi per vedere come vari tipi di prodotti per la pulizia – a base di olio di pino, a base di cloro, a base di ammoniaca e i cosiddetti prodotti per la pulizia naturale – influenzassero la chimica della casa. La pulizia con un detergente al profumo di pino ha aumentato i livelli di limonene, mentre la pulizia con candeggina ha aumentato i livelli di cloro.

I ricercatori hanno anche misurato la concentrazione di particelle all’interno e all’esterno della casa. Hanno scoperto che la concentrazione di particelle inferiori a 2,5 micron è generalmente più bassa all’interno che all’esterno, salvo durante la cottura.

Peter F. DeCarlo della Drexel University ha misurato le particelle di aerosol come parte di HOMEChem. È risultato che molte particelle indoor provengono dall’esterno, ma le attività di cottura generano enormi quantità di particelle che riducono la concentrazione di quelle provenienti dall’esterno. Queste particelle provengono dal combustibile usato nella cottura e da oli e alimenti da cucina.

Peter F. DeCarlo

I ricercatori hanno anche scoperto che l’ordine delle attività influenza la chimica dell’aria interna nella casa sperimentale. Se per prima cosa si effettua la pulizia e poi si cucina si ottiene un certo risultato, viceversa si ottiene un risultato diverso.

Non si nota una linea di base che cambia di giorno in giorno, ma si osserva che ciò che è accaduto immediatamente prima di un’attività può avere un impatto sulla chimica successiva.

Il gruppo di DeCarlo ha anche misurato l’ammoniaca nella casa-laboratorio. L’ammoniaca è un irritante noto per gli occhi e i polmoni. È anche abbastanza reattivo. DeCarlo è interessato all’ammoniaca perché ha dimostrato di allontanare altre specie contenenti azoto dalle superfici e tornare nell’aria. Un primo esempio è la nicotina del fumo di tabacco che si è depositato sulle superfici, il cosiddetto fumo di terza mano, che viene respinto nell’aria.

Ma prima, DeCarlo doveva determinare un livello base di ammoniaca. Lui e il suo team hanno scoperto che il livello di fondo di ammoniaca all’interno era circa 10 volte più alto rispetto ai tipici livelli esterni [11]. Tutte le attività pianificate – cucina, pulizia e occupazione – hanno aumentato i livelli di ammoniaca, soprattutto la pulizia.

DeCarlo sospetta che l’alto livello di ammoniaca provenga dall’edificio stesso. “Ciò che stiamo imparando sempre di più è che i materiali da costruzione diventano una spugna per qualsiasi cosa accada al suo interno”, afferma.

Studi come HOMEChem sono ancora gli inizi della comprensione della chimica indoor. Al momento HOMEChem e molti altre indagini sul campo stanno catalogando i composti organici nelle abitazioni e le loro possibili reazioni prima di porsi domande sulla loro dannosità. Alcune ricerche, tuttavia, hanno iniziato a valutare gli effetti sulla salute di specifiche sostanze.

Ad esempio, Heather M. Stapleton della Duke University sta studiando gli effetti dell’esposizione dei bambini agli SVOC negli ambienti interni. In questa ricerca, il gruppo di Stapleton ha visitato abitazioni nella zona di Durham, nella Carolina del Nord, e raccolto campioni di polvere domestica, salviette per le mani e campioni di sangue e urina da bambini che erano disposti a collaborare [12].

Heather M. Stapleton

I ricercatori si sono concentrati sulla rilevazione di molecole come ritardanti di fiamma, plastificanti e pesticidi. Hanno scoperto che la quantità di ftalati nelle urine dei bambini era correlata alla percentuale di pavimenti vinilici in casa. Gli ftalati sono usati come plastificanti nei pavimenti in vinile e sono noti per avere effetti di interferenza endocrina. In alcune case, tutto il pavimento era in vinile. I bambini in quelle case avevano livelli elevati di metaboliti di ftalato.

“Sfortunatamente, nel nostro studio, le case con pavimenti in vinile al 100% erano case popolari”, dice Stapleton. Le autorità pubbliche per l’edilizia abitativa rinnovano di rado tali case, quindi i residenti non hanno molta scelta quando si tratta di sostituire i vecchi pavimenti.

Nonostante tali studi, comprendere l’esposizione e l’impatto dei vari composti sulla salute umana è ancora molto lontano.

Bibliografia

[7] Yuan Fang et al., A molecular picture of surface interactions of organic compounds on prevalent indoor surfaces: limonene adsorption on SiO2., Chemical Science, 2019, 10, 2906, DOI: 10.1039/c8sc05560b

[8] Victor W. Or et al., Crystal Clear? Microspectroscopic Imaging and Physicochemical Characterization of Indoor Depositions on Window Glass., Environ. Sci. Technol. Lett. 2018, 5, 514-519.

[9] Xiaochen Tang et al., Volatile Organic Compound Emissions from Humans Indoors., Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 12686-12694.

[10] D.K. Farmer et al., Overview of HOMEChem: House Observations of Microbial and Environmental Chemistry., Environ. Sci.: Processes Impacts, 2019, 21, 1280-1300.

[11] L. Ampollini et al., Observations and Contributions of Real-Time Indoor Ammonia Concentrations during HOMEChem., Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 8591-8598.

[12] S.C. Hammel et al., Children’s exposure to phthalates and non-phthalate plasticizers in the home: The TESIE study., Environment International, 2019, 132, 105061

 

La qualità dell’aria negli ambienti confinati.

Luigi Campanella, già Presidente SCI

(altri post sull’ argomento:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/01/strategie-contro-linquinamento-indoor/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/08/25/inquinamento-ospedaliero/)

L’espressione ‘ambiente indoor’ è riferita agli ambienti confinati di vita e di lavoro non industriali, ed in particolare, a tutti i luoghi chiusi adibiti a dimora, svago, lavoro e trasporto. Secondo questa definizione, il termine ‘indoor’ comprende: le abitazioni, gli uffici pubblici e privati, le strutture comunitarie (ospedali, scuole, uffici, caserme, alberghi, banche, etc.), i locali destinati ad attività ricreative e/o sociali (cinema, bar, ristoranti, negozi, strutture sportive, etc.) ed infine i mezzi di trasporto pubblici e/o privati (auto, treno, aereo, nave, etc.).

Negli ultimi decenni, con l’eccezionale sviluppo del settore terziario, la popolazione dei paesi industrializzati trascorre una parte sempre maggiore del proprio tempo (fino al 90%) negli ambienti confinati; contemporaneamente, si sono verificati profondi mutamenti nella qualità dell’aria indoor a causa di un progressivo aumento delle sostanze inquinanti. Lo scadimento della qualità dell’aria interna è dovuto in parte agli alti livelli esterni di inquinamento ma, soprattutto, alle numerose sorgenti interne che determinano concentrazioni di inquinanti a volte superiori a quelle presenti all’esterno.

In seguito alla crisi delle risorse energetiche mondiali, si sono imposti nuovi criteri tecnico-progettuali per gli edifici ad uso civile: la necessità di contenere i consumi per il riscaldamento e per la ventilazione ha imposto un migliore isolamento degli edifici, con conseguente tendenza a sigillare gli ambienti interni. Alle modifiche strutturali degli edifici si sono accompagnate modifiche rilevanti degli arredi (nuovi materiali per mobili, rivestimenti, etc.) e degli strumenti di lavoro (crescente impiego di fotocopiatrici, videoterminali, stampanti, etc.).

L’attenzione dei paesi industrializzati è stata rivolta già da tempo allo studio dei fenomeni di inquinamento dell’aria ‘esterna’, di cui ben presto sono state identificate le cause (traffico automobilistico, impianti industriali, impianti di riscaldamento domestico), gli effetti (preoccupante crescita della incidenza di malattie polmonari e neoplastiche) e le eventuali misure di contenimento (lotta all’inquinamento dell’aria urbana). Di contro, solo negli anni più recenti, dall’acquisizione di informazioni ed esperienze sui danni alla salute causati da una scadente qualità dell’aria interna, è emersa l’esigenza di un approfondimento delle conoscenze relative alle fonti di inquinamento indoor, nonché dei rapporti di causa-effetto tra esposizione e salute dell’uomo.

L’inquinamento dell’aria negli ambienti confinati rappresenta un problema importante per la sanità pubblica, con grandi implicazioni sociali ed economiche: in primo luogo la prolungata permanenza della popolazione negli ambienti interni di varia natura implica una continua esposizione a inquinanti indoor; inoltre, il rischio espositivo non è limitato a categorie ben definite. Tale rischio, infatti, non è esclusivamente di tipo professionale od occupazionale, ma è di particolare gravità per alcuni gruppi più suscettibili quali bambini, anziani e persone affette da patologie croniche (malattie cardiache, respiratorie, asma bronchiale, allergie), che trascorrono negli ambienti chiusi una percentuale di tempo particolarmente elevata.

La presenza di numerosi inquinanti (es. fumo passivo) e il clima caldo-umido delle abitazioni (che favorisce la crescita degli acari e di funghi nella polvere domestica), hanno sicuramente contribuito all’aumento della incidenza di patologie respiratorie croniche, come ad esempio l’asma, ed all’incremento della loro evoluzione verso forme persistenti, gravi ed invalidanti.

Recenti studi scientifici hanno evidenziato come alcuni inquinanti siano in grado di contribuire all’aumento dell’incidenza di tumori maligni: un maggior rischio di cancro ai polmoni è stato associato all’esposizione al “fumo di tabacco ambientale” ed ai prodotti di decadimento del Radon. Quest’ultimo è un gas radioattivo incolore, estremamente volatile, prodotto dal decadimento di tre nuclidi capostipiti che danno luogo a tre diverse famiglie radioattive: il Thorio 232, l’Uranio 235 e l’Uranio 238. Il Radon viene generato continuamente da alcune rocce della crosta terrestre, in particolar modo da lave, tufi, pozzolane, alcuni graniti, ma anche da rocce sedimentarie come i marmi. Come gas disciolto, esso viene veicolato anche a grandi distanze dal luogo di formazione nelle falde acquifere ed è nota, inoltre, la sua presenza in alcuni materiali da costruzione. Generalmente, tale gas giunge all’interno delle abitazioni attraverso fessure e piccoli fori delle cantine e dei piani seminterrati degli edifici.

Molti composti chimici presenti nell’aria indoor sono causa, sospetta o accertata, di stimolazione e/o irritazione dell’apparato sensoriale e possono dare vita a senso di disagio e ad altri sintomi comunemente presenti nella cosiddetta “Sindrome da Edificio Malato” (Sick Building Syndrome). Studi condotti in uffici ed in altri edifici destinati ad uso pubblico in diversi paesi hanno rivelato una frequenza di disturbi tra gli occupanti compresa tra il 15 e il 50% .

Un altro acronimo che deve la sua nascita in massima parte proprio all’inquinamenti indoor è la SCM (sensibilità chimica multipla,MCS in inglese).La prolungata presenza in ambienti indoor caratterizzati da inquinamenti combinati,complessi e variabili ha comportato la sensibilizzazione di alcuni individui, immunologicamente più deboli, verso questa nuova patologia,riconosciuta ormai come malattia sociale,anche in PaesiEuropei,primo fra tutti la Germania

Strategie contro l’inquinamento “indoor”

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Con inquinamento indoor si intende l’inquinamento che interessa l’aria degli ambienti confinati, cioè quella presente in quei luoghi all’interno dei quali si svolgono attività umane sia di lavoro che conviviali, di svago o di riposo.

E’ comunque opportuno sottolineare che nell’ambito della definizione “indoor” vengono esclusi gli ambienti industriali, che pur essendo spesso confinati, presentano un tipo di inquinamento ben specifico e relazionato alla tipologia di lavoro.

Invece, al contrario di quanto succede in ambito industriale, nel caso di abitazioni, scuole, uffici, edifici pubblici, mezzi di trasporto, ecc., l’inquinamento indoor viene frequentemente sottovalutato per fattori di natura squisitamente culturale, psicologica o storica.

In realtà, diverse ricerche hanno dimostrato che in questi luoghi l’esposizione ad inquinanti di varia natura può essere addirittura superiore a quella relativa agli inquinanti in ambiente esterno o industriale.

Si tenga presente che il tempo speso da ognuno in ambienti confinati è di gran lunga superiore a quello speso in ambiente outdoor.

Un caso poi di particolare importanza è rappresentato dall’ambiente ospedaliero (sul quale scrivemmo già un post). Qui la possibilità di contrarre varie malattie, anche di tipo professionale,obbliga ad attenzione ancora maggiore,rappresentando i frequentatori una fascia debole di utenza.

Il problema dell’inquinamento indoor è emerso nel corso di questi ultimi anni: parallelamente al crescente desiderio di migliorare la qualità della vita realizzando condizioni di benessere e di salubrità ottimali per la salute. Risulta da tutto ciò quanto preziosa possa risultare una tecnologia capace di rimuovere da un ambiente indoor gli inquinanti in esso presenti.

Oggi si lavora a pitture foto catalitiche capaci di farlo utilizzando un processo fotodegradativo degli inquinanti stessi affidato alla presenza, fra i suoi componenti, di un semiconduttore fotocatalizzatore che, stimolato dalla luce solare, produce radicali liberi dell’ossigeno molto reattivi e quindi capaci di degradare fino alla mineralizzazione molti dei comuni inquinanti indoor.

I limiti a tale tecnologia sono due: necessità di illuminazione solare della parete verniciata, stop al processo nelle ore notturne.

L’implementazione è quindi indirizzata verso una modulazione della lunghezza d’onda attiva, modificando il fotocatalizzatore o drogandolo ed integrando nell’attuale composizione un generatore radicalico che possa svolgere il ruolo coperto nell’attuale versione dal sistema costituito da TiO2, luce solare, molecole di acqua ed ossigeno,capace di produrre radicali dell’ossigeno molto attivi per degradare gli inquinanti da abbattere.

Chemistry » “Phthalocyanines and Some Current Applications”, book edited by Yusuf Yilmaz, ISBN 978-953-51-3256-1, Chapter 10 Phthalocyanines: Alternative Sensitizers of TiO2 to be Used in Photocatalysis By William A. Vallejo Lozada, Carlos Diaz-Uribe, Cesar Quiñones, Mileidy Lerma, Catalina Fajardo and Karen Navarro DOI: 10.5772/67880