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 Metrologica
INRiM 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’’INRiMINRiM
Metodi 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 riferibiliriferibili
EsempiEsempi didi applicazioniapplicazioni: : materialimateriali didi interesseinteresse energeticoenergetico
(pellet, (pellet, bioplastichebioplastiche), ), matricimatrici alimentarialimentari
SviluppiSviluppi e e prospettiveprospettive futurefuture

3
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 stabilità
dei prodotti industriali, la conservazione dei prodotti
alimentari, il potere calorifico delle biomasse, la
biodegradabilità delle bioplastiche e di altri materiali.

4
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 umidità
nei 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’acqua
Uso 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 metodi metrologicamente affidabili per la
determinazione del contenuto di acqua in materiali solidi e alimenti
Scelta di matrici con ricadute in campo industriale e per la qualità
degli 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 SI
Svantaggi: non selettivo, può non
estrarre l’acqua
quantitativamente (T max 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 forno
I composti volatili sono trasportati
nella cella di titolazione del cKF
per la determinazione selettiva
dell’acqua
La cella di titolazione è dotata di
un elettrodo con diaframma che
consente la determinazione di
bassi quantitativi di acqua
La reazione all’interno della cella è
basata sull’ossidazione del
biossido di zolfo (SO2) e sulla
titolazione stechiometrica
dell’acqua da parte dello iodio
Intervallo di misura: 2 ppm ‐ 5%
Massa del campione: dipendente dal
contenuto d’acqua
Cella di titolazione
Auto
campionatore
Forno

AnalisiAnalisi Evolved Water VapourEvolved Water Vapour
Lo strumento combina tre
tecniche:
Essiccazione in forno,
Pentossido di fosforo (P2O5)
Determinazione coulometrica
Effettua analisi termica seguita
da misure coulometriche
Può differenziare tra acqua di
superficie, capillare e di
cristallizzazione
Adsorbimento selettivo di
acqua 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 operative
o Parametri specifici (valore della deriva strumentale, corrente di
fondo...)
o Scelta del pretrattamento dei campioni
Riferibilità metrologica
o Uso di masse di riferimento certificate per la determinazione per pesata
delle masse dei campioni da analizzare
o Taratura mediante opportuni materiali di riferimento
o Valutazione dell’incertezza di misura

11
PelletPellet di legnodi legno
Pellet: derivati del legno utilizzati per alimentare le
stufe a legna
Contenuto 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 di
pellet frantumati (a
sinistra) e macinati (a
destra)

AnalisiAnalisi didi bioplastichebioplastiche
Polimero di origine biologica derivato dall'amido
Il contenuto d'acqua ne altera la biodegradabilità e le proprietà
meccaniche
Elevata ripetibilità delle misure dovuta all’omogeneità del campione: la
bioplastica richiede minor manipolazione rispetto al pellet di legno
Polimero di origine biologica derivato dall'amido
Il contenuto d'acqua ne altera la biodegradabilità e le proprietà
meccaniche
Elevata 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 foglie
Le condizioni di conservazione e
stoccaggio degli alimenti
dipendono dal contenuto di acqua
Aspetti economici rilevanti nella
produzione di alimenti “essiccati”
La determinazione del contenuto
di acqua può interessare la
valutazione delle proprietà
organolettiche e dell’origine
biologica di svariati alimenti.
Generalmente le misure per gli zuccheri e il
latte 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 di
riferimento certificati per il contenuto di acqua e l’umidità
nei materiali
• Validazione chimico‐fisica del cKF e del EWV per mezzo di
un generatore di umidità sviluppato all’INRiM
• Supporto dell’INRiM, in qualità di Istituto Metrologico
Nazionale Italiano, ai laboratori che effettuano misure di
umidità nei materiali infrastruttura metrologica
• Possibili collaborazioni con partner industriali e istituzioni
nazionali/internazionali in svariati campi (ad es.
biocarburanti, biopolimeri, alimenti)

GRAZIE PER LGRAZIE PER L’’ATTENZIONE!ATTENZIONE!

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

Recommended

Recommended

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (18)

Similar to L'umidità nei materiali: nuovi sviluppi per la riferibilità delle misure

Similar to L'umidità nei materiali: nuovi sviluppi per la riferibilità delle misure (13)

More from TogetherToSolve

More from TogetherToSolve (20)

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