Identificazione di minerali e di contaminanti nell'acqua e negli alimenti mediante gli analizzatori XRF portatili

L'acqua del rubinetto è costituita solamente di H₂O? La risposta non è semplice: l'acqua potrebbe contenere delle sostanze dissolte che non sono distinguibili a occhio nudo. Gli analizzatori (pXRF) a fluorescenza a raggi X portatili come l'analizzatore XRF portatile Vanta™ Olympus possono identificare i minerali e i contaminanti non distinguibili a occhio nudo nella acqua potabile.

Identificazione di minerali e di contaminanti nell'acqua

Sebbene si potrebbe pensare che l'acqua potabile è costituita solamente da H₂O, sono spesso presenti altre sostanze dissolte nel tuo bicchiere. Alcune di queste sostanze sono benefiche: ad esempio il fluoro previene la comparsa della carie dei denti. Altri comuni minerali che possono essere presenti nell'acqua includono il cloruro di calcio(CaCl₂), un composto contenente elettroliti che può contribuire a prevenire la disidratazione. Il cloruro di calcio, unitamente a altri tipi di cloruri (es: cloruro di magnesio, di sodio e di potassio), può passare dalle formazioni rocciose nell'acqua potabile attraverso i processi geologici. Il seguente grafico (Figura 1) mostra la precisione di misura dell'analizzatore pXRF Vanta del calcio disciolto con una concentrazione variabile compresa tra un massimo di 1000 ppm a un minimo di 20 ppm.

Figura 1. Prestazioni analitiche dell'analizzatore pXRF Vanta relativamente al calcio disciolto in funzione del campione di riferimento ICP (riquadro con illustrate le concentrazioni minori)

Tuttavia, l'acqua potrebbe contenere delle sostanze potenzialmente dannose, come i nitrati (NO₃-), il manganese (Mn), il ferro (Fe) e il bicarbonato (HCO₃-), per citarne alcune. Questi elementi e composti possono originare diversi problemi correlati alla salute e alle infrastrutture come: l'alterazione di tubazioni e sistemi di riscaldamento dell'acqua; formazione di incrostazioni; proliferazione di batteri.

Le tecniche di analisi elementari come quelle a fluorescenza a raggi X portatili (pXRF) eseguite mediante la serie Vanta™, possono essere usate per identificare e quantificare alcune di queste sostanze problematiche. Gli analizzatori pXRF possono inoltre contribuire a identificare i metalli pesanti, uno dei gruppi di contaminanti di acqua potabile più ampi e dannosi.

Contaminazione da metalli pesanti nell'acqua potabile

I metalli pesanti, i quali in genere includono (Cr), nichel (Ni), rame (Cu), arsenico (As), cadmio (Cd), mercurio (Hg) e piombo (Pb), possono causare diverse problematiche quando sono presenti nell'acqua potabile. Questi metalli possono passare nell'acqua in seguito ad attività geologiche e industriali come: naturale disgregazione di rocce; funzionamento di impianti di produzione energetica a carbone; l'attività mineraria. Quando questi metalli passano all'acqua di falda possono acidificarla o alcalinizzarla. Di conseguenza l'acqua potrebbe risultare tossica e deteriorare tubazioni e altre infrastrutture idrauliche. Con la variazione del pH dell'acqua, questi metalli possono inoltre favorire lo sviluppo di diversi batteri nocivi.

Diversi tipi di acque potabili

Fortunatamente la maggior parte delle acque potabili sono sottoposte a filtrazione o altro tipo di processo di purificazione. Esistono diversi tipi di acqua potabile immediatamente utilizzabili da parte dei consumatori:

• Di rubinetto
• Distillata
• Filtrata
• Di sorgente
• Purificata

In genere il tipo più accessibile, l'acqua di rubinetto, viene sottoposta a diversi processi. Nell'acqua di falda vengono aggiunte alcune sostanze chimiche che rimuovono i residui e la maggior parte delle particelle dissolte. L'acqua chiarificata viene quindi filtrata e disinfettata mediante cloro, oppure fluoro in alcune aree geografiche. L'acqua distillata viene bollita, generando vapore, convertendolo in acqua potabile attraverso condensazione, rimuovendo praticamente tutti i contaminanti. L'acqua filtrata è simile all'acqua di rubinetto, sebbene alcuni tipi di acqua filtrata vengano trattati con ozono per eliminare i batteri, prima di effettuare l'ultima fase di purificazione antecedente all'imbottigliamento. In modo simile all'acqua filtrata, l'acqua di sorgente è sottoposta allo stesso processo di purificazione dell'acqua di rubinetto. Quest'ultima viene trattata anche con ozono. L'ultimo tipo, l'acqua purificata, viene sottoposta a numerose tecniche di purificazione come l'osmosi inversa, la distillazione e la deionizzazione. Ognuna di queste tecniche elimina e lascia alcune sostanze e contaminanti dissolti. Mediante gli analizzatori pXRF Vanta è possibile identificare quali sostanze dissolte non sono state eliminate da questi diversi tipi di acqua.

Analisi dell'acqua mediante gli analizzatori pXRF Vanta

Per mostrare il funzionamento degli analizzatori pXRF, sono stati analizzati i precedenti comunque tipi di acqua oltre a dell'acqua piovana mediante un analizzatore Vanta, analizzando successivamente i risultati quantitativamente. L'analisi è durata un minuto, permettendo di identificare velocemente i contaminanti e i minerali nell'acqua (Figura 2).

Figura 2. Analisi effettuate con analizzatori pXRF Vanta di cinque tipi di acqua mostrano una diversità di sostanze dissolte

Sebbene tutti i tipi di acqua appaiono uguali attraverso l'ispezione visiva, i campioni contengono diverse sostanze dissolte. I tipi di acqua sottoposti a numerose fasi di purificazione, come l'acqua distillata e l'acqua purificata, contengono dei livelli non rilevabili di minerali sali o metalli dissolti. I tipi di acqua che risultano più in prossimità della fonte come l'acqua di sorgente e l'acqua filtrata, contengono alcuni elementi originati da sostanze organiche (es: fosforo e zolfo) e sali originati da processi geologici (es: calcio e cloro). L'acqua di rubinetto, oltre a contenere queste sostanze organiche e sali, contengono tracce non nocive di ferro e zinco originate da alcune tubazioni che trasportano l'acqua. Questo ferro può essere usato dal proprio organismo per soddisfare le necessità minerali, tuttavia può anche causare la comparsa di macchie rossastre nell'impianto idraulico della propria abitazione. Fortunatamente nessuno dei tipi di acqua analizzati possedevano una concentrazione di metalli pesanti rilevabile.

Oltre al calcolo delle concentrazioni elementari, l'analizzatore pXRF Vanta™ permette di calcolare la concentrazione di diversi sali. Usando l'acqua di sorgente e di rubinetto a titolo esemplificativo, l'analizzatore Vanta permette di determinare la concentrazione di cloruro di calcio in linea in tempo reale (Figura 3).

Figura 3. Calcolo in linea dell'analizzatore pXRF Vanta per il cloruro di calcio (CaCl2) su acqua di sorgente (a sinistra) e acqua di rubinetto (a destra)

Identificazione di contaminanti da metalli pesanti nelle acque reflue

L'analizzatore pXRF Vanta™ può inoltre identificare la contaminazione da metalli pesanti nelle acque reflue o nelle acque a uso industriale o agricolo. Sebbene alcuni di questi metalli pesanti possano essere rilevabili direttamente dall'analizzatore Vanta a una concentrazione pari o superiore a 1 ppm (1 mg/L), alcuni contaminanti sono presenti a una concentrazione inferiore. I progressi nella preparazione dei campioni, come il TIERS (time-lapse ion exchange resin sachets)¹, permettono all'analizzatore Vanta di rilevare delle concentrazioni di metalli pesanti e sali a partire dalle parti per miliardo (ppb) o frazioni di 1 mg/L. Questa semplice e economica tecnica di preparazione dei campioni permette di amplificare le concentrazioni dell'acqua da 100 a 1000 volte, raggiungendo limiti di rilevamento simili a tecniche più costose.

Mediante il TIERS o altre resine a scambio ionico viene semplificato: il rilevamento di discariche illegali in acque industriali o agricole¹; la valutazione dell'inquinamento da metalli pesanti nelle aziende agricole²; l'identificazione di inquinanti in specchi d'acqua³. Queste tecniche hanno portato allo sviluppo di fingerprint di acque reflue, permettendo ai ricercatori di identificare la provenienza di specifici inquinanti o contaminanti. La capacità di raggiungere dei limiti di rilevamento nell'ordine dei ppb rende gli analizzatori pXRF dei validi strumenti per l'analisi di acque reflue e l'identificazione di contaminanti.

Contaminanti in alimenti e bevande

Tra gli alimenti e le bevande, l'acqua non è la sola che potrebbe essere soggetta alla contaminazione da metalli pesanti. Anche altri tipi di alimenti come i cereali e lo zucchero possono essere soggetti a contaminazione da metalli pesanti. Gli alimenti possono essere contaminati da pezzi metallici, rendendone necessaria l'identificazione , oppure possono essere contaminati anche solo da metalli in tracce derivati dalle attività antropiche e ambientali. I metalli come il ferro e lo zinco possono essere accidentalmente aggiunte agli alimenti attraverso l'usura dei macchinari, gli inquinanti dei fertilizzanti e i diversi processi di trattamento. I contaminanti possono interessare lo zucchero attraverso l'acqua contaminata usata nei processi di trattamento e i contaminanti presenti nel suolo delle coltivazioni di canna da zucchero. Con modalità simili all'analisi dell'acqua, abbiamo analizzato farina, riso e zucchero commercializzati con un analizzatore pXRF Vanta™ e abbiamo esaminato quantitativamente i risultati. L'analisi è durata un minuto, fornendo velocemente le informazioni relative alla contaminazione in questi comuni alimenti presenti nella dispensa (Figura 4).

Figura 4. L'analizzatore pXRF Vanta analizza gli alimenti comuni come zucchero (a sinistra), farina (nel centro) e riso (a destra).

Sebbene nessuna delle sostanze dissolte sia visibile ad occhio nudo, risultano chiaramente presenti in questi alimenti. Tutti gli elementi rilevati sono presenti naturalmente in queste sostanze, derivando da minerali, sali e nutrienti. L'analizzatore Vanta può perfino essere usato per analizzare prodotti come proteine in polvere o cannabis.

Questa analisi elementare evidenzia chiaramente la contaminazione in alimenti e bevande commerciali, dimostrando le prestazioni analitiche degli analizzatori XRF portatili Vanta.

Bibliografia

1. Shih, P.K., Chiang, L.C., Lin, S.C., Chang, T.K. and Hsu, W.C., 2019. Application of Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets (TIERS) for Detecting Illegal Effluent Discharge in Mixed Industrial and Agricultural Areas, Taiwan. Sustainability, 11(11), p.3129.

2. Huang, J.J.S., Lin, S.C., Löwemark, L., Liou, S.Y.H., Chang, Q., Chang, T.K., Wei, K.Y. and Croudace, I.W., 2019. Rapid assessment of heavy metal pollution using ion-exchange resin sachets and micro-XRF core-scanning. Scientific reports, 9(1), pp.1-6.

3. Pan, S.Y., Syu, W.J., Chang, T.K. and Lee, C.H., 2020. A multiple model approach for evaluating the performance of time-lapse capsules in trapping heavy metals from water bodies. RSC Advances, 10(28), pp.16490-16501.