Nel 2014 e nel 2015, la città di Flint, nel Michigan, ha dovuto affrontare una crisi sanitaria pubblica quando sono stati rilevati alti livelli di piombo e altri contaminanti nell'acqua potabile. La conseguenza fu l'epidemia della malattia dei legionari che uccise 12 persone, mentre molte altre si ammalarono gravemente. Sebbene siano stati i tubi di piombo a causare livelli di piombo non sicuri nell'acqua potabile, un corretto rilevamento delle emissioni avrebbe potuto impedire l'epidemia.
I sensori di emissione svolgono un ruolo fondamentale nel monitoraggio e nel controllo degli ambienti nel settore industriale, medico, di ricerca e nella vita quotidiana. Molti tipi di emissioni possono avere impatti negativi, come alti livelli di piombo o radiazioni nell'acqua, e il monitoraggio di queste emissioni può salvaguardare la salute umana, preservare l'ambiente, conservare le prestazioni dei processi, garantire la conformità alle normative e fornire un controllo di qualità. In questo articolo vengono esaminati vari tipi di sensori e le emissioni che essi devono monitorare.
Emissioni di particolato
Le emissioni di particolato includono composti quali polvere, fumo, sostanze inquinanti, composti organici volatili (COV), batteri, sostanze chimiche e altro ancora. Data l'ampia natura delle emissioni di particolato, vengono utilizzate diverse tecnologie di sensori per rilevare le emissioni di particolato nell'acqua e nell'aria. Il termine più comune per definire questa famiglia di sensori è "sensori della qualità dell'acqua o dell'aria", ma la tecnologia che li gestisce può essere completamente diversa, a seconda dell'applicazione.
Sensori di particolato atmosferico e COV
I laser sono uno strumento integrale per rilevare le particelle microscopiche nell'aria. Ad esempio, il sensore di particelle serie HPM di Honeywell utilizza una fonte di illuminazione laser per illuminare le particelle che passano attraverso la camera di rilevamento. Mentre la luce riflette e disperde le particelle, un rilevatore di fotodiodi analizza il segnale laser ricevuto per rilevare le particelle ultrafini. Questa serie di sensori rileva il particolato (PM), che comprende particelle PM1.0, PM2.5, PM4.0 e PM10, consentendone l'utilizzo nei monitor della qualità dell'aria per camere bianche, sistemi di riscaldamento, sistemi di ventilazione e condizionamento dell'aria e dispositivi di purificazione dell'aria. PM1.0: le particelle PM10 hanno una larghezza compresa tra 1 e 10 micron e includono polvere, polline, tracce, batteri, virus e fumo.
I COV possono causare notevoli problemi alla salute e variano in dimensioni e composizione. I sensori COV, come gli SGP40-D-R4 di SensirionAG, integrano un sistema di sensori CMOSens basato sulla tecnologia dei sensori a ossido di metallo. In presenza di COV, una pellicola di ossido di metallo appositamente progettata modifica la resistenza di un materiale semiconduttore, che successivamente invia un segnale elettrico per indicare il rilevamento di COV sulla pellicola. I sensori di ossido di metallo possono anche essere regolati per rilevare altri materiali, inclusi gas specifici, manipolando le caratteristiche del semiconduttore e modificando la temperatura del sensore.
Sensori di rilevamento della qualità dell'acqua
Per rilevare il particolato nell'acqua vengono utilizzate due tecnologie di sensori comuni. I sensori elettrochimici rilevano minerali, metalli e livelli di pH, mentre i sensori ottici rilevano solidi dispersi, colore e chiarezza.
Ad esempio, il sensore CN0428 di Analog Devices utilizza il rilevamento della reazione elettrochimica di ossidoriduzione (redox) misurando il trasferimento di elettroni da un reagente a un altro tramite sonde di rilevamento. Questo metodo viene utilizzato per rilevare metalli pesanti come il piombo, nonché altre sostanze chimiche indesiderate, batteri e particelle biologiche nell'acqua.
L'altro tipo comune di sensore della qualità dell'acqua utilizza sistemi ottici di trasmissione e ricezione per rilevare la torbidità dell'acqua, comunemente chiamata limpidezza dell'acqua. La torbidità può essere influenzata da particelle sospese come argilla, limo, microplastiche, alghe, sedimenti o altra materia organica. Il sensore CN0409 di Analog Devices utilizza emettitori a infrarossi e fotodiodi per misurare la torbidità dell'acqua da 0 a 1000 FTU, con una tolleranza di +/- 0,5 FTU. Come riferimento, il limite EPA per la torbidità dell'acqua potabile è 1 FTU.
Sensori di emissione di gas
Le emissioni di gas sono per lo più associate ai gas serra e alle emissioni automobilistiche come CO2, ossido di azoto e monossido di carbonio. Tuttavia, le emissioni di gas possono provenire da impianti industriali, servizi elettrici, vernici, solventi, vapori chimici e persino da fonti naturali come i vulcani.
L'anidride carbonica, la più famosa delle emissioni di gas serra, è uno dei gas più monitorati in svariate applicazioni. Ad esempio, sensori di CO2 come SCD4X possono essere utilizzati per indicatori di semafori, ventilazione su richiesta, serre agricole e monitoraggio della qualità dell'aria interna. Questo sensore utilizza un principio di misurazione della massa termica che integra un sensore calorimetrico MEMS e un microelemento riscaldante per produrre un profilo di temperatura durante il flusso di gas. Quando diversi gas fluiscono attraverso la membrana, il profilo termico cambia. Questa variazione viene utilizzata per indicare la concentrazione dei vari gas presenti sulla membrana.
L'ozono è un inquinante nocivo che può causare malattie cardiache e polmonari. Quando gli ossidi di azoto (il sottoprodotto della combustione dei combustibili fossili) sono in presenza di COV, calore e luce solare, le reazioni chimiche gassose possono creare elevate concentrazioni di ozono. Ad alte concentrazioni, l'ozono può danneggiare i tessuti molli, nuocendo alla salute umana, animale e vegetale. Per questo motivo, i sensori di ozono sono molto comuni negli ambienti urbani e vengono utilizzati per allertare le autorità quando sono presenti livelli elevati di ozono. I sensori di ozono come SEN0321 utilizzano gli stessi principi elettrochimici dei sensori di ossido di metallo sopra menzionati e possono rilevare concentrazioni di ozono comprese tra 0 e 10 ppm.
Infine, le emissioni di gas possono essere misurate con una precisione incredibilmente elevata utilizzando rilevatori di gas a infrarossi. Questi gruppi di sensori altamente specializzati misurano la composizione del gas emettendo frequenze specifiche di luce infrarossa attraverso un campione di gas. Se nel campione è presente un gas da rilevare, vengono assorbite specifiche lunghezze d'onda della luce infrarossa. A seconda del tasso di assorbimento, il rilevatore a infrarossi può rilevare la concentrazione del gas specifico. I rilevatori di gas a infrarossi spaziano da piccoli dispositivi come la serie USEQGSEx di KEMET a gruppi di sensori specializzati molto grandi che rilevano simultaneamente un'ampia gamma di gas.
L'importanza dei sensori e del rilevamento delle emissioni
Il rilevamento delle emissioni è uno strumento fondamentale per il monitoraggio e il controllo degli ambienti nei settori industriale, medico, cittadino e di ricerca. La crisi idrica avvenuta a Flint, nel Michigan, ha evidenziato la necessità di sistemi di monitoraggio e rilevamento proattivi per proteggere la salute pubblica.
I diversi sensori e le tecnologie menzionati in questo articolo possono rilevare una serie di emissioni. Quasi ogni applicazione di rilevamento delle emissioni ha una soluzione. I governi, le aziende e i ricercatori dovrebbero sfruttare i sensori di emissioni per creare un ambiente più sicuro, più sano e più sostenibile per tutti.
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