Designing And Testing Real-Time Sensors for Air Quality Assessment in Indoor/Outdoor Environments

Over 6.7 million deaths per year are linked to the combined effect of ambient and household air pollution; similarly, exposure to PM2.5 concentrations is linked to a global burden of disease of millions of deaths per year. At the present day, air quality monitoring activities are conducted in order to comply with existing local or international legislation or for scientific research purposes. While monitoring air quality within urban and rural areas is now common practice, data coverage is still limited and restricted to official monitoring stations managed by local government authorities. This is mainly related to the fact that the reference instrumentation required for air quality measurements is often expensive, bulky, and is continuously subjected to maintenance and calibration processes to ensure data accuracy. This results in inadequate spatial and temporal data coverage, which often fail to provide sufficient information on emission sources and hotspots. In response to this matter, in recent years there has been a significant surge, both in the market and in scientific research, into the development of low-cost technologies for monitoring air quality. This work is aimed at the employment of low-cost devices for atmospheric pollutants monitoring, with the ultimate objective being to assess the role that these new technologies may play in addressing air quality in different environmental contexts. Given the high variability of spaces, settings and conditions, this project aims to test low-cost sensors in different indoor and outdoor environments, from ambient air conditions in urban and sub-urban areas, to occupational and cultural heritage-related settings. During this project, air quality monitoring was conducted during the redevelopment plan of Piazza della Scienza envisioned by the MUSA ecosystem. Low-cost sensors employed were calibrated against reference instruments through the derivation of site-specific correction factor, then allowing for an evaluation of the overall impact on air quality of the urban regeneration project conducted in Piazza della Scienza. Additionally, low-cost sensors for continuous and real-time air quality monitoring were installed in fixed positions throughout the square and evaluated against reference data. In parallel, additional testing involving low-cost devices was carried out: a low-cost black carbon monitoring device was evaluated against reference aethalometers in an urban background site; the low-cost OPC-N3 and bcMeter were employed in two museums environment (Pinacoteca di Brera, Palazzo Citterio) conducting explorative campaigns aimed at cultural heritage preservation. The present study highlighted how low-cost sensors can become effective tools for air quality research, complementing traditional devices. However, they require precise testing and calibration to ensure data accuracy.

Oltre 6,7 milioni di decessi all'anno sono collegati agli effetti combinati dell'inquinamento atmosferico ambientale e domestico. Analogamente, l'esposizione a concentrazioni di PM2,5 è associata a milioni di decessi all'anno. Le misurazioni della qualità dell'aria vengono attualmente effettuate per conformarsi alla legislazione locale o internazionale vigente o per scopi di ricerca scientifica. Sebbene il monitoraggio della qualità dell'aria sia ormai una pratica comune nelle aree urbane e rurali, la copertura dei dati rimane limitata e circoscritta alle stazioni di misurazione ufficiali gestite dalle autorità locali. Ciò è dovuto principalmente al fatto che gli strumenti di riferimento necessari per le misurazioni della qualità dell'aria sono spesso costosi e ingombranti e richiedono una manutenzione e una calibrazione continue per garantire l'accuratezza dei dati. Ciò si traduce in una copertura spaziale e temporale dei dati insufficiente, che spesso non fornisce informazioni adeguate sulle fonti di emissione e sui punti caldi. In risposta a ciò, negli ultimi anni si è assistito a un aumento significativo dello sviluppo di tecnologie a basso costo per il monitoraggio della qualità dell'aria, sia sul mercato che nella ricerca scientifica. Questo lavoro è finalizzato all'impiego di dispositivi a basso costo per il monitoraggio degli inquinanti atmosferici, con l'obiettivo finale di valutare il ruolo che queste nuove tecnologie possono svolgere nella gestione della qualità dell'aria. Data l'elevata variabilità degli spazi, degli ambienti e delle condizioni, questo progetto mira a testare sensori a basso costo in diversi ambienti interni ed esterni, dalle condizioni dell'aria ambiente nelle aree urbane e suburbane, agli ambienti lavorativi e a quelli legati al patrimonio culturale. Durante questo progetto, il monitoraggio della qualità dell'aria è stato condotto durante il piano di riqualificazione di Piazza della Scienza previsto dall'ecosistema MUSA. I sensori a basso costo utilizzati sono stati calibrati rispetto a strumenti di riferimento attraverso la derivazione di un fattore di correzione specifico per il sito, consentendo quindi una valutazione dell'impatto complessivo sulla qualità dell'aria del progetto di rigenerazione urbana condotto in Piazza della Scienza. Inoltre, sensori a basso costo per il monitoraggio continuo e in tempo reale della qualità dell'aria sono stati installati in posizioni fisse in tutta la piazza e valutati rispetto ai dati di riferimento. Parallelamente, sono stati effettuati ulteriori test con dispositivi a basso costo: un dispositivo di monitoraggio del carbonio nero a basso costo è stato valutato rispetto ad etalometri di riferimento in un sito urbano; i dispositivi a basso costo OPC-N3 e bcMeter sono stati utilizzati in due musei (Pinacoteca di Brera, Palazzo Citterio) per condurre campagne esplorative finalizzate alla conservazione del patrimonio culturale. Il presente studio ha evidenziato come i sensori a basso costo possano diventare strumenti efficaci per la ricerca sulla qualità dell'aria, integrando i dispositivi tradizionali. Tuttavia, essi richiedono test e calibrazioni precise per garantire l'accuratezza dei dati.