l'umidità nei materiali: nuovi sviluppi per la riferibilità delle misure

Affidabilità & Tecnologie 2016 ‐ Sessione specialistica "Caratterizzazione materiali e componenti“ ‐Torino, 20 aprile 2016

LL‘‘UMIDITUMIDITÀÀ NEI MATERIALI: NEI MATERIALI: NUOVI SVILUPPI PER LA NUOVI SVILUPPI PER LA

RIFERIBILITRIFERIBILITÀÀ DELLE MISUREDELLE MISURE

Michela Sega, Francesca Rolle, Giulio Beltramino, Vito Fernicola

Istituto Nazionale di Ricerca MetrologicaINRiM Italy

SommarioSommario

Misura dellMisura dell’’umiditumiditàà: perch: perchéé??Il progetto EMRP SIB64 Il progetto EMRP SIB64 ””METefnetMETefnet””Determinazione del contenuto di acqua nei materiali Determinazione del contenuto di acqua nei materiali solidi: attivitsolidi: attivitàà allall’’INRiMINRiMMetodi Metodi LossLossononDryingDrying

Metodi selettivi per la misura del contenuto dMetodi selettivi per la misura del contenuto d’’acquaacqua‐‐ Karl Fischer coulometrico (cKF)Karl Fischer coulometrico (cKF)‐‐ AnalisiAnalisi Evolved Water VapourEvolved Water Vapour

SviluppoSviluppo didi procedure metrologicamente procedure metrologicamente riferibiliriferibiliEsempiEsempi didi applicazioniapplicazioni: : materialimateriali didi interesseinteresse energeticoenergetico(pellet, (pellet, bioplastichebioplastiche), ), matricimatrici alimentarialimentariSviluppiSviluppi e e prospettiveprospettive futurefuture


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Contenuto di umidità: parametro fondamentale che influisce su svariate proprietà fisiche e chimiche dei materiali, legate al tenore di acqua presente al loro interno.

Misurare lMisurare l’’umiditumiditàà: perch: perchéé??

La determinazione dell’umidità ha una grande rilevanza economica in quanto il contenuto di acqua influenza, ad esempio, la progettazione di processi tecnologici, la stabilitàdei prodotti industriali, la conservazione dei prodotti alimentari, il potere calorifico delle biomasse, la biodegradabilità delle bioplastiche e di altri materiali.


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SIB64 METefnetSIB64 METefnet

Il progetto europeo EMRP SIB64 METefnet – Metrology for Moisture in Materials, iniziato nel 2013, unisce vari Istituti Metrologici Nazionali europei, allo scopo di:

“sviluppare principi chiari, metodi e apparati per stabilire e disseminare la riferibilità al SI per le misure di umiditànei solidi, creando una infrastruttura metrologica coerente per le misure di umidità in Europa” (www.metef.net).


Determinazione del contenuto Determinazione del contenuto dd’’acqua allacqua all’’INRiMINRiM

Le tecniche classiche Lossondrying non sono selettive per l’acquaUso di differenti tecniche chimiche per l’analisi del contenuto di acqua e loro confronto:

Titolazione Coulometrica Karl Fischer (cKF)Analisi Evolved Water Vapour (EWV)

Sviluppo di metodimetrologicamente affidabili per la determinazione del contenuto di acqua in materiali solidi e alimentiScelta di matrici con ricadute in campo industriale e per la qualitàdegli alimenti:

‐ BIOMASSE (Pellet di legno, Tabacco, ...)‐ BIOPOLIMERI (Mater‐Bi®, Cellulosa, …)‐ ALIMENTI (zuccheri semplici, latte in polvere per l’alimentazione dei neonati,

dolcificanti, tè in foglie)


LossLossononDryingDrying

Termobilancia INRiM per analisi LoD

Misura della massa di un campione prima e dopo il processo di essiccamento

Vantaggi: metodo semplice, consente di analizzare molti tipi di campione; riferibilità metrologica diretta alle unità SISvantaggi: non selettivo, può non estrarre l’acqua quantitativamente (Tmax 105 °C) o estrarre altri composti volatili, tempi di analisi lunghi


TitolatoreTitolatore Karl Fischer Karl Fischer coulometricocoulometrico

I campioni solidi sono riscaldati in un apposito fornoI composti volatili sono trasportatinella cella di titolazione del cKFper la determinazione selettivadell’acquaLa cella di titolazione è dotata diun elettrodo con diaframma checonsente la determinazione dibassi quantitativi di acquaLa reazione all’interno della cella èbasata sull’ossidazione del biossido di zolfo (SO2) e sullatitolazione stechiometricadell’acqua da parte dello iodio

Intervallo di misura: 2 ppm ‐ 5%

Massa del campione: dipendente dalcontenuto d’acqua

Cella di titolazione

Auto campionatore

Forno


AnalisiAnalisi Evolved Water VapourEvolved Water Vapour

Lo strumento combina tretecniche:

Essiccazione in forno, Pentossido di fosforo (P2O5)Determinazione coulometrica

Effettua analisi termica seguitada misure coulometrichePuò differenziare tra acqua disuperficie, capillare e dicristallizzazioneAdsorbimento selettivo diacqua su pentossido di fosforo(P2O5)

Intervallo di misura: 1 ppm ‐ 40%

Massa dei campioni: 5 mg ‐ 2000 mg


SviluppoSviluppo didi procedure procedure metrologicamente metrologicamente riferibiliriferibili

Casi di studio: pellet di legno, bioplastiche, alimenti

Analisi preliminari e monitoraggio dei parametri strumentali

o Temperature operativeo Parametri specifici (valore della deriva strumentale, corrente di

fondo...)o Scelta del pretrattamento dei campioni

Riferibilità metrologicao Uso di masse di riferimento certificate per la determinazione per pesata

delle masse dei campioni da analizzareo Taratura mediante opportuni materiali di riferimentoo Valutazione dell’incertezza di misura


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PelletPellet di legnodi legno

Pellet: derivati del legno utilizzati per alimentare le stufe a legnaContenuto di umidità: fattore determinante per le proprietà del pellet e potere calorifico

Problemi‐ Omogeneità del campione‐ Rischio di contaminazione‐ Pretrattamento del pellet: frantumazione manuale o triturazione meccanica


In figura: campioni dipellet frantumati (a sinistra) e macinati (a destra)

AnalisiAnalisi didi bioplastichebioplastiche


Polimero di origine biologica derivato dall'amidoIl contenuto d'acqua ne altera la biodegradabilità e le proprietàmeccanicheElevata ripetibilità delle misure dovuta all’omogeneità del campione: la bioplastica richiede minor manipolazione rispetto al pellet di legno

Polimero di origine biologica derivato dall'amidoIl contenuto d'acqua ne altera la biodegradabilità e le proprietàmeccanicheElevata ripetibilità delle misure dovuta all’omogeneità del campione: la bioplastica richiede minor manipolazione rispetto al pellet di legno

Analisi di Mater‐Bi®

AnalisiAnalisi didi matricimatrici alimentarialimentari

Analisi di zuccheri semplici (fruttosio, lattosio), latte in polvere per alimentazione dei neonati, tè in foglieLe condizioni di conservazione e stoccaggio degli alimenti dipendono dal contenuto di acquaAspetti economici rilevanti nella produzione di alimenti “essiccati”La determinazione del contenuto di acqua può interessare la valutazione delle proprietàorganolettiche e dell’origine biologica di svariati alimenti.

Generalmente le misure per gli zuccheri e illatte in polvere sono effettuate pretrattando il campione, dissolvendolo in solventi organici anidri sviluppo di procedure metrologicamente riferibili per la quantificazione del contenuto di acqua direttamente nella matrice solida


SviluppiSviluppi e e prospettiveprospettive futurefuture

• Studi di fattibilità per la preparazione di materiali diriferimento certificati per il contenuto di acqua e l’umiditànei materiali

• Validazione chimico‐fisica del cKF e del EWV per mezzo diun generatore di umidità sviluppato all’INRiM

• Supporto dell’INRiM, in qualità di Istituto MetrologicoNazionale Italiano, ai laboratori che effettuano misure diumidità nei materiali infrastruttura metrologica

• Possibili collaborazioni con partner industriali e istituzioninazionali/internazionali in svariati campi (ad es. biocarburanti, biopolimeri, alimenti)


GRAZIE PER LGRAZIE PER L’’ATTENZIONE!ATTENZIONE!


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