Metodo di analisi di tensioattivi anionici impiegati nello scavo di gallerie

Introduzione

Il condizionamento del terreno è una fase cruciale del processo di scavo meccanizzato di gallerie con TBM-EPB (Earth Pressure Balance) e consiste nel trattamento del terreno al fronte per modificarne le caratteristiche meccaniche (Figura 1) e renderlo in grado di applicare una pressione da opporre a quella del terreno da scavare. Questa trasformazione avviene a opera di schiume e altri prodotti chimici, generalmente definiti “agenti condizionanti”.  Una gestione ottimale del condizionamento non solo migliora le performance della TBM, ma consente anche il riutilizzo sostenibile dei materiali di risulta (TRS-Terre e Rocce da Scavo), riducendo l’impatto ambientale e migliorando la sostenibilità del progetto.

Figura 1. Terreno condizionato con differenti tipi di schiume dello stesso prodotto alla stessa concentrazione in soluzione acquosa: a sinistra terreno tal quale, al centro e a destra terreno condizionato con differenti agenti condizionanti e differenti parametri della schiuma.

Secondo il DPR 120/2017 è possibile considerare il terreno scavato come sottoprodotto solo a valle di un approfondimento di carattere chimico-ambientale, per garantire che il contenuto di sostanze inquinanti all’interno delle TRS, comprese di additivi utilizzati durante lo scavo, non produca effetti tossici. La tecnica di condizionamento più comune a oggi prevede l’utilizzo di schiume a base di tensioattivi anionici (Figura 2), la cui concentrazione nel terreno deve essere quindi monitorata tramite analisi certificate.

Figura 2. Schiuma prodotta da un tensioattivo anionico.

La misurazione della concentrazione di tensioattivi anionici viene tradizionalmente effettuata in laboratorio tramite la procedura standard MBAS (Methylene Blue Active Substances), che prevede una lunga e dettagliata preparazione del campione. Questo metodo, pur essendo estremamente accurato, presenta limitazioni significative per quanto riguarda l’applicazione diretta in cantiere, a causa della complessità nelle preparazioni e trattamenti del campione.

Lo studio

Per favorire un frequente monitoraggio in cantiere delle concentrazioni di tensioattivi anionici in soluzioni acquose ed eluati (ottenuti a valle di test di cessione di terreni condizionati), si è pensato di studiare un metodo di determinazione speditivo attraverso un kit portatile MBAS dotato di fotometro (Figura 3). L’implementazione di questa tecnica consentirebbe un monitoraggio più rapido dei quantitativi di tensioattivo nel terreno durante lo scavo, da parte di personale debitamente formato, in modo da avere un riscontro più rapido sull’andamento del condizionamento.

Figura 3. Strumenti usati per la misura mediante kit

Procedura di misurazione

La misurazione è stata eseguita utilizzando 25 mL di campione (eluato o soluzione acquosa di tensioattivo di partenza), a cui sono state aggiunte due gocce di ciascun reagente (A e B), presenti nel kit. Successivamente, sono stati aggiunti 10 mL di cloroformio, e la miscela è stata agitata energicamente per 30 secondi per garantire una perfetta combinazione delle fasi. Dopo aver lasciato riposare la miscela per 2 minuti, si è verificata la separazione delle fasi: la fase organica, contenente i tensioattivi anionici, è stata isolata dalla fase acquosa e poi analizzata. In un ulteriore passaggio, sono stati aggiunti 15 mL di acqua demineralizzata e due gocce di reagente A alla fase organica, seguiti da altri 2 minuti di riposo per favorire una seconda separazione. La fase acquosa è stata rimossa nuovamente, lasciando solo la fase organica, analizzata successivamente mediante il fotometro. Il risultato, espresso in mg/L (ppm) di tensioattivi anionici, è stato visualizzato direttamente sul display dell’apparecchio.

Risultati e Confronto tra Metodi di Misurazione

Dopo aver ricavato la retta di calibrazione dello strumento, si è proceduto con l’analisi di due prodotti commerciali, denominati A e C. Questi prodotti, utilizzati come campioni di test, presentavano una concentrazione media di tensioattivi anionici pari al 12%wt, equivalente a 120 g/L. Per l’analisi, sono state preparate delle soluzioni specifiche di questi prodotti. Prima di eseguire le estrazioni con cloroformio, le soluzioni dei prodotti A e C sono state opportunamente diluite.

a.    Misurazioni e Confronto tra Metodi di analisi

Le concentrazioni di tensioattivi anionici nelle soluzioni opportunamente trattate sono state quindi misurate utilizzando il fotometro portatile. I risultati ottenuti da questo metodo sono stati successivamente confrontati con quelli ottenuti in parallelo attraverso il metodo di analisi standard MBAS (Figura 4).

Figura 4. Risultati ed elaborazione grafica delle due soluzioni testate

b. Valutazione del Metodo in un Contesto Reale di Scavo Meccanizzato

Per verificare ulteriormente l’efficacia del metodo basato sul kit portatile MBAS in condizioni operative, è stata condotta un’analisi su un eluato proveniente da un terreno condizionato durante le operazioni di scavo meccanizzato di un progetto reale (Figura 5). Per ottenere l’eluato di un tensioattivo anionico da un terreno scavato, secondo il metodo APAT-IRSA 5170, si preleva e omogeneizza il campione e se ne determina il contenuto di acqua o l’umidità. Successivamente, si estrae il tensioattivo utilizzando un opportuno solvente (acqua, cloroformio o metanolo) con un contatto di 24 ore. Il campione viene agitato, filtrato per separare il solido dal liquido, e l’eluato contenente il tensioattivo viene raccolto. L’eluato ottenuto è quindi pronto per l’analisi.

Figura 5. rappresentazione grafica dei risultati dell’eluato

Considerazioni conclusive e valutazioni di confronto

Lo studio mirava a verificare la validità del metodo di valutazione della quantità di tensioattivo anionico presente in vari campioni utilizzando un kit MBAS portatile e speditivo con fotometro rispetto al metodo standard MBAS utilizzato in laboratorio. Le misurazioni effettuate con il kit portatile hanno mostrato una buona correlazione con i risultati del metodo standard MBAS, suggerendo che il kit portatile è un’alternativa affidabile anche per campioni complessi, come gli eluati di terreni condizionati.

Nonostante richieda operatori formati per i vari pre-trattamenti dei campioni, sottolineando che la preparazione dell’eluato impiega ugualmente varie ore, il kit offre una rapida determinazione delle concentrazioni di tensioattivo anionico direttamente in cantiere, risparmiando sui tempi di invio e analisi tipiche del laboratorio esterno. La possibilità di svolgere questo test in cantiere consente di ottimizzare i processi di scavo, permettendo la possibilità di intervento sui quantitativi di utilizzo dei condizionanti per evitarne sovradosaggi e garantire quindi l’efficienza operativa.

In conclusione, possiamo riassumere i seguenti punti dell’analisi con kit portatile:

• Validità del Metodo: Il kit portatile MBAS con fotometro ha dimostrato una buona correlazione con il metodo standard MBAS, offrendo un’alternativa affidabile per la misurazione dei tensioattivi anionici.
• Applicabilità in Cantiere: Il metodo consente la determinazione rapida delle concentrazioni di tensioattivi anionici direttamente sul sito di scavo, migliorando la tempestività delle decisioni operative.
• Accuratezza e Coerenza: Le misurazioni ottenute con il fotometro portatile sono risultate coerenti con quelle del laboratorio, con percentuali di errore contenute.
• Monitoraggio dei Dosaggi: Il metodo permette un monitoraggio continuo e quasi immediato dei dosaggi dei condizionanti, facilitando la correzione di eventuali sovradosaggi e ottimizzando l’efficienza del processo di scavo.
• Limitazioni e considerazioni: Richiede operatori formati adeguatamente e una gestione attenta dei solventi nel caso in cui il kit ne faccia uso, ma può ridurre significativamente i tempi rispetto alle analisi in laboratori esterni. I dati ricavati dal metodo speditivo non sono certificati e non possono comunque, ad oggi, sostituire il lavoro dei laboratori accreditati.