Il carbonio è un elemento chimico fondamentale per la vita e presente in tutte le sostanze organiche in tre isotopi: due stabili (12C e 13C) e uno radioattivo (14C). Quest’ultimo si trasforma per decadimento beta in azoto (14N), con un tempo di dimezzamento medio di 5.730 anni, di conseguenza questo isotopo a lungo andare scomparirebbe se non venisse continuamente reintegrato. Tutti gli organismi viventi facenti parte del ciclo del carbonio, lo scambiano con l’atmosfera attraverso processi di respirazione/fotosintesi o assimilazione nutrendosi di altri esseri viventi o sostanze organiche. Di conseguenza finché un organismo è vivo, il rapporto tra la sua concentrazione di 14C e quella degli altri due isotopi si mantiene uguale a quella in atmosfera. Dopo la morte l’organismo non scambia più carbonio con l’esterno. Per effetto del decadimento la concentrazione di 14C diminuisce regolarmente. Misurando la quantità di 14C in resti organici se ne ricava l’età (non più antica di 50.000 anni)
Impianto per la sintesi del benzene.
Il metodo radiometrico applicato si basa sulla conversione del campione originario in benzene e misura dell’attività del 14C tramite il metodo della scintillazione liquida. Si tratta di una tecnologia consolidata ed affidabile, che però richiede quantità discrete di campione in quanto l’analisi finale in scintillazione liquida necessita di una quantità minima di benzene per avere performance accettabili (circa 3-5 grammi di carbonio). Il Laboratorio è dotato di tutte le strumentazioni di pretrattamento chimico-fisico, per preparare qualsiasi tipo di matrice solida (carbonati, sostanze organiche, ecc.) all’analisi di radiocarbonio. Generalmente, prima dell’analisi, si esegue la spettroscopia Raman per avere una prima indicazione sulla composizione molecolare del campione da analizzare. Il campione pretrattato verrà poi sottoposto alla preparazione per l’analisi del 14C in scintillazione liquida con sintesi del benzene. L’impianto progetto per la sintesi del benzene del Laboratorio è realizzato in quarzo e vetro, dotato di forni infrarossi, forni statici, pompe scroll, rotative a membrana e turbomolecolari. L’intero apparato è suddiviso in tre sezioni: linea di combustione ossidativa per la sintesi e purificazione della CO2, reattore per la sintesi di acetilene (C2H2), linea di sintesi e raccolta del benzene (C6H6).
Una variante al metodo della scintillazione liquida è il metodo radiometrico con assorbimento diretto in ammine. Ciò che cambia è il modo in cui la CO2 viene convertita in forma liquida adatta alla misura, ovvero non più trasformata chimicamente in benzene, bensì fatta gorgogliare e assorbire direttamente su cocktail (piccola aliquota di metanolo sorbente e relativo liquido scintillante) già omogeneizzato mediante bagno ad ultrasuoni e pronto per la misura, inoltre servono minori quantità di campione (0.5-1 grammi di carbonio).
Le analisi vengono effettuate per la certificazione della frazione “biobased” dei prodotti secondo la norma UNI15747, per datazione reperti con il metodo del 14C e per analisi ambientali.
Esempio di trattamento della grafite.
Stoccaggio geologico della CO2, controllo dell’efficienza del confinamento dei rifiuti radioattivi, determinazione del contenuto di carbonio “rinnovabile”, analisi isotopiche delle emanazioni aeriformi, valorizzazione del patrimonio artistico, tracciabilità/rintracciabilità di prodotti e processi.
Si utilizza in ambito ICPP, per controllare lo “zero leakage” mediante il radiocarbonio come tracciante, dato che la CO2 fossile ne è completamente priva.
Applicazione della norma UNI 11279-3 (deposito ingegneristico per manufatti di rifiuti radioattivi di categoria 2) monitorando l’emissione di tre nuclidi di riferimento: trizio, 137Cs e radiocarbonio:
-Controllo del “contenuto di carbonio rinnovabile” di biomasse, biocarburanti, bioplastiche, ecc., ovvero della percentuale di carbonio rinnovabile utilizzato rispetto a quella di carbonio fossile, mediante analisi al radiocarbonio.
-Determinazione dell’origine del combustibile e quantificazione del rapporto tra frazione biobased e componente fossile nelle emanazioni aeriformi per il monitoraggio delle emissioni di termovalorizzatori, impianti industriali e nucleari.
-Sviluppo di un procedimento di combustione dei campioni per misure di datazione con il metodo del radiocarbonio nel settore edilizia e costruzioni.
-Tracciare l’origine dei prodotti agroalimentari attraverso analisi carbonio/azoto e/o isotopi pesanti, per l’identificazione delle frodi riguardanti l’utilizzo di materie prime e processi diversi da quelli dichiarati.
Granarolo S.p.A.
La datazione al radiocarbonio permette di misurare il contenuto biobased dei prodotti perché questi sono una combinazione di materiali provenienti da organismi vissuti recentemente e materiali fossili. Ciò permette di individuare prodotti falsamente certificati come 'bio' e non conformi alla normativa.
Esempio di trattamento di bioplastiche