Sviluppo e validazione di un metodo analitico basato sulla gas cromatografia con rivelazione a ionizzazione da scarica a barriera (GC/BID) per la determinazione dei BTEX in campioni di acqua

1. Introduzione 
 
1 
 
CAPITOLO 1 
INTRODUZIONE 
I Composti Organici Volatili (VOC) rappresentano uno dei gruppi più importanti di 
inquinanti, oggetto di studio da decenni per i loro effetti nocivi sulla salute umana.             
Ne fanno parte oltre 300 composti organici tra cui idrocarburi alifatici, idrocarburi 
aromatici, idrocarburi alifatici e aromatici alogenati, composti ossigenati, ecc [1].                 
Il seguente lavoro di tesi si è focalizzato su una particolare classe di composti aromatici, 
ovvero Benzene, Toluene, Etilbenzene e Xileni, comunemente conosciuti con la sigla 
BTEX [2]. 
1.1 BTEX: caratteristiche chimico-fisiche e tossicità 
Gli idrocarburi aromatici sono caratterizzati da strutture cicliche, con uno o più anelli a 
sei atomi di carbonio; i composti monoaromatici, come benzene, toluene, etilbenzene e 
xileni (orto, meta e para isomeri) (BTEX), altamente volatili, risultano tossici per la 
maggior parte degli organismi acquatici mentre i composti con tre o più anelli come gli 
idrocarburi policiclici aromatici (IPA) tendono ad essere insolubili in acqua [3].                 
Le strutture chimiche dei composti monoaromatici BTEX, oggetto di studio del presente 
lavoro di tesi, e le corrispondenti proprietà chimico-fisiche, sono mostrate in Tabella 1. 
                               
Tabella 1 Struttura e proprietà chimiche dei BTEX. 
 Benzene Toluene Etilbenzene o-Xilene m-Xilene p-Xilene 
Formula 
chimica 
C6H6 C7H8 C8H10 C8H10 C8H10 C8H10 
Struttura 
chimica
1. Introduzione 
 
2 
 
Peso 
molecolare 
(g/mol) 
78,11 92,1 106,2 106,2 106,2 106,2 
Solubilità in 
acqua 
[4]
 
(g/L a 20°C) 
1,77 0,52 0,15 0,14 0,15 0,2 
Tensione di 
vapore a 
20°C (hPa) 
101 29 9,5 7 8 9 
Temperatura 
di fusione 
(°C) 
[4]
 
5,5 − 95 − 95 − 25 − 48 13 
Temperatura 
di 
ebollizione 
(°C) 
[4]
 
80,1 110,6 136 144 139 138 
Costante di 
Henry 
 �� × �
� 
[4]
 
562 683 887 525 665 699 
log K OW 
(pH:7;  
25 °C)
 [1]
 
2,13 2,65 3,15 3,16 3,16 3,16 
log K AW 
(pH:7;  
25 °C)
 [1]
 
−0,661 −0,566 −0,492 −0,674 −0,532 −0,550 
Numero CAS
 
[4]
 
71-43-
2 
108-88-3 100-41-4 95-47-6 108-38-3 106-42-3 
  
Il destino di un contaminante dipende dalla sua distribuzione tra i vari comparti 
ambientali, nonché dal coefficiente di ripartizione ottanolo/acqua (�
��
) che descrive la 
tendenza delle sostanze organiche neutre a ripartirsi nella fase lipidica e ad accumularsi 
così negli organismi viventi, e il coefficiente di ripartizione aria/acqua (�
��
) che esprime 
il rapporto, all’equilibrio, tra la concentrazione della sostanza in aria e in acqua 
descrivendo così la tendenza di una sostanza a permanere nell’aria [5].                                                  
I composti organici, in generale, sono difficilmente biodegradabili nell’ambiente 
acquatico e tendono ad essere accumulati nei tessuti di organismi animali a più elevato 
contenuto lipidico.
1. Introduzione 
 
3 
 
I BTEX presentano una costante di ripartizione �
��
 elevata che giustifica l’appartenenza 
alla famiglia dei VOC, il benzene ed il toluene hanno scarso potenziale di bioaccumulo 
(log Kow, circa 2-3) mentre l’etilbenzene e gli xileni leggermente maggiore (log Kow, circa 
3,16) [1], ma generalmente le elevate concentrazioni di BTEX sono rimosse dalla colonna 
d’acqua per volatilizzazione e quindi non tendono ad essere accumulati [6].                   
Qualora questi composti si trovassero nell’ecosistema acquatico in concentrazioni tali da 
essere bioaccumulati, il benzene verrebbe degradato mediante detossificazione ed 
eliminato in parte con l’aria espirata (circa il 12% della quantità totale assorbita), per via 
renale come composto tal quale (3%) o attraverso i metaboliti (90% del totale assorbito), 
di cui il principale risulta il fenolo (74-87% della quota inalata) che viene escreto con le 
urine, anche se difficilmente verrà rimosso completamente dall’organismo [7].                    
Il toluene verrebbe, invece, ossidato per via enzimatica molto più facilmente e i prodotti 
di ossidazione rapidamente escreti dall’organismo principalmente per via respiratoria e 
in minima parte attraverso le urine con l’escrezione di toluene tal quale [8]. 
L’eliminazione dell’etilbenzene avviene, invece, per la maggior parte per via urinaria dei 
prodotti che derivano dalla sua ossidazione [9]. Infine circa il 95% degli xileni assorbiti 
vengono eliminati per via urinaria come acido metil ippurico, mentre percentuali minori 
vengono eliminate attraverso la respirazione come composto tal quale o xilenoli [10].          
I BTEX sono in grado di provocare diversi danni al DNA umano come rotture di un 
filamento singolo, del doppio filamento e l’ossidazione delle sue basi [11].                                       
Il benzene, in particolare, è stato testato in vari esperimenti su animali e studi 
epidemiologici con il risultato che è stato incluso nel gruppo 1 dei cancerogeni 
dall’Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) ed è l’unico VOC per cui 
è stato fissato un limite normativo in aria ambiente, anche se è stato dimostrato che la 
cancerogenicità non è attribuibile al benzene di per sé, ma ad alcuni prodotti del suo 
metabolismo molto reattivi come benzene ossido e trans, trans–muconaldeide                    
(Figura 1), intermedi elettrofilici nei confronti delle macromolecole dell’organismo 
umano [12, 13].
1. Introduzione 
 
4 
 
    
Figura 1 Percorsi metabolici per lo smaltimento del benzene da parte del corpo umano. 
In Tabella 2 vengono riassunte le proprietà tossicologiche dei BTEX. 
Tabella 2 Riepilogo della tossicità dei BTEX. 
 B T E X 
Azione tossica 
 
genotossica, 
mielotossica, 
oncogena 
 
neurotossica, 
disfunzioni 
cellulari 
neurotossica, 
oncogena 
negli animali 
neurotossica, 
disfunzioni 
cellulari 
Metaboliti 
responsabili 
benzene 
ossido, trans 
trans–
muconaldeide 
o- e p-cresolo 1-feniletanolo 
xilene non 
metabolizzato 
Organi colpiti 
apparato 
circolatorio, 
midollo 
osseo, 
apparato 
riproduttivo 
cervello, reni, 
fegato, 
polmoni, 
ghiandole 
surrenali, 
midollo osseo 
cervello, reni, 
fegato, 
polmoni, 
ghiandole 
surrenali, 
midollo osseo 
cervello, reni, 
fegato, polmoni, 
ghiandole 
surrenali, 
midollo osseo 
Classificazione 
IARC* 
1          
(cancerogeno) 
3                     
(non cancerogeno) 
2B               
(possibile 
cancerogeno) 
3                     
(non cancerogeno) 
*Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC).
1. Introduzione 
 
5 
 
1.2 Inquinamento delle acque da BTEX e norme in materia  
   ambientale 
Il benzene si trova per lo più in prodotti di raffinazione del petrolio e in prodotti come 
gomme sintetiche, plastiche, nylon, insetticidi, vernici, coloranti, resine-colle, detergenti 
e cosmetici. Il toluene si presenta naturalmente come componente di molti prodotti 
petroliferi ed è spesso utilizzato come solvente per pitture, rivestimenti, gomme, oli e 
resine. L’etilbenzene, invece, è utilizzato principalmente come additivo per benzine e 
combustibili per aeromobili, ma come il toluene può trovarsi anche nei prodotti di 
consumo quali pitture, inchiostri, plastiche e pesticidi. Tra gli xileni, l’orto-xilene è 
l’unica specie presente in natura, mentre gli altri due isomeri sono esclusivamente di 
origine antropica. In miscela ben definita, i BTEX si trovano nei carburanti grazie alle 
loro proprietà antidetonanti [14]. Dunque le fonti più comuni di contaminazione dei 
BTEX delle acque sotterranee sono dovute al rilascio di prodotti petroliferi come benzina, 
gasolio ed olio lubrificante durante le fasi di trasporto e stoccaggio dei prodotti derivati 
dal petrolio, oppure agli scarichi industriali. La loro presenza in acqua può creare un 
pericolo per la salute pubblica e l'ambiente e, nel corso degli ultimi vent’anni, è stata 
rivolta un’attenzione crescente nei confronti dei BTEX poiché hanno mostrato effetti 
tossici e cancerogeni sull’uomo. Pertanto, negli Stati Uniti, nel 1991 fu redatto il Clean 
Air Act, una legge che sanciva che il contenuto degli aromatici nei carburanti venisse 
diminuito sostituendoli con composti ossigenati [15]. In Europa, invece, nel 2005 la 
direttiva europea Auto Oil Regulation II ha imposto come limite massimo di aromatici 
nelle benzine il 35% v/v [16]. Ancora oggi la tendenza attuale, sia negli Stati Uniti che in 
Europa, è di limitare l’uso dei BTEX nella preparazione dei carburanti. Le indicazioni 
fornite dai dati tossicologici e la diffusione delle fonti di emissione, principalmente di 
origine antropica, obbligano ad intraprendere azioni concrete nei confronti della 
diffusione dei microinquinanti organici nelle acque. L’obiettivo di salvaguardia 
ambientale deve necessariamente avvalersi di strumenti preventivi, ovvero di una 
legislazione che permetta di regolare opportunamente l’immissione di alcuni composti 
nell’ambiente.
1. Introduzione 
 
6 
 
Secondo il decreto legislativo 152/2006 “Norme sull’ambiente” del Ministero della Salute 
italiano nell’Allegato 5 alla Parte Quarta [17], le concentrazioni massime ammissibili di 
benzene, toluene, etilbenzene e xileni nelle acque sotterranee sono fissate rispettivamente 
a 1 μg/l, 15 μg/l, 50 μg/l e 10 μg/l; tali limiti appaiono molto stringenti se paragonati con 
quelli imposti dall’EPA, l’Agenzia di Protezione Ambientale americana, che fissa i limiti 
dei BTEX per le acque potabili, e non sotterranee, a livelli di concentrazione pari a 0.005 
mg/l per il benzene, 1 mg/l per il toluene, 0.7 mg/l per l’etilbenzene e 10 mg/l per gli 
xileni. 
1.3 Metodiche ufficiali di analisi dei BTEX 
L’analisi dei BTEX, generalmente presenti a livelli di concentrazioni in tracce in matrici 
acquose, richiede l’utilizzo di efficienti tecniche di estrazione e metodi di analisi sensibili 
ed affidabili [18, 19, 20, 21]. Dal punto di vista analitico l’analisi dei BTEX rientra in 
quella dei VOC, per i quali gli enti governativi (EPA, USGS, SMEWW, ASTM, APAT, 
IRSA UNI EN ISO) hanno proposto diverse metodiche ufficiali sia per quanto riguarda 
la fase di estrazione degli analiti, sia quella di analisi vera e propria. Le procedure 
analitiche ufficiali che consentono la determinazione dei BTEX in acque sorgive, 
sotterranee e superficiali, destinate o da destinare al consumo umano sono riportate nella 
Tabella 3.    Il campo di applicazione, la sensibilità e il limite di rilevabilità del metodo 
dipendono dalla procedura analitica di preparazione del campione e dalle prestazioni della 
strumentazione utilizzata. 
 
Tabella 3 Metodiche ufficiali di analisi dei BTEX. 
Metodo 
Tecnica di 
estrazione 
Analisi 
(a) 
EPA 5021A 
HS 
autocampionata 
- 
EPA 5030 Purge and Trap - 
EPA 5031 
Distillazione 
azeotropica 
- 
EPA 5032 
Distillazione 
sottovuoto 
-
1. Introduzione 
 
7 
 
EPA 8015C - GC – FID 
EPA 8021B - GC – PID 
EPA 8260C - GC – MS 
EPA 502.2 Purge and Trap GC-PID/ELCD 
EPA 524.2 Purge and Trap GC – MS 
EPA 524.3 Purge and Trap GC – MS 
EPA 602 Purge and Trap GC – MS 
EPA 624 Purge and Trap GC – MS 
EPA 1624 Purge and Trap GC – MS 
EPA 8261 
Distillazione 
sottovuoto 
GC – MS 
(b) 
USGS O-4024-03 Purge and Trap GC – MS 
(c) 
SMEWW 6200B Purge and Trap GC – MS 
(d) 
ASTM D-5790 Purge and Trap GC – MS 
(e) 
APAT-
(f) 
IRSA 
5140 
HS/ 
Purge and Trap 
GC-FID/PID 
(g) 
UNI 
(h) 
EN 
(i)
ISO 
15680:2005 
Purge and Trap GC – MS 
(a) EPA = Environmental Protection Agency  (b) USGS = U.S. Geological Survey         
(c) SMEWW = Standard Method for Examination of Water & Wastewater                                 
(d) ASTM = American Society for Testing and Materials                        
(e) APAT= Agenzia per la Protezione dell’Ambiente e per i Servizi Tecnici                            
(f) IRSA = Istituto di Ricerca sulle Acque (g) UNI = Ente Nazionale italiano di Unificazione                       
(h) EN = Normazione Europea                                                                                    
(i) ISO =  International Organization for Standardization                                 
Nelle analisi di routine la metodica più utilizzata per la determinazione dei BTEX in 
acque sotterranee è la metodica EPA 5030 per l’estrazione, che prevede l’utilizzo della 
tecnica “Purge and Trap”, accoppiata alla metodica EPA 8260 che prevede l’utilizzo di 
un GC-MS nella fase di analisi [22].