Strategie contro l’inquinamento “indoor”

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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

I misteri di Report.

Claudio della Volpe

Pochi giorni fa la trasmissione Report ha denunciato come “misterioso” e non giustificato l’aver trovato una certa quantità di titanio, nelle bibite gasate che stava analizzando per motivi legati al loro metodo di produzione; in effetti è un buon argomento di vendita la “misteriosità” della ricetta di alcune di queste bibite e nell’ambito di una trasmissione sulla Coca-Cola il tema presenta un certo interesse. Ho seguito anch’io quella trasmissione e sono rimasto colpito da questo apparente “mistero”; non essendo un esperto ho voluto approfondire. Il titanio era riportato alla concentrazione di alcuni ppb, ossia parti per miliardo, che corrispondono a microgrammi per chilogrammo.

Inoltre nei medesimi giorni un intervento sul nostro blog ha riguardato un analogo tema; infatti nel post: Poletilentereftalato nell’industria alimentare

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2016/01/24/polietilene-tereftalato-nellindustria-alimentare/

pubblicato oltre un anno fa Luigi Campanella poneva l’accento sui problemi legati alla cessione da parte del PET, il polietilentereftalato, il componente essenziale dei contenitori; esso potrebbe avere problemi di cessione specie se la conservazione delle bottiglie non è fatta nel modo migliore.

In quel post Luigi riportava la presenza di piccole quantità di antimonio nella soluzione, ma soprattutto di componenti provenienti dal polimero e di elementi di degradazione del PET che secondo alcuni autori potrebbero addirittura avere effetti mutageni; vi rimando al post e ai lavori in esso citati per maggiore completezza.

In un recente intervento sul post un lettore poneva la domanda se la presenza di titanio, i cui composti stanno sostituendo l’antimonio come componente dei catalizzatori di polimerizzazione del PET, può essere giustificato. Nella medesima domanda poneva anche il problema se l’uso dell’acido acetico 3% fosse una scelta giusta, e quale fosse il suo pH. A questa seconda domanda rispondo immediatamente: dato che una soluzione 3% di acido acetico corrisponde a circa 30g per litro, ossia 0.5M, il suo pH si calcola immediatamente dalla costante acida essere attorno a 2.5, dunque proprio i valori che il lettore chiede.

In effetti negli ultimi anni si sono introdotti catalizzatori a base di titanio nella produzione di PET; questo è ampiamente documentato in letteratura; si veda per esempio qui, una conferenza internazionale del 2006, quindi oltre 10 anni fa, in cui i catalizzatori a base di titanio sono proposti come alternativa al più inquinante antimonio. I vantaggi rispetto all’antimonio sono dati anche dai risultati tecnici, come la trasparenza del polimero finale, la cessione ridotta di monomero e così via.

La concentrazione di titanio nella massa del materiale da catalizzare è dell’ordine delle decine di ppm, ossia parti per milione (mg per chilogrammo di polimero) e dunque è ragionevole immaginare che una cessione di questo catalizzatore possa arrivare a concentrazioni dell’ordine dei ppb, mille volte inferiore, nel contatto con la soluzione acidula di bevanda o comunque con una soluzione acquosa (microgrammi per litro). Non c’è dunque alcun mistero nella presenza di ppb di titanio nelle bibite date, che sono concentrazioni largamente inferiori a quelle ritenute potenzialmente pericolose.(Ovviamente l’esatto rapporto dipenderà dalla storia della bottiglia, potrebbe essere anche 1:100 o perfino 1:10 se la storia del’immagazzinamento lo consente).

E’ da dire che il titanio è usato anche per un altro scopo molto diverso ed è usato direttamente in alcune bibite come “clouding agent” ossia come agente di “oscuramento” per rendere per esempio le bibite di succhi di frutta più simili a quelle naturali; il tema è ampiamente noto ed è stato trattato in tesi come questa che linko che sono anche esse liberamente scaricabili dalla rete (ovviamente in inglese)

https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/93815/julkaistava%20versio_%20Anne%20Kuisma_TiO2.pdf?sequence=1

Tesi di Anne Kuisma presso la Università finlandese Metropolia di scienze applicate ad Helsinki, la maggiore della Finlandia.

In questo caso la concentrazione di titanio (denominato qui come E171 in genere) è molto più alta, può arrivare molto al di sopra di quella determinata nelle bibite studiate da Report.

In un recente lavoro pubblicato da EFSA che è l’organismo europeo che si occupa di questi temi si è rianalizzato il tema del pericolo da titanio; il report si chiama:

Re-evaluation of titanium dioxide (E 171) as a food additive. EFSA Panel on Food Additives and Nutrient Sources added to Food (ANS) pubblicato nel giugno 2016, scaricabile liberamente da qui.

La conclusione del panel di esperti è che la sicurezza generale del prodotto è notevole e che il limite di ben 2.25g/kg di peso corporeo come assorbimento è valido; comunque il panel di esperti attende sviluppi della letteratura per stabilire un limite di assorbimento per i potenziali effetti mutageni della sostanza che sono stati più volte indicati in letteratura ma senza la rigorosità necessaria.

Titanio tetrabutossido, possibile catalizzatore per PET

Ovvio che nel caso del titanio usato come clouding agent non stiamo parlando dei medesimi composti di titanio usati come catalizzatori (per esempio titanio tetrabutossido) ma di TiO2, un ossido inorganico molto comune.

Questo fra l’altro mi fa ricordare che il biossido di titanio (TiO2) è uno dei principali componenti delle vernici bianche (Corradini mi ricordo che lo diceva sempre a lezione, una delle prime cose che ho sentito da lui) ed una delle sostanza di sintesi più usate del mondo. Il biossido nanometrico, come aerossido o P25 è anche uno dei comuni composti usati in laboratorio per costruire le celle di Graetzel, le celle fotovoltaiche a colorante organico attivato.

Un recente lavoro a riguardo della mutagenicità/cancerogenicità dell’E171 è quello comparso su Scientific Reports 2017 e che riguarda l’effetto della quota di nano particolato presente anche nell’E171 usato per scopi alimentari; il lavoro è stato citato da Report, ma senza citare per esempio la pubblicazione dell’EFSA. In esso si studia l’effetto aggravante della frazione di nanoparticolato presente nell’E171 ma su tessuti di ratto in cui il tumore è stato indotto artificialmente e anche su ratti normali attraverso lo studio dellla formazione di ACF, ossia di lesioni precancerose; tuttavia è da dire che la relazione fra questi ACF e lo sviluppo successivo di cancro al colon dell’animale da esperimento non è ben chiarito (si veda anche qui).

Non intendiamo qui dare alcuna risposta sul tema, il compito è degli organismi deputati allo scopo che lo faranno, che lo stanno già facendo; la questione o mistero piuttosto è quando Report si deciderà, come anche gli altri giornalisti, a rivolgersi ai chimici invece di ventilare inesistenti misteri, come quello della “ingiustificata” presenza di titanio nelle bibite. Siamo per il principio di precauzione, ma vorremmo meno allarmismo e più giornalismo di inchiesta (vero). Fra l’altro la segnalazione di Luigi sugli effetti dei residui del polimero rimane sempre valida.

 

Asfalto verde

E’ APERTA LA RACCOLTA DI FIRME PER LA PETIZIONE ALLA IUPAC per dare il nome Levio ad uno dei 4 nuovi elementi:FIRMATE!

https://www.change.org/p/international-union-of-pure-and-applied-chemistry-giving-name-levium-to-one-of-the-4-new-chemical-elements

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Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Luigi Campanella, ex Presidente SCI

Disinquinare l’ambiente dagli effetti nocivi del traffico, degli impianti di riscaldamento, dei reattori industriali sfruttando i processi di fotodegradazione catalitica innescata da opportuni additivi all’asfalto (ambiente esterno), ai muri delle nostre case (ambiente interno): questa è la notizia che attraverso articoli più o meno scientifici, più o meno divulgativi, è ripetutamente trapelata sulla stampa quotidiana e su quella specialistica. C’è da crederci?

bio

La base scientifica è corretta. Infatti i processi fotocatalici mediati dai semiconduttori permettono di degradare una grande varietà di molecole potenzialmente tossiche.

La meccanica quantistica descrive la struttura elettronica dei semiconduttori attraverso la teoria delle bande: le bande interessate al processo catalitico sono l’ultima occupata (o livello di Fermi) e la prima vuota (o di conduzione); in condizioni normali, gli elettroni non sono in grado di saltare dal livello di Fermi a quello di conduzione. In seguito ad un opportuno stimolo però (quale ad esempio uno stimolo luminoso) tale barriera energetica può essere superata: se un fotone di opportuna lunghezza d’onda colpisce la particella del semiconduttore, cedendo la propria energia ad un elettrone nella banda di valenza, quest’ultimo potrà saltare nella banda vuota di conduzione. Questo insieme di eventi porta alla generazione di una lacuna elettronica nel livello di Fermi che può dare inizio, di concerto con l’elettrone passato nel livello di conduzione, ai seguenti processi

  • L’elettrone può tornare nel livello di partenza dal quale è stato eccitato, cedendo all’ambiente il proprio surplus energetico sotto forma di calore.
  • L’elettrone può realizzare un processo di riduzione, venendo ceduto ad una specie riducibile presente in soluzione.
  • La lacuna elettronica può realizzare un processo ossidativo strappando un elettrone ad una specie ossidabile presente in soluzione.

Questi processi avvengono all’interfaccia liquido/semiconduttore ossia quando le coppie elettrone/lacuna positiva formatesi nell’ossido per interazione con la radiazione si sono diffuse sulla superficie del semiconduttore. Affinchè il processo catalitico sia attivo è importante che i meccanismi di cattura di elettroni e lacune positive avvengano in un intervallo di tempo minore rispetto a quello richiesto per la ricombinazione, nell’ossido semiconduttore, della coppia elettrone/lacuna positiva. Nel caso dell’ossido di titanio (in forma cristallina anatasio più attiva del rutilo e della brookite) la letteratura esistente fornisce, per il processo fotocatalitico in soluzione acquosa un possibile meccanismo di tipo radicalico:

asfalto1asfalto2

(da Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 13 (2012) 224–245 di Vincenzo Augugliaro et al)

Allora aggiungendo alla composizione dell’asfalto od a quella dell’intonaco per pareti interne una certa quantità di biossido di titanio e sfruttando la luce solare, o di lampade che la simulano, si potrebbe supporre di fotodegradare cataliticamente alcuni comuni inquinanti dispersi nell’ambiente. In effetti le cose non stanno esattamente cosi per differenti motivi.

Innanzitutto la fotodegradazione è processo diverso dalla fotomineralizzazione in quanto quest’ultima corrisponde all’ultimo stadio della prima e comporta la formazione di anidride carbonica, acqua, ossidi di zolfo e di azoto ed ioni comuni. Spesso invece le fotodegradazioni si fermano a stadi intermedi. Il secondo punto riguarda la particolare situazione dell’asfalto dove, se il biossido di titanio occupa volumi troppo interni, rischia di non ricevere la radiazione solare, mentre se è superficiale viene facilmente rimosso dalle ruote dei veicoli che vi passano sopra e dal calpestio. Infine per quanto riguarda i muri essendo interni la radiazione solare è poco attiva e la luce artificiale, in relazione all’intervallo di lunghezza d’onda che la caratterizza, non ha l’energia sufficiente a promuovere gli elettroni di valenza nella banda di conduzione del TiO2.

asfaltocatalitico

Molto più ragionevole allora rispetto alle ipotesi formulate sulla stampa, appare quella di membrane che immobilizzano TiO2 e che operando in vasche di idonee dimensioni esposte alla luce solare possono catalizzare il risanamento di effluenti industriali inquinanti.

si veda anche:

PHOTOCATALYTIC ACTIVITY OF TiO2 EMBEDDED FOR OXIDATION OF HYDROSOLUBLE APPOOLUTANTS, APPL.CAT. B. ENVIR JANUARY 2015 pg 82-89, F.Persico,M.Sansotera,C.Bianchi,C.Cavallotti,W.Navarini