I metodi di separazione e identificazione visiva rappresentano due passaggi obbligatori nell’analisi delle microplastiche di qualsiasi natura. Attualmente, per le diverse matrici ambientali, vengono utilizzate numerose tecniche di analisi e quantificazione delle microplastiche (MP). Le varie tecniche sono state armonizzate dall’International Organization for Standardization e dall’European Commitee for Standardization attraverso la pubblicazione (2020) di un rapporto tecnico relativo a misure e procedure, per evitare risultati spesso tra loro non confrontabili.  

Setacciatura

Questa fase prevede il passaggio di campioni d’acqua attraverso in un setaccio a Ø < 5 mm che permette di raccogliere le particelle solide. L’efficacia della setacciatura dipende da forma e dimensione delle particelle plastiche. Tanto  più le microplastiche saranno composte da fibre, tanto più sarà difficile ottenere una buona separazione.
La concentrazione di MP non aumenta con la diminuzione della granulometria del sedimento (Alomar et al., 2016), probabilmente perché processi come l’aggregazione con il materiale organico svolgono un ruolo determinante. Va inoltre considerato che la setacciatura a secco non rimuove completamente la polvere. Per questo è necessaria una setacciatura che non sia a secco (Enders et al., 2020).

Separazione gravimetrica

Per le microplastiche molto fini si impiega la separazione gravimetrica. Questo metodo è basato sulla differenza di densità che le varie componenti di un campione presentano.

Il campione viene inserito in una matrice liquida con densità (ρ) nota (acqua distillata o soluzione salina). I materiali con ρ inferiore al liquido galleggeranno sulla superficie, quelli più pesanti affonderanno. La parte che rimane in galleggiamento viene recuperata travasando lo strato superiore del liquido.
Questo metodo risulta molto affidabile, sicuro ed economico tanto da essere impiegato comunemente per separare le microplastiche da campioni composti da sabbia. In questo caso viene impiegata una soluzione satura di cloruro di sodio (NaCl), con ρ = 1.202 g/cm3 (C. Crawford 2016), in cui galleggiano un buon numero di materiali plastici e sedimentano invece le sabbie, che hanno densità di circa 2.65 g/cm3.
(NOTA – in questa fase emergono nella tecnica diverse discrepanze in termini soluzione salina utilizzata, di tempo di mescolamento (dai 30 s alle 2 h) e di tempo di sedimentazione (da 2 min a 12 h).
Per separare microplastiche con  ρ > 2,65 g/cm3 si possono impiegare liquidi standard aρ maggiore più pesanti come soluzioni di ZnCl2, NaWO3 ed NaI. Queste soluzioni per l’alto costo e la tossicità non vengono impiegate in ricerche su larga scala.
In molti casi, ripetendo il processo più volte, si raggiungono efficienze di separazione più elevate. Utilizzando una soluzione di NaCl, l’efficienza di separazione del polietilene passa dal 61% della prima estrazione all’ 83% della seconda fino al 93% della terza. (Thompson et al., 2004).

Relativamente alle fibre sintetiche nei sedimenti naturali l’efficienza della separazione  può essere molto più bassa (Nuelle et al., 2014), mentre è ancora più bassa (∼ 40%)  per le mini-microplastiche (1 μm-1 mm) (Imhof et al., 2012).

La maggior parte dei prodotti plastici raramente è costituito da un unico materiale in forma pura. Più spesso infatti si rileva un mix di diversi materiali con cui spesso le plastiche vengono caricate (fibre di vetro, additivi e coloranti). Questo ovviamente influisce sulle misure di densità.

Filtrazione

Vengono utilizzati dei filtri di diversi materiali (fibra di vetro, policarbonato, cellulosa e nitrocellulosa) con porosità n = 0,2 ÷ 12 μm. La filtrazione è un metodo di separazione di particelle solide da una matrice liquida, per questo motivo è impiegato in successione alla separazione gravimetrica. Lo strumento è molto semplice ed è costituito da un imbuto dotato di filtro poroso.

Sistema di filtrazione a vuoto

Separazione elettrostatica

La tecnica di separazione a secco, già consolidata nel settore del riciclo dei rifiuti, separa il materiale non conduttivo, come la plastica, da sedimenti naturali con proprietà conduttive.

La separazione elettrostatica consente di dividere il campione in due frazioni:

  • componente naturale (es. sabbia)
  • MP + piccola quantità di sedimento 

Procedimento

Il campione completo, asciutto, viene introdotto nel separatore tramite una tramoggia su un carrello vibrante che conduce il materiale verso un tamburo metallico rotante e poi nell’area dell’elettrodo ad alta tensione che viene caricato elettrostaticamente fino a 30 kV (dato ce  dipende dal dispositivo). Ogni particella è caricata elettrostaticamente in base alle specifiche del materiale che la costituisce. Dato che i materiali conduttivi si scaricano più velocemente di quelli meno conduttivi, si distaccheranno per primi dal tamburo e seguiranno la traiettoria imposta dalla velocità di quest’ultimo. Le MP, ovvero la componente meno conduttiva, seguirà la rotazione del tamburo fino ad incontrare una spazzola che ne facilita il distacco e lo scarico nell’ultimo vassoio di raccolta. Ad aumentare la precisione della separazione tra i tre vassoi, di cui quello centrale contiene una frazione mista, ci sono due divisori orientabili.

 

Separatore di microplastiche elettrico (da Felsing et al., 2018)

L’applicazione della separazione elettrostatica delle microplastiche è raccomandata per sedimenti di granulometria relativamente superiore ai 100 μm se privi di polvere (Enders et al., 2020).

Microscopia ottica

Una volta eseguiti gli step di separazione, le microplastiche possono essere
osservate:

  • occhio nudo se si vogliono identificare particelle con 1 mm < Ø < 5 mm
  • microscopio ottico se si vogliono indentificare particelle (1 μm < Ø < 1 mm).

I materiali plastici vengono rilevati in base alle loro caratteristiche fisiche, ovvero:

  • dimensione
  • forma
  • struttura
  • colore

e poi conteggiati manualmente. Gli svantaggi di questo metodo sono quelli legati agli errori dell’operatore ed al lungo tempo impiegato.
L’uso di coloranti facilita le operazioni di identificazione e quantificazione ed è senz’altro meno costoso, soprattutto in termini di tempo, sempre che che le sostanze impiegate abbiano una affinità consistente con le plastiche e scarsa con gli altri materiali.
Attualmente, il Nile Red sembra essere il colorante più promettente poiché richiede un breve “tempo di incubazione” (fino a 30 min) e fornisce alti tassi di recupero (96 %) (Prata
et al., 2019), sebbene esso colori anche diverse altre sostanze o non agisce, invece, su certe tipologie di plastiche utilizzate nell’industria tessile, come il poliestere.

Osservazioni al microscopio a fluorescenza 

Molte plastiche hanno la capacità di assorbire la luce UV (λ = 300-400 nm)
e riemetterla sotto forma di fluorescenza viola (λ = 400-450 nm) o blu (λ = 450-480 nm).
Questa proprietà non è dovuta alla composizione del polimero, ma agli agenti
sbiancati utilizzati a livello industriale per mascherare l’ingiallimento dei materiali
e migliorarne l’aspetto visivo (Qiu et al., 2015).

Le materie plastiche contenenti agenti sbiancanti fluorescenti (FWAs – Fluorescent whitening agents) possono quindi essere facilmente identificate al microscopio a fluorescenza. Anche una semplice torcia UV può essere usata per irradiare le microplastiche (Ehlers et al., 2020), ma si raccomanda l’impiego combinato alla microscopia ottica in modo da escludere dalla quantificazione le particelle organiche o inorganiche che comunque manifestano fluorescenza (Balestra e Bellopede, 2021).

Spettroscopia a Infrarosso e Raman

La spettroscopia permette un’analisi più approfondita dei polimeri costituenti le plastiche. I metodi utilizzati di identificazione, sono non distruttivi, permettono una identificazione univoca e sono volti ad identificare le caratteristiche degli spettri vibrazionali e a compararlo con gli spettri presenti in database (International Organization for Standardization and European Commitee for Standardization, 2020) (ISO 2020):

  • spettroscopia trasformata di Fourier (FTIR – Fourier Transform Infrared)
  • spettroscopia di scattering Raman.

La spettroscopia IR misura le transizioni tra livelli energetici delle molecole
causate dall’assorbimento della radiazione infrarossa. Lo FTIR può essere
impiegato tre diverse modalità operative:

  • trasmissione
  • riflessione
  • riflettanza totale attenuata (ATR – Attenuated Total Reflectance).

È fondamentale avere un supporto filtrante adatto a tenere in posto i campioni, che deve essere resistente all’acqua, meccanicamente stabile, essere poroso per consentire la filtrazione di campioni acquosi e provocare la minima interferenza spettrale possibile. In modalità trasmissione, la luce della sorgente passa attraverso il campione e viene successivamente raccolta. I materiali ad alto assorbimento non sono adatti all’analisi in questa modalità a causa del segnale debole o assente trasmesso al rilevatore. A questi limiti si può ovviare in modalità riflessione, in quanto viene rilevata la componente riflessa del fascio incidente, avendo posto il campione su un supporto riflettente. Tuttavia il segnale riflesso è spesso disturbato da fenomeni di diffusione e quindi dipende dalla morfologia della microplastica.

In modalità ATR il campione viene posto a contatto con un cristallo ART, un materiale ad alto indice di rifrazione, e viene irradiato con un’onda evanescente. In questo caso la
preparazione del campione richiesta è minima, ma ci sono delle criticità. In primis,
le particelle di dimensioni inferiori al cristallo potrebbero non essere in grado di
produrre uno spettro accettabile, mentre il cristallo stesso si degrada facilmente con
graffi e crepe superficiali.

Spettroscopia Raman

E’ basata su un evento di diffusione della radiazione elettromagnetica che avviene a causa di un cambiamento della densità della nuvola di elettroni di un legame. I vantaggi di questa tecnica sono quelli di richiedere una minima preparazione del campione e di essere in grado di analizzare anche campioni neri o riflettenti, che invece sono problematici con FTIR. Tuttavia, l’eventuale fluorescenza intrinseca del campione può essere un ostacolo, benché
possa essere ridotta, anche se non eliminata completamente, scegliendo differenti
configurazioni dei laser. Per il Raman impiegato su campioni reali, il limite inferiore rilevato è di 5-10 μm, il quale dipende fortemente dai parametri come la velocità di scansione, l’acquisizione e la valutazione dei dati, nonché dalla preparazione del campione (ISO 2020).
L’applicazione di tutte le tecniche citate, oltre ad essere costosa, richiede molto
tempo, quindi spesso viene analizzata solo una piccola parte del campione
compresa fra l’1 % e il 10 % dell’area del filtro. L’esatto protocollo di
identificazione delle particelle è spesso descritto in modo incompleto.

Altre tecniche

Le microplastiche vengono riconosciute in laboratorio attraverso separazione gravimetrica con impiego di soluzioni saline e l’identificazione visiva dei frammenti fluorescenti tramite microscopio ottico e lampada UV. Tale separazione avviene  in due fasi, la prima con NaCl e la seconda con CaCl2 per separare anche le microplastiche con densità maggiore. In particolare la spettroscopia Raman (o spettroscopia di scattering Raman), che utilizza il fenomeno di diffusione di una radiazione elettromagnetica monocromatica,  svolge un ruolo chiave nell’identificazione dei tipi e delle origini delle microplastiche.

Un altra tecnica che viene utilizzata per l’analisi di microplastiche è quella che si serve delle pinzette di Raman (pR) che consentono l’analisi a livello di singola particelle anche su dispersioni molto diluite. Con questa tecnica di microscopia è possibile determinare dimensioni e forma delle particelle plastiche con una risoluzione spaziale limitata solo alla diffrazione.

Le pR, infatti, superano le capacità della spettroscopia Raman convenzionale in liquido, intrinsecamente limitata a misurazioni di ensemble e su campioni molto concentrati, poichè consentono l’analisi a livello di singola particella anche su dispersioni molto diluite. Inoltre, essendo una tecnica di microscopia, le pR consentono di determinare la dimensione e la forma delle particelle intrappolate (ad es. sfere, frammenti, fibre ecc.) con una risoluzione spaziale limitata solo dalla diffrazione. E’ così possibile, intrappolando e analizzando le particelle disperse in acqua a livello individuale,  determinarne la natura chimica e discriminare inequivocabilmente le particelle plastiche dalla materia organica e dai micro sedimenti minerali presenti nei campioni, ad esempio di acqua marina.


FONTI

LINK

https://www.unicaradio.it/

TESTI

Contenuto di microplastiche in campioni di sabbia da litorale marino  – Prof. Rossana BELLOPEDE, Cassandra Bruna CAIONE, Politecnico di Torino 2021

 

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