IT202000027308A1 - Sistema Raman di monitoraggio della qualità dell'aria (SMR) - Google Patents
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Description
Titolo: Sistema Raman di monitoraggio della qualit? dell?aria (SMR).
Descrizione
Campo della tecnica
La presente invenzione attiene al settore tecnico relativo al monitoraggio della qualit? dell?aria.
Stato dell?arte
A 22 anni dalla firma del Protocollo di Kyoto (11 dicembre 1997), attraverso il quale ? stato posto un limite alle emissioni dei gas a riconosciuto effetto serra, in particolare: anidride carbonica (CO2); Metano (CH4); Ossido di azoto (N2O); idrofluorocarburi (HFC); perfluorocarburi (PFC) e esafluoruro di zolfo (SF6), vi ? l?occasione di riflettere su tutte le strategie volte a monitorare ed a limitare tutte le fonti di contaminazione presenti nella Societ? moderna, non solo in relazione a cambiamenti globali, ma anche in funzione di una prevenzione del rischio ambientale e per la salute umana associato alle emissioni di inquinanti tossici ed aggressivi. Riconoscendo che i paesi industrializzati sono i principali responsabili degli attuali livelli di emissioni di gas serra in atmosfera a seguito di oltre 150 anni di attivit? industriale, il protocollo impone un onere maggiore per le nazioni sviluppate in base al principio di ?responsabilit? comuni ma differenziate?. Il problema della qualit? dell'aria ? di estrema attualit? ed ? fonte di preoccupazione per i rischi connessi alla salute umana a causa degli inquinanti presenti nell?aria che respiriamo. Pertanto monitorare la qualit? dell?aria ? necessario per il bene comune ed ? interesse delle autorit? locali ma anche responsabilit? delle industrie pubbliche e private capire e prevenire l?impatto ambientale della propria struttura. La valutazione della qualit? dell?aria ? organizzata in base alla zonizzazione del territorio ed alla successiva classificazione delle zone e degli agglomerati. Le modalit? da seguire per giungere alla valutazione della qualit? dell?aria in ciascuna zona vengono descritte nel programma di valutazione (PdV) e possono comprendere l?utilizzo di stazioni di misurazione per le misure in siti fissi, per le misure indicative, le tecniche di modellizzazione e le tecniche di stima obiettiva da applicarsi ai sensi del D.Lgs.
155/2010. Le modalit? per la definizione delle misurazioni in siti fissi dipendono quindi dall?inquinante considerato e dalla sorgente da monitorare. Il PdV deve prevedere, infatti, per tutti gli inquinanti normati, l?individuazione delle stazioni di misura dedicate al monitoraggio delle fonti diffuse e alle fonti puntuali. Il numero minimo di punti di misura in siti fissi per inquinanti legati alle sorgenti diffuse ed il numero minimo delle stazioni sono quindi fissati e dipendono direttamente dalla zonizzazione e dalla classificazione delle zone. La tecnologia a servizio del monitoraggio ambientale sta rapidamente evolvendo nell?ultimo decennio soprattutto sotto la spinta della Comunit? Europea e del Joint Research Center. Le stazioni di monitoraggio implementate dalle Agenzie Regionali per la Protezione Ambientale sono di stampo classico, ossia grandi e ingombranti costruzioni nei quali sono allocati tutti gli strumenti di misura degli inquinanti.
Tale tecnologia, anche se in linea con le disposizioni normative in materia ambientale, risulta essere obsoleta e poco si presta al monitoraggio capillare dei territori. Si sono sviluppate quindi negli ultimi anni centraline di monitoraggio della qualit? dell?aria sempre pi? performanti, in grado di poter costituire dei network ad elevata risoluzione spaziale e temporale. La trasmissione dei dati in tempo reale ? divenuta a tutti gli effetti una caratteristica fondante delle centraline di monitoraggio. La tecnologia nel campo del monitoraggio ambientale si ? evoluta fino all?implementazione di reti di monitoraggio dinamiche. Sono presenti in tutta Europa prototipi di stazioni dinamiche e in particolare in Italia (a Milano) esiste una rete correntemente funzionante di sensori in tempo reale operante su strada. Poich? l?argomento relativo alla qualit? dell?aria riveste un ruolo cos? importante, in molti stanno studiando come migliorare tali sistemi.
In Italia la rete dedicata al monitoraggio e controllo dello stato dell?ambiente nasce nel 1994 con l?istituzione del sistema delle Agenzie Ambientali ed affida alle singole regioni e alle province autonome il compito di istituire le Agenzie Regionali e Provinciali.
Obiettivo della Legge ? quello di creare una vera e propria rete di soggetti demandati ai controlli ambientali in cui il livello tecnico-scientifico rappresentato dall?Agenzia Nazionale interagisce con il livello tecnico-operativo delle Agenzie Regionali (ARPA), in un rapporto non gerarchico ma di collaborazione e confronto, nel rispetto dell?autonomia di ciascuna agenzia. Le reti di monitoraggio sono il principale strumento per la valutazione della qualit? dell?aria, formula con cui possiamo intendere l?insieme delle attivit? che hanno come obiettivo verificare se sul territorio di uno stato siano rispettati i valori limite e raggiunti gli obiettivi stabiliti al fine di prevenire, eliminare o ridurre gli effetti avversi dell?inquinamento atmosferico per la salute umana e per l?ecosistema. Le misure in siti fissi, realizzate seguendo metodi di riferimento o equivalenti, permettono di ridurre al minimo l?incertezza di ogni singola determinazione, e quindi di ottenere un?informazione caratterizzata dalla massima accuratezza possibile, sia pure di limitata rappresentativit? spaziale. Rappresentano quindi lo strumento d?elezione per la stima della variabilit? temporale (giornaliera, stagionale e di lungo termine) dell?inquinamento atmosferico, contribuendo alla valutazione dello stato e del trend della qualit? dell?aria e dell?efficacia delle misure di risanamento. Le reti di monitoraggio si sono evolute nel tempo, sia nei criteri di progettazione e realizzazione, sia nei metodi e nella tecnologia degli strumenti di misura, parallelamente allo sviluppo delle conoscenze scientifiche sulle cause e gli effetti dell?inquinamento atmosferico e sulle dinamiche chimico-fisiche che determinano il destino degli inquinanti in atmosfera. Per assicurare la massima rappresentativit? e comparabilit? dei risultati ottenuti dalle reti di monitoraggio della qualit? dell?aria queste dovrebbero essere basate su criteri di progetto (distribuzione e numero dei punti di misura) e di classificazione omogenei, essere composte da un numero di stazioni costante nel tempo e fornire una copertura temporale dei dati completa. Le centraline, collocate in aree urbane, tramite analizzatori automatici solitamente misurano e rendono pubblici i dati relativi almeno alle polveri sottili PM10 e PM2.5, biossido di azoto (NO2), biossido di zolfo (SO2), ozono (O3), monossido di carbonio (CO) e benzene (C6H6). Per la corretta progettazione di una rete di monitoraggio occorre quindi considerare che le specie con un lungo tempo di permanenza in atmosfera mostrano una buona uniformit? su larga scala, quindi la loro variazione spaziale e gli andamenti temporali possono essere valutati con un numero relativamente basso di siti di campionamento; mentre le specie con un tempo di vita in atmosfera breve hanno variabilit? spaziale e temporale, che per essere descritte necessitano di un numero elevato di punti di misura opportunamente posizionati. I dati vengono quotidianamente e periodicamente diffusi al pubblico e sono condivisi tra gli Stati membri dell?Unione. I dati delle reti sono inoltre fondamentali per le simulazioni modellistiche, in particolare nella stima dell?incertezza di tali applicazioni, e nel miglioramento delle stime previsionali ottenibili dalle stesse simulazioni. Accanto alla rete di monitoraggio nazionale, esiste una rete di monitoraggio supplementare. Si tratta dell?uso di un sistema di sensori di qualit? dell?aria a complemento della rete ufficiale di centraline esistenti, in modo da colmare le lacune di tale rete. Questi sensori aggiuntivi possono venire collocati in una posizione fissa o su piattaforme mobili, a seconda degli obiettivi. I dati forniti da questa rete di monitoraggi supplementare aiuteranno ad identificare delle potenziali sorgenti di inquinamento. Le linee guida europee suggeriscono come ragionevoli una precisione ed un bias del /- 30-50% per questo tipo di applicazione. Infatti, la direttiva 2008/50/EC dell?Unione Europea fa riferimento alle cosiddette ?misurazioni indicative?, le quali possono venire usate come complemento alle misurazioni fisse nell?ambito del monitoraggio di legge. I sensori di ultima generazione includono la tecnologia laser scattering per la misura delle polveri sottili e l?implementazione prevalentemente di sensori elettrochimici e ad ossidi di stagno per la misura dei gas e dei composti organici volatili (VOC).
Per quanto riguarda la spettroscopia Raman, essa ? tradizionalmente associata alle misure nel campo del restauro artistico o comunque alla misura di componenti su film solidi. Fra le pi? moderne tecniche di indagine non distruttive di manufatti artistici e storici, particolare importanza hanno assunto le tecniche di spettroscopia ottica ed in particolare la tecnica micro-Raman. La spettroscopia Raman indaga la regione spettrale delle vibrazioni molecolari per cui fornisce importanti informazioni sulla natura, composizione, struttura dei sistemi molecolari, dai pi? semplici ai pi? complessi, tramite l?analisi dello spettro. Essa quindi assume una rilevante importanza analitica tanto pi? che gli attributi di non intrusivit?, applicabilit? in situ, possibilit? di ottenere informazioni complete da microscopiche regioni del campione in studio, particolare semplicit? di campionamento, sono tutti elementi che giocano a favore di un suo vasto impiego come tecnica di indagine scientifica. La tecnica di microscopia Raman offre notevoli vantaggi pratici nell?identificazione dei materiali mediante un?analisi da eseguire direttamente su piccoli campioni. La spettroscopia Raman si basa sulla rivelazione della distribuzione spettrale di luce diffusa a lunghezze d?onda diverse da quelle della luce laser che irraggia il campione. Questo effetto ? dovuto alle vibrazioni molecolari del materiale che modulano la luce diffusa e quindi lo spettro Raman che si ottiene contiene importanti informazioni sulla natura, composizione e struttura dei sistemi molecolari, organici e inorganici, che costituiscono il materiale in studio. La combinazione di un microscopio ottico e della strumentazione Raman rende possibile l?ottenimento di spettri Raman di particelle di dimensione di pochi micron, con una grande sensibilit?. La spettroscopia Raman ? una tecnica di emissione sensibile alla polarizzabilit? delle molecole che non richiede preparazione del campione, permette analisi non distruttive e in contenimento attraverso imballaggi, bottiglie e fiale, fornisce informazioni sullo stato chimico-fisico del campione, sulle interazioni intermolecolari, sulla composizione chimica e sulla struttura del campione, riconoscendo forme polimorfe e cristalline, consente analisi in alta risoluzione, inferiore a un micron, e permette mappature di campioni e analisi confocale.
La spettroscopia Raman viene utilizzata a livello industriale per una grande variet? di applicazioni, che comprendono:
? Processi di cristallizzazione,
? Identificazione di polimorfismi,
? Reazioni di polimerizzazione,
? Reazioni di idrogenazione,
? Sintesi chimica,
? Biocatalisi e catalisi enzimatica,
? Chimica a flusso,
? Monitoraggio di bio-processi,
? Reazioni di sintesi.
Sporadici studi hanno provato ad utilizzare detta tecnologia per fornire i profili di concentrazione simultanea di soli vapore acqueo, temperatura e ozono (Philbrick and Mulik, 2000. Application of Raman Lidar to Air Quality Measurements). La rilevazione di ozono e vapore acqueo all?interno di un campione ? oggetto anche di studi pi? recenti utilizzando uno scattering Mie-Rayleigh (Shi et al., 2020. Influence analysis of the detection accuracy of atmospheric water vapor using the solar-blind ultraviolet Raman lidar).
Lo stato dell?arte sul monitoraggio ambientale prevede infatti l?utilizzo di un sensore o rivelatore per ogni tipologia di inquinante da misurare, siano essi solidi o gas. L?integrazione di pi? sensori o rivelatori all?interno di una struttura unica, quale la centralina di monitoraggio, prevede una attenta e impegnativa fase di progettazione. Inoltre visto il numero di sensori o rivelatori da utilizzare, una parte fondamentale della progettazione ? la definizione delle connessioni elettriche tra essi.
Pertanto gli attuali dispositivi impiegati per il monitoraggio ambientale, quali le centraline di monitoraggio poich? costituti da una pluralit? di sensori o rivelatori, ciascuno dei quali atto ad identificare e quantificare uno specifico inquinante, risultano essere piuttosto ingombranti e molto costosi.
WO0115762A1 divulga un dispositivo di monitoraggio di gas per evitare effetti di avvelenamento durante l'anestesia. Una miscela di gas 20 viene diretta attraverso una cella del campione 30. Un raggio di luce incidente 40, ad es. una sorgente laser, viene disperso nella cella e la luce diffusa 50 viene ricevuta da uno spettrografo 60 che misura lo spettro Raman della miscela di gas. Lo spettrografo 60 ? inoltre accoppiato a un'unit? di elaborazione 70 che determina la composizione della miscela di gas.
WO2020169808A1 divulga un metodo e apparecchiatura per identificare sostanze volatili utilizzando la spettroscopia Raman amplificata con risonatore. Il dispositivo 1 ha come elemento centrale una cella 2 che ? destinata a ricevere le sostanze da identificare in fase gassosa. A tal fine, la cella del gas 2 ha un ingresso gas 3 e un'uscita gas 4. Uno spettrometro Raman 5, 6, viene utilizzato per analizzare una composizione dello spettro della luce diffusa 7 dalla cella del gas, generata con l'ausilio di una sorgente luminosa 8. Per poter identificare le sostanze nella cella 2 sulla base della luce diffusa 7 anche quando la pressione parziale di queste sostanze ? molto bassa, la cella 2 presenta un risonatore 10 che ? sintonizzato sulla lunghezza d'onda della luce irradiata (9) o della luce diffusa (7).
Sommario dell?invenzione
Il problema indirizzato dalla presente invenzione ? quindi quello di fornire un sistema pi? efficiente per il monitoraggio quali-quantitativo della qualit? dell?aria, che eviti la pluralit? di rilevatori, e che, preferibilmente, con un unico sensore o rilevatore consenta di monitorare contemporaneamente un ampio spettro di inquinanti.
Detto problema ? stato risulto mediante l?utilizzo della tecnologia Raman per la misura della presenza e delle concentrazioni degli inquinanti nell?aria che, con l?utilizzo di un solo sensore per misure quali-quantitative della qualit? dell?aria, consente di effettuare l?analisi quali/quantitativa di un ampio spetto di inquinanti presenti nell?aria. Vantaggiosamente, la centralina di monitoraggio ambientale conterr? un solo strumento di misura. Un unico sensore sar? in grado di restituire non solo la tipologia di inquinante analizzato (analisi qualitativa degli inquinanti dell?aria) ma anche le concentrazioni degli inquinanti misurate nell?aria (analisi quantitativa degli inquinanti dell?aria).
Il sistema della presente invenzione, inoltre, consente anche il monitoraggio di inquinanti che si trovano a concentrazioni particolarmente basse.
Un altro oggetto ? un metodo per monitorare gli inquinanti nell?aria basato sulla spettrometria Raman o microscopia Raman.
Pertanto la presente invenzione risolve il suddetto problema, mediante il sistema e l?uso come delineato nelle annesse rivendicazioni, le cui definizioni sono parte integrante della presente descrizione, consentendo di monitorare contemporaneamente la presenza e la quantit? di molti inquinanti, anche a basse concentrazioni, senza ricorrere ad una pluralit? di sensori.
Tale invenzione impiegando componenti semplici ed economici, risulta particolarmente vantaggiosa in termini di economicit? per applicazioni, specialmente su ampia scala industriale.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del sistema della presente invenzione risulteranno dalla descrizione degli esempi di realizzazione dell?invenzione, forniti come una indicazione dell?invenzione.
Breve descrizione della figure
Le Fig.1 mostra uno schema a blocchi dei componenti del sistema della presente invenzione.
La Figura 2 mostra lo spettro Raman ottenuto dalle sperimentazioni del sistema della presente invenzione.
Descrizione dettagliata dell?invenzione
Un oggetto della presente invenzione riguarda un sistema di monitoraggio Raman (Abbreviato ?SMR?) della qualit? dell?aria, atto ad identificare le diverse tipologie di inquinanti atmosferici direttamente nella fase gassosa. Infatti, tratto distintivo di questo sistema di monitoraggio ambientale consiste nella possibilit? di ottenere delle analisi quali-quantitative direttamente dalla fase gassosa. In altre parole, oggetto dell?invenzione ? un sistema di monitoraggio quali-quantitativo della qualit? dell?aria basato sulla spettroscopia Raman (abbreviato SRM).
L?utilizzo della spettroscopia Raman nel campo del monitoraggio della qualit? dell?aria o monitoraggio ambientale ? risultata essere molto efficace perch? la diffusione vibrazionale Raman fornisce distinti spostamenti della lunghezza d'onda per vibrazioni specifiche di ciascuna specie di inquinanti. Gli stati energetici delle molecole e lo scattering Raman rotazionale forniscono un segnale con uno spostamento della lunghezza d'onda che dipende direttamente dalle specie caratteristiche del campione analizzato. L?implementazione della tecnologia Raman a servizio del monitoraggio ambientale presenta pertanto un potenziale applicativo estremamente elevato.
Vantaggiosamente, la centralina di monitoraggio ambientale conterr? un solo strumento di misura. Un unico sensore sar? in grado di restituire non solo la tipologia di inquinante analizzato ma anche le concentrazioni degli inquinanti misurate.
La centralina di misura o di monitoraggio ambientale comprende al suo interno una camera di misura (3) che ? stata progettata per poter interagire al meglio con il microscopio Raman.
Inoltre, ? stato risolto il problema dell?amplificazione della concentrazione dei gas, ovvero dei gas inquinanti, specialmente quelli a bassa concentrazione. Fino ad ora infatti, la spettroscopia Raman ? stata applicata prevalentemente all?analisi su solidi in cui le concentrazioni erano molto elevate. Nel caso dei gas, le concentrazioni misurate sono inferiori di diversi ordini di grandezza rispetto a quelle dei solidi. ? nata quindi la necessit? di aumentare la sensibilit? dello strumento, ed anche, per raggiungere limiti di rivelabilit? pi? bassi per gli inquinanti atmosferici. Tale ulteriore problema ? stato risolto controllando la temperatura e l?umidit? relativa della camera di campionamento (3), il che ha consentito di apprezzare anche piccole concentrazioni di sostanze gassose. Infatti al fine di abbassare il pi? possibile il limite di rivelabilit? degli inquinanti il blocco di pretrattamento dell?aria (2), comprende un sistema a membrane, il quale ha lo stesso principio di funzionamento del setaccio molecolare.
L'utilizzo di un sistema a membrane ovvero di un setaccio molecolare inserito nel blocco di pretrattamento dell?aria (2), ha infatti consentito di misurare agevolmente le concentrazioni degli inquinanti nell?aria anche a basse concentrazioni.
Detto sistema di membrane consente al blocco di pretrattamento dell?aria (2), di portare l?umidit? dell?aria da un valore compreso tra il 50 e il 90 % di umidit? relativa, ad un valore compreso tra il 50, 60 %. Pertanto detto blocco di pretrattamento dell?aria (2) ? atto a rilasciare ovvero rilascia aria con umidit? relativa compresa tra il 50 ed il 60% di umidit? relativa, preferibilmente compreso tra il 50, 60%.
Inoltre il blocco di pretrattamento dell?aria (2), consente di portare la temperatura dell?aria ad un valore compreso tra i 20?C e i 30 ?C. Pertanto detto blocco di pretrattamento dell?aria (2) ? atto a rilasciare ovvero rilascia aria con temperatura compresa tra i 20?C e i 30 ?C.
Con riferimento alla fig.1, il sistema di monitoraggio Raman (10) degli inquinanti presenti nell?aria comprende:
- una unit? di suzione dell?aria (1),
- un blocco di pretrattamento dell?aria (2),
- una camera di misura (3),
- una unit? di uscita dell?aria (4),
- una sorgente laser (5),
- un blocco di specchi (6),
- una unit? sensore (7).
L?aria da analizzare entra nel sistema di misura attraverso l?unit? di suzione (1) e passa al blocco di pretrattamento (2). Il blocco di pretrattamento (2) comprende un sistema a membrane ovvero un setaccio molecolare che effettua un pretrattamento dell?aria che consente al flusso di aria stesso di raggiungere quelle caratteristiche ottimali per la camera di misura (3). In particolare, nel blocco di pretrattamento (2), l?aria viene condizionata in modo da abbattere l?umidit? contenuta nel campione da analizzare. Il controllo dell?umidit? e della temperatura consentono l?analisi ottimale del flusso di aria, eliminando di fatto tutte le possibili cause che potrebbero portare ad una misura errata. Una volta uscito il flusso d?aria dal blocco di pretrattamento (2) esso passa quindi nella camera di misura (3) dove viene investito dal laser generato dalla sorgente laser (5). La luce scatterata emessa dal campione d?aria, dopo esser passata attraverso un sistema di specchi (6) ed una unit? sensore (7), consente l?analisi quali-quantitativa del campione di aria.
Le grandezze misurate, ovvero gli inquinanti misurati quali/quantitativamente dal sistema di monitoraggio Raman (SRM) sono uno o pi? di quelli selezionati dal gruppo comprendente: polveri sottili PM10, PM2.5 e PM1, biossido di azoto (NO2), biossido di zolfo (SO2), ozono (O3), monossido di carbonio (CO), acido solfidrico (H2S) e composti organici volatili (VOC).
Secondo una forma di realizzazione preferita, in cui l?unit? sensore (7) ? atta ad identificare e/o quantificare inquinanti dell?aria quali almeno due oppure tutti quelli dal gruppo costituito da polveri sottili PM10, PM2.5 e PM1, biossido di azoto (NO2), biossido di zolfo (SO2), ozono (O3), monossido di carbonio (CO), acido solfidrico (H2S) e composti organici volatili (VOC).
Secondo una forma di realizzazione pi? preferita, in cui l?unit? sensore (7) ? atta ad identificare e/o quantificare inquinanti dell?aria quali almeno due oppure tutti quelli dal gruppo costituito da polveri sottili PM10, PM2.5 e PM1, biossido di azoto (NO2), biossido di zolfo (SO2), ozono (O3), monossido di carbonio (CO), acido solfidrico (H2S) e composti organici volatili (VOC), laddove la detta misurazione avviene contemporaneamente per almeno due o tutti gli inquinanti.
Infatti fino ad oggi a tecnologia Raman era stata applicata su solidi e liquidi. La spettroscopia Raman o spettroscopia di scattering Raman ? una tecnica di analisi dei materiali basata sul fenomeno di diffusione di una radiazione elettromagnetica monocromatica da parte del campione analizzato. Essa rappresenta una tecnica di caratterizzazione dei materiali molto efficace, in quanto non necessita di manipolazione dei campioni.
Un ulteriore problema ? stato quindi l?amplificazione del segnale per riuscire a misurare anche piccole concentrazioni di gas. Il problema ? stato risolto migliorando il laser rispetto al sistema tradizionale aumentandone la potenza e permettendo la variabilit? della lunghezza d?onda.
In particolare, la sorgente laser (5) ? atto ad emettere una raggio laser avente una potenza compresa da 0,1 W ad 1W
Il blocco di specchi (6) ? stato inserito per permettere una migliore distribuzione del raggio laser. Il raggio laser generato dalla sorgente laser (5) investe la camera di misura (3) e lo spettro risultante con le specie misurate viene rilevato da una unita sensore (7). L?unit? sensore (7) pu? essere un microscopio Raman.
Una volta effettuata la misura, l?aria lascia la camera di misura (3), mediante l?unit? di uscita dell?aria (4).
La misura che si ottiene ? espressa dallo spettro Raman. Uno spettro Raman ? dunque generato dallo scattering anelastico tra i fotoni di una radiazione incidente e le molecole che costituiscono il campione. Irradiando il campione con un fascio luminoso monocromatico a frequenza ?0, una parte della radiazione viene diffusa elasticamente alla stessa frequenza iniziale ?0, ovvero con fotoni della stessa energia, fenomeno definito come diffusione Rayleigh. Lo spettro della radiazione diffusa presenter? inoltre una serie di righe con frequenza maggiore o minore rispetto alla riga Rayleigh, dovute alla diffusione anelastica. Se l?energia nell?interazione con la molecola viene acquistata si parla di righe Raman Stokes, mentre se l?energia viene ceduta si avranno le righe Raman anti-Stokes. Come conseguenza dell?interazione della radiazione con una molecola, si ha la diffusione di quanti di energia che producono vibrazioni la cui frequenza ? caratteristica di uno specifico gruppo di atomi. Quando una molecola si trova nello stato eccitato di un modo vibrazionale proprio, l?ampiezza dell?oscillazione sar? molto pi? elevata rispetto a quella dei gruppi atomici vicini, si parla perci? di vibrazione localizzata. La frequenza della vibrazione localizzata varia soltanto in minima misura al variare dei gruppi chimici circostanti, cos? come l?energia delle bande Raman associate, si pu? quindi affermare che si tratta di una frequenza caratteristica di uno specifico gruppo atomico.
In sostanza, il sistema SMR analizza l?aria e restituisce misure quali-quantitative indicando quali inquinanti ed in che quantit? essa contiene.
PARTE SPERIMENTALE
? stata effettuata in laboratorio una sperimentazione Raman per il monitoraggio quali-quantitativo in fase gassosa. Le sperimentazioni effettuate hanno consentito di apprezzare anche piccole concentrazioni di sostanze gassose presenti quali inquinanti dell?aria, controllando la temperatura e l?umidit? relativa della camera di campionamento (3). Sono stati ottenuti spettri Raman (vedi Figura 2) caratteristici per le diverse specie gassose testate, NO2, O3, CO, H2S, SO2, variando:
- la temperatura che ? stata posta a 5?C, 15?C e 25 ?C,
- l?umidit? relativa che ? stata impostata al 30%, 60% e 90%.
Lo spettro Raman ? caratteristico per le diverse specie gassose. Le molecole vengono colpite da radiazione monocromatica e una piccola parte della radiazione diffusa presenta una lunghezza d?onda diversa da quella della radiazione incidente. La radiazione diffusa ? costituita principalmente da scattering Rayleigh alla stessa lunghezza d'onda della radiazione incidente, ma anche da righe Stokes a lunghezze d'onda minori e righe anti-Stokes a lunghezze d'onda maggiori.
Durante l?attivit? sperimentale ? stato possibile, grazie alle numerose prove sperimentali effettuate, concentrarsi sull?ingegnerizzazione del sistema di monitoraggio degli inquinati gassosi Raman implementando la camera di pretrattamento e stabilizzazione dell?aria campionata.
Il principale vantaggio nell?utilizzo della spettroscopia Raman risiede nel minor numero di sensori da installare all?interno di una centralina di monitoraggio ambientale. In questo modo un solo sistema di misura consente contemporaneamente il monitoraggio di pi? inquinanti e del particolato atmosferico sospeso. La centralina di monitoraggio ambientale che include il sistema SMR ? pi? semplice rispetto alle attuali centraline di monitoraggio ambientale ed si basa su una tecnologia estremamente innovativa e avanzata.
Il vantaggio ulteriore nell?implementazione del sistema a membrane all?interno del blocco di pretrattamento dell?aria (2), risiede nella maggiore risoluzione che il sistema di misura acquista. In questo modo aumenter? notevolmente la sensibilit? dello strumento riuscendo a misurare anche basse concentrazioni di inquinanti presenti nell?aria.
Un ulteriore vantaggio del sistema ? che consente di misurare contemporaneamente gas e polveri nella stessa camera di misura (3).
Un altro oggetto ? una centralina per il monitoraggio ambientale comprendente il sistema di monitoraggio Raman (10) sopradescritto, inclusa qualsiasi forma di realizzazione preferita.
Un altro oggetto ? un metodo per monitorare gli inquinanti presenti nell?aria comprendente:
a) alimentare un sistema di monitoraggio Raman (10) sopradescritto, inclusa qualsiasi forma di realizzazione preferita,
b) mediante il blocco di pretrattamento dell?aria (2) rilasciare aria con umidit? relativa compresa tra 50 e 60% e/o con temperatura compresa tra 20 a 30?C.
misurare qualitativamente e/o quantitativamente gli inquinanti presenti nell?aria del passaggio b) mediante spettroscopia Raman o microscopia Raman.
Secondo una forma di realizzazione di detto metodo, nel passaggio c) la sorgente laser (5) parte della spettroscopia o microscopia Raman emette una raggio laser avente una potenza compresa tra 0,1 W ad 1W.
Infine un ulteriore oggetto ? l?uso della spettroscopia Raman o della microscopia Raman per monitorare gli inquinanti presenti nell?aria mediante il sistema di monitoraggio Raman (10) sopradescritto, inclusa qualsiasi forma di realizzazione preferita.
Claims (10)
1) Sistema di monitoraggio Raman (10) degli inquinanti presenti nell?aria comprendente:
- una unit? di suzione dell?aria (1),
- un blocco di pretrattamento dell?aria (2),
- una camera di misura (3),
- una unit? di uscita dell?aria (4),
- una sorgente laser (5),
- un blocco di specchi (6),
- una unit? sensore (7).
2) Sistema di monitoraggio Raman (10) secondo la rivendicazione 1, in cui l?unit? sensore (7) ? atta ad identificare e/o quantificare inquinanti dell?aria quali uno o pi? di quelli selezionati dal gruppo comprendente: polveri sottili PM10, PM2.5 e PM1, biossido di azoto (NO2), biossido di zolfo (SO2), ozono (O3), monossido di carbonio (CO), acido solfidrico (H2S) e composti organici volatili (VOC).
3) Sistema di monitoraggio Raman (10) secondo la rivendicazione 1, in cui l?unit? sensore (7) ? atta ad identificare e/o quantificare inquinanti dell?aria quali almeno due oppure tutti quelli dal gruppo costituito da polveri sottili PM10, PM2.5 e PM1, biossido di azoto (NO2), biossido di zolfo (SO2), ozono (O3), monossido di carbonio (CO), acido solfidrico (H2S) e composti organici volatili (VOC), laddove la misurazione avviene contemporaneamente per almeno due o tutti gli inquinanti.
4) Sistema di monitoraggio Raman (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui blocco di pretrattamento dell?aria (2) comprende un sistema di membrane e/o setacci molecolari.
5) Sistema di monitoraggio Raman (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui blocco di pretrattamento dell?aria (2) ? atto a rilasciare aria con umidit? relativa compresa tra 50% a 60% .
6) Sistema di monitoraggio Raman (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui blocco di pretrattamento dell?aria (2) ? atto di rilasciare aria con temperatura compresa tra 20 a 30?C.
7) Sistema di monitoraggio Raman (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui la sorgente laser (5) ? atta ad emettere una raggio laser avente una potenza compresa tra 0,1 W ad 1W.
8) Sistema di monitoraggio Raman (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui l?unit? sensore (7) ? un microscopio Raman.
9) Centralina per il monitoraggio ambientale comprendente il sistema di monitoraggio Raman (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8.
10) Un metodo per monitorare gli inquinanti presenti nell?aria comprendente:
a) alimentare un sistema di monitoraggio Raman (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9 con l?aria da monitorare,
b) mediante il blocco di pretrattmento dell?aria (2) rilasciare aria con umidit? relativa compresa da 50% a 60% e/o con temperatura compresa tra 20 e 30?C.
misurare qualitativamente e/o quantitivamente gli inquinanti presenti nell?aria del passaggio b) mediante spettroscopia Raman o microscopia Raman.
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