La determinazione delle componenti carboniose del particolato atmosferico, in particolare del Carbonio Elementare (EC) e Carbonio Organico (OC), rappresenta sempre più un ambito tecnico e normativo di grande rilevanza per la valutazione della qualità dell’aria e delle sorgenti emissive. Per PM_TEN questo tema non è soltanto un settore di competenza: è parte integrante della propria identità scientifica. Il nostro gruppo, infatti, si occupa da anni del monitoraggio degli aerosol carboniosi, sviluppando competenze avanzate e partecipando a progetti di ricerca con studi e risultati riconosciuti nel settore.
In questo articolo verranno approfonditi tre aspetti chiave: il ruolo di EC e OC nel particolato atmosferico, con particolare attenzione alla loro rilevanza ambientale e alle implicazioni per la qualità dell’aria; le principali norme UNI di riferimento per la determinazione delle frazioni carboniose; e le metodologie di determinazione oggi riconosciute, con focus sui metodi termo‑ottici utilizzati come standard. Questo inquadramento consentirà di comprendere non solo “come” si misura, ma anche “perché” è fondamentale farlo.
Particolato atmosferico e qualità dell’aria
Il particolato atmosferico è una miscela complessa di particelle solide e liquide sospese nell’aria, caratterizzate da dimensioni, composizione chimica e origine estremamente variabili. Le particelle di aerosol possono essere emesse direttamente in atmosfera (aerosol primari) oppure formarsi in atmosfera a partire da gas precursori (aerosol secondari). La classificazione più utilizzata distingue tra PM10, ovvero le particelle con diametro aerodinamico inferiore a 10 µm, e PM2.5, la frazione più fine con diametro inferiore a 2,5 µm. Questa distinzione non è solo metrologica: le dimensioni influenzano profondamente il comportamento delle particelle in atmosfera, la loro capacità di penetrare nel sistema respiratorio e il loro ruolo nei processi chimico-fisici dell’aria.
Il particolato rappresenta uno dei principali indicatori della qualità dell’aria, poiché contribuisce in modo significativo all’inquinamento atmosferico urbano e industriale. Le sue concentrazioni e caratteristiche sono strettamente correlate agli impatti sulla salute pubblica, con evidenze consolidate che collegano l’esposizione al PM a patologie respiratorie, cardiovascolari e a effetti cronici a lungo termine. Per questo motivo, il PM è al centro delle politiche ambientali europee e nazionali, che fissano limiti, metodologie di misura e strategie di mitigazione.
Oltre alla quantità, la composizione chimica del particolato è un elemento chiave per comprendere l’origine delle emissioni e l’impatto che esso può avere sulla salute pubblica e sull’ambiente. Analizzare le diverse componenti permette di identificare le sorgenti prevalenti, distinguere tra contributi primari e secondari e supportare efficacemente attività di mitigazione e politiche di riduzione dell’inquinamento.
Carbonio Elementare (EC) e Carbonio Organico (OC): definizione e ruolo nel PM
All’interno del particolato atmosferico, la componente carboniosa rappresenta una quota significativa della massa totale, variabile indicativamente tra il 20% e il 50%. Questa frazione comprende diverse tipologie di composti, aventi diverse proprietà. In questo articolo l’attenzione è rivolta in particolare a due elementi chiave: il Carbonio Organico (OC) e il Carbonio Elementare (EC).
Di seguito vengono riportate le definizioni operative più diffuse.
- Carbonio Organico (OC): L’OC comprende un insieme molto eterogeneo di composti organici, volatili e semi‑volatili in cui l’atomo di carbonio tetravalente è chimicamente legato ad altri atomi di carbonio e/o idrogeno e altri elementi (come ossigeno, zolfo, azoto, fosforo, cloro, ecc.). Dal punto di vista operativo, rappresenta la frazione carboniosa che evolve in atmosfera inerte a temperature inferiori a 1.000 °C. L’OC può avere sia origine primaria, quando è emesso direttamente da combustioni, attività industriali o processi biogenici; oppure origine secondaria, quando si forma in atmosfera attraverso reazioni chimiche che trasformano gas precursori in particelle (SOA, Secondary Organic Aerosol).
- Carbonio Elementare (EC): L’EC è la frazione più refrattaria e stabile del particolato carbonioso, che non volatilizza a basse T (sotto a ~ 550 °C) e presenta forte correlazione con l’assorbimento di luce. È costituito da strutture grafitiche condensate, resistenti alla degradazione termica e chimica. Operativamente, viene definito come “la frazione carboniosa di particolato termicamente stabile, ottenuta dopo volatilizzazione della componente organica in atmosfera inerte, fino a temperature superiori a 3500°C e che può essere portato in fase gassosa per ossidazione a CO2 a temperature superiori a 340 °C” con rivelazione NDIR o PID (in caso di post-riduzione a CH4), dopo che è stato eliminato tutto il carbonio organico. L’EC deriva principalmente da processi di combustione di combustibili fossili, combustione di biomassa e processi industriali ed è tipicamente associato a particelle fini e ultrafini di origine antropogenica.
Altre quantità da tenere a mente sono il Carbonio Totale (TC), definito come la somma di OC ed EC e rappresenta l’intera frazione carboniosa del particolato ed il Black Carbon (BC) che identifica l’insieme delle particelle carboniose in grado di assorbire luce nel visibile (380–760 nm). Grazie alle sue proprietà ottiche, il BC è un indicatore chiave negli studi climatici, in quanto rappresenta la principale componente antropogenica assorbente della radiazione solare. EC e BC, pur essendo entrambi legati alla componente refrattaria degli aerosol carboniosi, non definiscono esattamente la stessa frazione di particolato, poiché le due definizioni dipendono da metodologie di misura differenti (ottiche vs termo-ottiche).
Gli aerosol carboniosi hanno un impatto significativo sul clima, grazie al loro ruolo nei processi radiativi e nella formazione delle nubi, e sulla salute umana. Nel 2021 l’OMS ha indicato Black Carbon ed Elemental Carbon come inquinanti di interesse sanitario, raccomandandone il monitoraggio. La composizione di questi aerosol contribuisce inoltre all’“impronta” distintiva di diverse “sorgenti” di particolato atmosferico. La determinazione accurata di EC e OC è quindi di fondamentale importanza per analisi come il source apportionment, ovvero la stima del contributo di diverse sorgenti emissive (traffico, biomassa, industrie, aerosol secondario) sul particolato atmosferico raccolto.
Norme UNI di riferimento
La regolamentazione degli aerosol carboniosi sta assumendo un’importanza sempre crescente nel quadro europeo della qualità dell’aria. Con l’entrata in vigore della Direttiva EU 2024/2881 (10 dicembre 2024), l’Unione Europea ha introdotto l’obbligo di monitorare alcuni inquinanti emergenti, tra cui BC ed EC, sia nelle aree di fondo rurale sia in quelle di fondo urbano. Questa scelta è pienamente in linea con le raccomandazioni dell’OMS per migliorare la comprensione dei loro effetti sulla salute e sull’ambiente
In Italia, le norme UNI rappresentano il riferimento tecnico essenziale per garantire metodi di misura armonizzati e conformi agli standard europei. Per quanto riguarda la determinazione delle frazioni carboniose nel particolato atmosferico, la norma di riferimento è la UNI EN 16909:2017, che definisce il metodo ufficiale per la misura di EC/OC nel PM2.5 mediante analisi termo‑ottica.
Queste norme stabiliscono:
- I requisiti per il campionamento del particolato
- Le condizioni operative per l’analisi termo‑ottica
- Le procedure di calibrazione e controllo qualità
- I criteri per garantire la tracciabilità e la comparabilità dei risultati
La UNI EN 16909:2017 descrive in modo dettagliato le procedure analitiche per quantificare EC e OC depositati su filtri in fibra di quarzo, espressi in µg/cm², e per calcolare le corrispondenti concentrazioni in aria (µg/m³).
Per quanto riguarda il campionamento, la norma richiede che i filtri siano raccolti in conformità alla UNI EN 12341:2023, che definisce il metodo gravimetrico di riferimento per la determinazione della concentrazione in massa di particolato sospeso PM10 o PM2,5.
La determinazione di EC/OC viene effettuata mediante analizzatore termo-ottico, uno strumento in cui i filtri in fibra di quarzo vengono sottoposti a un riscaldamento controllato prima in atmosfera inerte e successivamente in atmosfera ossidante. Durante queste fasi, i composti carboniosi vengono volatilizzati e ossidati, e la CO₂ prodotta è quantificata tramite sistemi di rivelazione FID o FT‑IR. La separazione della componente organica (OC) dalla componente elementare (EC) avviene mediante misurazione ottica in trasmittanza (TOT) o in riflettanza (TOR).
L’output dell’analisi comprende:
- concentrazione di OC (µg/cm² e µg/m³)
- concentrazione di EC (µg/cm² e µg/m³)
- concentrazione di TC (µg/cm² e µg/m³) come somma di OC ed EC
Grazie a questi riferimenti, la determinazione di EC/OC può essere eseguita in modo affidabile e standardizzato, supportando attività di monitoraggio, ricerca e valutazione delle sorgenti emissive.
Metodologie di determinazione di EC e OC
Metodi termo-ottici
I metodi basati sul riscaldamento sono attualmente l’approccio più diffuso per quantificare il carbonio totale e le sue principali frazioni, OC ed EC. I metodi termo-ottici consentono di distinguere in modo operativo tra frazione organica e frazione elementare attraverso una combinazione di riscaldamento controllato e misurazione ottica.
L’analisi termo‑ottica si basa sulla volatilizzazione e ossidazione del carbonio presente su un filtro in fibra di quarzo, sottoposto a riscaldamento in due atmosfere differenti:
- atmosfera inerte (elio), per la rimozione dell’OC
- atmosfera ossidante (miscela elio/ossigeno), per l’ossidazione dell’EC
Durante il processo, il carbonio rilasciato viene convertito in CO₂ e successivamente quantificato tramite rivelazione NDIR o, previa riduzione a CH₄, tramite rivelatore FID.
Durante la prima fase una parte dell’OC può subire il processo di pirolisi (charring) e portare alla formazione del carbonio pirolitico (PyrC), un composto che ha proprietà ottiche simili all’EC. Nella seconda fase, quindi, vengono ossidati e quantificati sia il EC che il PyrC formatosi nella prima fase.Per correggere l’effetto della pirolisi, la tecnica termo‑ottica utilizza un laser che monitora la trasmittanza (TOT) o la riflettanza (TOR) del campione. Durante la fase inerte, la formazione di PyrC provoca una diminuzione del segnale ottico. Durante la fase ossidante, la combustione del PyrC fa risalire il segnale. Il punto in cui la trasmittanza/riflettanza torna al valore iniziale è detto split point:
- tutto il carbonio rilasciato prima dello split point viene definito OC
- tutto il carbonio rilasciato dopo lo split point viene definito EC
Questa distinzione si basa sull’assunzione che il EC sia l’unica specie del PM in grado di assorbire la luce alla lunghezza d’onda del laser e che il PyrC abbia comportamento ottico equivalente. In realtà, possono essere presenti altre specie otticamente attive (dust minerale, brown carbon) oppure altri composti (metalli alcalini, VOC adsorbiti) che possono favorire il charring e influenzare la risposta ottica.
Fasi operative dell’analisi
Il campionamento avviene secondo la norma UNI EN 12341:2023, su filtri in fibra di quarzo pretrattati termicamente. Le membrane utilizzate per il campionamento sono infatti soggette all’adsorbimento di vapori organici; per questo motivo, prima dell’utilizzo vanno pretrattate in forno, alla temperatura di almeno 500 °C, per circa tre 3 ore al fine di rimuovere tutti i possibili interferenti organici adsorbiti.
L’analisi viene condotta su una porzione di filtro pari a 1–1,5 cm² ed il limite di rilevabilità tipico è circa 0,2 μg C/cm² per entrambe le frazioni.
Nella comunità scientifica vengono attualmente utilizzati 4 diversi protocolli termici per il riscaldamento del campione: NIOSH-like (QUARTZ), NIOSH 5040, IMPROVE, EUSAAR-2. Questi protocolli differiscono soprattutto nel valore massimo della temperatura della prima fase. Poiché lo split point dipende in modo significativo dal profilo termico adottato, cioè dalla combinazione di temperature e durata delle rampe di riscaldamento, la scelta del protocollo influisce direttamente sulla distinzione operativa tra OC ed EC.
La UNI EN 16909:2017 adotta il protocollo termo‑ottico EUSAAR‑2, ad oggi lo standard europeo per la determinazione di EC/OC nel PM2.5.
Importanza della qualità del dato e della conformità normativa
Le tecniche termo‑ottiche, pur essendo lo standard di riferimento per la misura delle frazioni carboniose, presentano alcune criticità intrinseche legate soprattutto alla distinzione operativa tra OC ed EC. La determinazione del materiale carbonioso totale risulta molto più accurata delle due determinazioni distinte, in quanto la misura primaria eseguita è quella del TC. Per questo motivo è bene effettuare ed archiviare sempre sia le misure di TC che quelle di OC ed EC.
La qualità del dato dipende da diversi fattori tecnici. La scelta del supporto filtrante è cruciale: l’analisi termo‑ottica richiede filtri in fibra di quarzo, gli unici in grado di resistere alle temperature elevate (oltre 800 °C) raggiunte durante il processo analitico. Inoltre, poiché l’analisi viene condotta su una porzione del filtro, è essenziale che il deposito del particolato sia omogeneo sull’intera superficie
La corretta esecuzione del metodo richiede anche un rigoroso controllo del ciclo termico, che è una misura distruttiva e non sempre ripetibile, e la presenza di personale altamente qualificato, con esperienza specifica nell’uso degli analizzatori termo‑ottici e nell’interpretazione dei segnali ottici.
In questo quadro, il rispetto delle norme UNI garantisce uniformità nei monitoraggi e piena coerenza con le direttive europee, assicurando che i dati raccolti siano confrontabili tra diverse reti e periodi di misura.
Applicazioni pratiche e contesti di utilizzo
Negli ultimi anni, lo studio dell’aerosol carbonioso ha assunto un’importanza crescente, sia in ambito scientifico che regolatorio, poiché è ormai consolidato che i composti carboniosi influenzino in modo significativo il clima e la salute umana. Dal punto di vista climatico, essi contribuiscono sia agli effetti diretti (assorbimento e scattering della radiazione elettromagnetica), sia agli effetti indiretti, influenzando i processi di formazione di nubi e ghiacci. Sul fronte sanitario, dal 2021 BC ed EC sono riconosciuti come inquinanti associati a rischi documentati per la salute umana, e il loro monitoraggio sistematico è raccomandato dall’OMS. A partire dal 2024, con l’entrata in vigore della nuova direttiva europea sulla qualità dell’aria, il monitoraggio di questi inquinanti diventa un requisito sia nei siti di fondo rurale sia in quelli di fondo urbano, in linea con le indicazioni dell’OMS.
Nell’ambito degli studi sulle sorgenti di emissione, i dati EC/OC rappresentano un indicatore essenziale per distinguere tra contributi derivanti dal traffico veicolare, dalla combustione di biomassa, da attività industriali e dalla formazione secondaria. Queste informazioni sono fondamentali per la definizione dei piani di risanamento della qualità dell’aria, poiché permettono di valutare l’efficacia delle misure adottate e di orientare le politiche di riduzione delle emissioni verso le sorgenti più rilevanti.
Un’applicazione di particolare rilievo riguarda il monitoraggio dell’esposizione professionale ai fumi dei motori diesel. I gas di scarico dei motori diesel sono stati classificati come cancerogeni per l’uomo dalla IARC, e la Direttiva UE 2019/130 – recepita in Italia con il DM Lavoro 11/02/2021, ha inserito il Carbonio Elementare tra le sostanze cancerogene da monitorare nei luoghi di lavoro, come marker dell’esposizione ai fumi di combustione dei motori diesel. In questo contesto, la determinazione dell’EC rappresenta uno strumento indispensabile per valutare il rischio e garantire la tutela della salute dei lavoratori.
In sintesi, la disponibilità di dati affidabili su EC e OC consente di affrontare con maggiore consapevolezza le sfide legate all’inquinamento atmosferico, fornendo informazioni cruciali per la protezione della salute pubblica, la gestione delle emissioni e la definizione di politiche ambientali efficaci.
