Le terre rare come inquinanti emergenti: distribuzione nei suoli urbani e minerari

Rare earth elements have become a fundamental component of our reality and are used in various electronic devices, but also in wind turbines and electric machines. Their growing use in industrial applications has probably resulted in greater mobilization in the environment and an increase of these metals in the urban environment. In recent years,, interest in rare earth elements (REE) has increased both due to their greater use in anthropogenic activities and due to the potential health risks for humans, animals and the environment associated with their increased mobilization. Consequently, to date, rare earth elements are considered emerging contaminants and, for this reason, it is necessary to know their sources, behavior in the environment and toxicity. However, there are few studies relating to the determination of REE in urban soils. In this thesis work, an analytical procedure was developed for the determination of REE in soils and the optimized method was subsequently applied to different types of soil samples in the Piedmont area. The first step of the work, therefore, involved the optimization of the acid digestion method by microwaves: different acid mixtures were tested on two certified reference samples to determine the one that could maximize the extraction yields of REE (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) from soil samples. In this phase, the use of HF was not considered, since, although it can extract the fraction occluded in the silicate matrix, it could damage parts of analytical instrumentation. The acid-oxidizing mixtures tested can extract the pseudo-total quantity of REE, which is the one available for translocation in the other environmental compartments. The optimal mixture is composed of 8 ml of aqua regia and 2 ml of H2O2. It has been observed that the percentage extraction yields range from 48% to 105%, depending on the analyte considered. Subsequently, the selected attack mixture was applied to 21 Turin urban soil samples, 7 samples taken at the Monte Bracco mining site, and 7 samples taken at the Alpignano eco-center. Different areas of the city of Turin were sampled, including industrial sites, parks and urban green areas. The Alpignano site was chosen to evaluate if the deposits of electronic devices could determine an increase of REE in the surrounding area. The site of Monte Bracco, on the other hand, was chosen to evaluate the possible enrichment of REE in mining soils. In addition to REE, Mn, Fe and other regulated metals (Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Co, Pb) were determined in the samples. Finally, the data obtained in this thesis were investigated with chemometric techniques, in particular the principal component analysis (PCA: Principal Component Analysis) was used.

Le terre rare sono diventate una componente fondamentale della nostra realtà e vengono utilizzate in diversi dispositivi elettronici, TV, PC, nelle turbine eoliche e nelle macchine elettriche. Il loro crescente utilizzo nelle applicazioni industriali ha probabilmente determinato una loro maggiore mobilitazione nell’ambiente e quindi un aumento di questi metalli nell’ambiente urbano. Negli ultimi anni, quindi, l’interesse per le terre rare è aumentato sia a causa del loro maggiore impiego nelle attività antropiche sia a causa dei potenziali rischi per la salute dell’uomo, degli animali e dell’ambiente associati alla loro maggiore mobilitazione. Di conseguenza, ad oggi, le terre rare sono considerati degli inquinanti emergenti e per questo motivo è necessario conoscere le loro sorgenti, comportamento nell’ambiente e tossicità. Tuttavia, gli studi relativi alla determinazione di terre rare nei suoli urbani sono poco numerosi. In questo lavoro di tesi, quindi, è stata messa a punto una procedura analitica per la determinazione delle terre rare in campioni di suolo e successivamente la metodica ottimizzata è stata applicata a diverse tipologie di campioni di suolo del territorio piemontese. Il primo step del lavoro ha quindi previsto l’ottimizzazione del metodo di digestione acida con microonde: sono state testate diverse miscele di acidi su due campioni di riferimento certificati per determinare quella che potesse massimizzare le rese di estrazione delle terre rare (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) dai campioni di suolo. In questa fase non è stato considerato l’utilizzo di HF, che, sebbene sia in grado di estrarre la frazione occlusa nella matrice silicatica, potrebbe danneggiare parti della strumentazione analitica. Le miscele acido-ossidanti testate sono in grado di estrarre la quantità pseudo-totale di REE, ovvero quella disponibile alla traslocazione negli altri comparti ambientali. La miscela che è risultata essere ottimale è composta da 8 ml di acqua regia e 2 ml di H2O2. Si è osservato che le rese di estrazione percentuali vanno dal 48% al 105%, a seconda dell’analita considerato. Successivamente la miscela d’attacco selezionata è stata applicata a 21 campioni di suolo urbani torinese, 7 campioni prelevati presso il sito minerario di Monte Bracco e 7 campioni prelevati presso l’ecocentro di Alpignano. Sono state campionate diverse aree della città di Torino, tra cui siti industriali, parchi e aree verdi urbane. Il sito di Alpignano è stato scelto per valutare se i depositi di dispositivi elettronici possono determinare un aumento di REE nelle aree circostanti. Il sito di Monte Bracco, invece, è stato scelto per valutare l’eventuale arricchimento in REE di suoli minerari. Oltre alle terre rare, sono stati determinati all’interno dei campioni anche Mn, Fe e altri metalli regolamentati (Cr Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb). Infine, i dati ottenuti in questo lavoro di tesi sono stati indagati con tecniche chemiometriche, in particolare è stata utilizzata l’analisi delle componenti principali (PCA: Principal Component Analysis).