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La pollution atmosphérique

(1996)

J’effectue actuellement un stage de 8 mois au sein du Centre de Recherche National sue l’Atmosphère (NCAR) a Boulder, dans le Colorado.(USA). Affectée au Service de Chimie de Atmosphère (ACD), j’étudie les différents composés organiques volatils émis par les plantes. 

– Estelle HAAG

Plus généralement, le contrôle de la pollution atmosphérique peut se mener de différentes manières: la mesure directement à la source ou dans un ensemble beaucoup plus grand, mis en évidence lors des contrôles de la qualité de l’air.

Ce dossier comportera 6 chapitres, s’appuyant d’une part sur la présentation des principaux polluants industriels, et d’autre part, sur une inter-comparaison des différentes méthodes de contrôle.

Vu  l’étendue du sujet, je me focaliserai surtout sur l’émission des polluants lors de procédés de combustion.

Emission des principaux polluants, suivant les OECD

Il est intéressant de comparer l’émission des différents polluants à travers les pays.

Bien sur, les pays les plus industrialisés interviennent fortement dans l’émission de polluants. Ainsi, l’Amérique du Nord est une des région du monde qui pollue le plus, grâce à son fort taux d’activité industrielle. Ci dessous se trouve l’émission des principaux polluants  suivant les  OECD (organisation pour le développement et la coopération économique) des grandes zones mondiales en 1980.

On remarque également. que le monoxyde de carbone est le polluant le plus émis dans le monde, ( 149 millions de tonne émis, soit 77% de l’émission mondiale de polluant et 92.4 millions de tonnes émis par l’Amérique du Nord !)

Emission de NOx, suivant les pays les plus industrialisés:

L’émission de NOx est surtout dépendante des transports urbains. Avec l’évolution du trafic routier dans la majorité des pays, l’émission de NOx n’a cessé de s’accroître, à l’exception du Japon qui a suivit une réglementation stricte sur l’environnement.

Emission de CO2 en 1950 et en 1991 suivant les pays :

Là également, les pays les plus industrialisés se démarquent nettement sur l’émission de dioxyde de carbone. On remarque cependant une diminution générale de la pollution  pour  les “vieux” pays industrialisés ( USA, France, UK) , contrairement aux pays d’Asie  en pleine expansion,  émettent beaucoup plus en 1991, qu’en 1950. La Chine, par exemple, était classée 10ème en 1950, et est en 1991, le 3ème pays qui émet le plus de CO2.

Emission de SO2  en 1985, suivant les pays:

Le dioxyde de souffre est produit en majorité par les industries  et les centrales d’énergie, Notons cependant que les USA, émettaient près du double de SO2 que toute l’Europe réunie.

Le monoxyde de carbone (CO) :

C’est un gaz est incolore, inodore et sans saveur, Il est produit en majorité par des combustions incomplètes. Pendant la combustion, le carbone est oxydé en CO2, suivant:

             2 C +O2  ---->  2 CO

             2 CO + O2  ---->  2 CO2

Le monoxyde de carbone est donc le produit intermédiaire de la combustion, et ne peut être transformé en CO2 s’il y a un manque d’oxygène.

Le monoxyde de carbone est produit naturellement par les éruptions volcaniques, la décomposition de la chlorophylle et les feux de forêt, et antropogéniquement par les transports, les dépôts de déchets, les combustions industrielles incomplètes, la production d’acier, etc….

Globalement, la production de CO est estimée entre 3 et 9 milliard de tonnes par an pour les sources naturelles, et 0.3 milliard de tonnes par an pour les sources antropogéniques.

Les oxydes de soufre (SOx)

Plusieurs composés sulfurés sont présents dans l’atmosphère sous forme naturelle ou antropogénique ( surtout SO2 et H2S)

Bien que l’émission naturelle de SOx soit insignifiante, elle existe néanmoins, et est produite par les émissions volcaniques.

Le monoxyde de souffre SO est produit par les fuels contenant une quantité suffisante de sulfide inorganiques et de sulfure organique qui sont brûlés lors de la combustion. Les SO3  sont émis dans l’atmosphère lors de la fusion de minerais et sont produits par oxydation du SO2.

 S + O2  ---->  SO2

 2 SO2 + O2  ---->  2SO3

 SO3 + H2  ---->  H2SO4

Le dioxyde de souffre est et possède une odeur acre grâce a laquelle il peut être détecte dans l’air a partir d’une concentration de 1 mg/m3

Dioxide de souffre: SO2

L’hydroxyde de souffre H2S

C’est un gaz très toxique, avec une odeur “d’œuf pourrit”. Cette odeur peut être détectée à des concentrations  de 0.5 ppb. IL est émis naturellement par les sources chaudes et/ou volcaniques, ce qui représente  100 millions de tonnes par an. 

Les oxydes d’azote :

Il existe 5 gaz azotés dans l’atmosphère :

L’azote N2, présent  dans l’air.

Le dioxyde d’azote NO2 : 

Il est d’une couleur allant du jaune à l’orange orangé, suivant sa concentration. Il à une odeur irritante, et est relativement toxique, et, du fait de son haut pouvoir oxydant, il est extrêmement corrosif.

Le dioxyde d’azote est produit par oxydation directe du monoxyde d’azote ;

 2 NO + O2  ---->  2 NO2

En basse atmosphère, cette équation est très lente, comptant pour moins de 25% de la conversion en NO. Des réactions photochimiques s’en suivent, impliquant l’ozone et des radicaux peroxydes tels que :

 NO + O3  ---->  NO2 + O2

 RO2 + NO  ---->  NO2+ RO

 HO2 + NO  ---->  NO2 + OH

Le Monoxyde d’azote ( NO)  

C’est un gaz incolore, inodore et sans saveur, il est relativement non toxique. Naturellement, il est émis par un procédé biologique de décomposition de la terre, par combustion, et par destruction photochimique de l’azote dans la stratosphère. L’émission  annuelle de monoxyde d’azote est de 500 millions de tonnes. 

Les hydrocarbones et dérivés ( HCs ):

Ils représentent une très grande partie des composés organiques, puisqu’ils sont uniquement composés d’hydrogène et de carbone. Leur diversité provient de la différence du type de liaison entre les atomes ( droite, cyclique..) Ils peuvent également être saturés ou insaturés. Les HCs saturés sont composés d’un ou plusieurs atome de carbones, reliés tous à un atome d’hydrogène. Ils sont donc formés de liaison simple, contrairement au HCs insaturés. A cause de leur haute réactivité, les HCs insaturés se retrouvent dans les procédés photochimiques ayant lieu dans l’atmosphère.

Il existe 3 classes de HCs :

- Les HCs aliphatiques : ils ont des chaînes droites ou cycliques, ou l’atome de Carbone est relié à 3 ou 4 autres atomes ( alcanes ou alcène)

Exemple : l’ Ethane

  - Les HCs olefins ; Ils ont des chaînes droites ou cycliques, mais on une ou plusieurs double liaison, ce qui les rend plus réagissant. Exemple :                       

- Les HCs aromatiques, basés sur la liaison cyclique du benzène. Le benzène est un liquide volatile, il réagit donc moins dans l’atmosphère que les olefins.

 Benzène

Les particules solides ( poussières )

Il s’agit d’un terme général qui regroupe les très petites particules solides et liquides. Les particules individuelles peuvent être produites par un procédé naturel ( pollen, sel, érosion du sol ) et antropogénique (suie, cendre, oxyde de fer). Leur présence en tant qu’aérosol dans l’atmosphère contribue à la réduction de la visibilité, et pose des problèmes de santé publique.

Suivant  l’origine et la formation des particules, on en distingue 2 types :

Les particules primaires qui sont produites par un procédé physique ou chimique, à partir d’une source, et sont  émies directement dans l’atmosphère, ou elles changent généralement de forme.

Les particules secondaires sont formées dans l’atmosphère à partir d’une réaction chimique gazeuse. Il s’agit d’émission antropogénique de gaz, ou pouvant être généré par émission naturelle de vapeur d’eau, émission volcanique ou décomposition végétale.

La composition de chaque particule dépend de sa source et de son origine, c'est à dire de ses antécédents atmosphériques. Une particule peut contenir près de 100 espèces chimique différentes.( sulfate, ammonium, carbone, composés organiques)

IL peut être défini à long terme, par une évaluation du niveau de la pollution atmosphérique, en différentes aires géographique. Le contrôle des activités est habituellement  conduit par le service local du contrôle de la pollution. Cependant, le contrôle de polluants tels que les CFC, CO2  ou les précipitations  acides sont gérées  par l’état. ( aux USA)

            Le contrôle de la qualité de l’air est déterminé par la comparaison à un étalon d’air ‘ de qualité ‘.Ce contrôle s’effectue en une collection d’échantillons individuels, étendus sur une période de temps et d’espace.

Le contrôle se fait par échantillonnage et mesure du taux de polluant.

L’échantillonnage

Il se fait de différentes manières, suivant le type de polluant;

La prise d’échantillon gazeux peut se faire par ‘Pompage’ d’air dans des cartouches ou sacs, précédemment nettoyés de toutes impuretés.

Les poussières sont collectées par des techniques gravitationnelles, de filtration, ou précipitation électrostatique ou thermostatique.

L’analyse:

Les techniques d’analyse dépendent de la concentration  et du type de gaz recherchée.

La Chimiluminescence

Il s’agit de l’émission de lumière résultant d’une réaction chimique. Cette méthode est habituellement utilisée pour l’analyse continuelle de l’air, afin de déterminer les concentrations d’ozone ou de NOx. Dans la plupart de ces analyseurs, l’échantillon d’air est introduit dans une chambre avec un gaz réactant. L’émission de lumière est  récupérée et amplifiée.

L’électrochimie :

L’échantillon passe à travers une solution aqueuse, où la réaction chimique se produit entre le polluant et le réactant, libérant ainsi des électrons et créant un courant électrique mesurable, proportionnel à la concentration de gaz.

L’analyse infra rouge  :

Le principe est basé sur l’absorption sélective de l’IR par le gaz à analyser. (généralement utilisé pour le CO) Les analyseurs sont  constitués d’un échantillon de référence avec une source à double rayon IR. L’absorption d’énergie par le gaz résulte d’une différence de chauffage et d’expansion entre l’échantillon et la cellule de référence, causé par un diaphragme, qui bouge à une fréquence relative à la concentration du gaz absorbant. A cause  de l’interférence entre le CO, et l’eau, l’échantillon doit être sécher préalablement.

La chromatographie :

C’est la méthode la plus utilisée pour analyser des traces de gaz dans l’atmosphère. En chromatographie en phase gazeuse, les molécules sont adsorbées sur une colonne capillaire généralement en silice. Le gaz collecté est ensuite désorbé par chauffage de la colonne. A cause de la différence de polarité entre la phase mobile de l’échantillon et la phase stationnaire de la colonne, chaque molécule se désorbera avec un temps de rétention différent. On peut ainsi identifier et quantifier les différents composés de l’échantillon.

Généralités :

L’air est un des élément fondamental à presque toutes les formes de vie. Depuis plus d’un siècle, l’évolution industrielle n’a fait que détériorer la qualité de l’air, et on étudie aujourd’hui, les effets de la pollution sur l’homme et sur l’environnement.

La visibilité :

C’est l’effet le plus évident : il s’agit de voir clairement un objet à longue distance, ce qui dépend de plusieurs facteurs :

-         L’illumination ( conditions météorologiques)

-         De la réflexion de la lumière sur l’objet

-         De l’acuité visuelle de l’homme à percevoir l’objet.

L’impact sur le corps humain :

Irritation des yeux :

C’est une des premières manifestation de la pollution atmosphérique sur le corps humain. Elle est souvent dû a une sur-exposition d’aldéhydes et des oxydants photochimiques. Le seuil d’oxydant est placé entre 0.10 et 0.15 ppm. Généralement, le niveau d’oxydant photochimique est proportionnel à l’irritation.

Les effets du CO

Les polluants comme le CO ou le Plomb, sont absorbés par le flux sanguin et peuvent avoir un certain nombre de conséquences sur le système cardiovasculaire. L’effet majeur causé par le CO est un lien chimique avec l’hémoglobine du sang, pour former des carboxyhémoglobine. Le CO à une plus grande affinité avec l’hémoglobine que l’oxygène Ainsi, à cause de cette ‘concurrence’ avec l’oxygène pour combler les sites d’hémoglobine, l’effet du CO peut affecter sérieusement le transport en oxygène dans le sang.

Le CO est toxique à des concentrations supérieures à 1000 ppm. La mort peut être causée par asphyxie des tissus, notamment ceux du cerveau. La diminution du taux d’oxygène dans les tissus cérébraux à une conséquence immédiate sur le système nerveux central, ce qui inclue les changements de comportement ( augmentation du temps de réaction à un stimuli)

Les Oxydes de soufre et particules

Les oxydes de soufre sont souvent accompagnés de poussières, et il n’est pas facile de distinguer l’effet de l’un ou de l’autre de ces polluants. L’étude des effets des SOx se fait au niveau international, ainsi, une étude Britannique a monté que le taux de mortalité dû au bronchites augmentait suivant le lieu ou les concentration en SOx et en particules étaient particulièrement hautes. ( cf. schéma ci dessus). Comme le SO2 se combine très bien avec des molécules d’eau, il est facilement absorbé surtout par la bouche, ainsi que les particules. Celles ci se déposent dans l’organisme et sont la cause de maladies pulmonaire.

Les effets des oxydes d’azotes

Même s’ils ne sont pas très toxiques, les oxydes d’azote en de grande concentration, peuvent  affecter les tissus, et obstruer les bronchioles. Les oxydes d’azote sont la cause de maladies respiratoire : bronchite, pneumonie, asthme, congestion nasale, etc..)

Effets des principaux polluants sur l’homme et son environnement:

D’où vient la pollution ?         

Même si certains pays polluent plus que d ‘autres, chacun d’entre nous contribue à un environnement tel que nous le connaissons actuellement. Bien sur, une large majorité de la pollution urbaine ( surtout le CO) provient des transports, mais il y a également toute une pollution « individuelle et privée »  qui est générée dans chaque foyer. Enfin, les industries et centrales électriques jouent un rôles non négligeable dans l’émission de polluants.

Emission de polluants causés par un procédé de combustion

Le Monoxyde de Carbone

La majorité de l’émission de CO est causé par les transports, mais les combustions de fuels émettent cependant quelques millions de tonnes par an.

Le type et la quantité de polluant émis dépendent du procédé de combustion et du combustible utilisé. L’émission annuelle naturelle de CO est estimée entre 3 E9 et 6.4 E11 tonnes et de 2.75 E8 tonnes émise antropogéniquement.

Les différents combustibles (gaz, fuel, charbon) sont des hydrocarbures dont le taux de carbone ( C ) et d’hydrogène ( H )  varie. On les  note Cn Hm.

Dans le cas d’une combustion complète, le carbone du combustible réagit avec l’oxygène de l’air pour donner du dioxyde de carbone  et de l’eau suivant :

                         CnHm + (n+ m/4) O2                 n CO2 + (M /2) H2O

Pour que la combustion soit complète, le combustible à besoin d’une certaine quantité d’oxygène. Ainsi, un manque d’air entraînerai une combustion incomplète, et un fort taux de pollution

L’excès d’air peut être estime par : l = (quantité actuelle d’air) / quantité stœchiométrique d’air. Comme on peut voir ci dessous, un manque d’air cause une dramatique influence sur l’émission de CO, de suie, ou d’hydrocarbones.

Les Hydrocarbones et dérivés :

Ils jouent un grand rôle dans l’étude de la pollution atmosphérique à cause de leurs réactions photochimiques dans l’atmosphère.

Les sources d’émission proviennent

-naturellement : des métabolismes animaux et végétaux, de la vaporisation des huiles à la surface des plantes,  Au us, l’émission naturelle des HC, y compris du CH4  est de 7 E7 tonnes par an

-antropogéniquement :

du traitement du pétrole dans les raffineries, des industries chimiques qui utilisent et commercialise des solvants, et surtout des combustions incomplète du aux véhicules motorisés.( qui représente près de 50% des émissions des HCs)

La suie

Si le fuel contient des hydrocarbures, et qu’ils sont chauffés en l’absence d’oxygène, un procédé thermique de décomposition s’active. Au cours de ce procédé, l’hydrogène est séparé et de la suie peut finalement se former. La suie est composée d’un agglomérat de molécules de carbone et d’hydrocarbone. Sa formation est favorisée par un manque d’oxygène dans la flamme de base, c. à dire par un mélange inadéquate de fuel et d’air, surtout à de hautes températures. Mais la formation de la suie ne dépend pas uniquement des conditions de combustion, mais également du type de fuel utilisé. S’il y a un manque d’air avec un fuel ayant un fort taux de carbone / hydrocarbone, celui ci sera plus sujet à la formation de suie qu’un autre fuel avec un faible taux de carbone/ hydrocarbone. On peut voir à la couleur de la flamme si de la suie se forme. En effet, les particules de suie brûlée ont des radiations dont le comportement est semblable à celui d’un corps noir. Selon la température, la flamme prend des teintes allant du jaune foncé au jaune clair, et une flamme sans formation de suie est bleue/transparent.

Selon les conditions de combustion,( Température, mélange, excès d’air) il en résulte un suie plus ou moins brûlée L’abaque ci dessus montre notamment l’émission de suie en fonction de la quantité d’air. On remarque également que lorsqu’il y a un manque d’air, l’émission de suie augmente très rapidement.

Les composés sulfurés

Suivant le graphique ci dessous, une large majorité de l’émission des SOx provient de la combustion du fuel.

Le dioxyde de soufre est formé essentiellement pendant la combustion du fuel contenant des composés sulfurés ( charbon, pétrole). Lorsqu’ils se sont formés, les composés azotés s’y sont attachés par l’intermédiaire d’acides aminés, qui sont des composés fondamentaux des protéines des plantes. LA méthionine et la cystéine sont 2 exemples d’acides sulfuro-azotés :

            COOH            ---->  COOH

     NH2-C –H               ---->  NH2-C-H

         CH2-CH2-SCH3          ---->  CH2SH

            Méthionine      ---->  Cystéine

Les produit de combustion dans les fuels sulfurés :

·        Le dioxyde de carbone :SO2

Si le soufre contenu dans le fuel est complètement brûlé, SO2 est formé suivant :

            CH3-SH + 3O2  ---->  SO2 + CO2+2H2O

·        Le sulfure d’hydrogène : H2S

Lors d’une combustion incomplète ( c.a.d. par manque d’air), H2S  peut être formé par :

             CH3-SH + 0.5 O2  ---->  H2S + HCHO

             2H2S + O2  ---->  H2O + 2S

            Dans la plupart des combustions, la réduction des composés sulfurés dans les gaz d’échappement est insignifiante. Cependant, il intervient lors de la combustion de briquettes de charbon dans ;les poêles domestiques, avec le tirage fermé, et une faible flamme. Dans ce cas, la formation d’H2S peut être significative, mais on le reconnaît très rapidement par son odeur d’œuf pourri a partir d’une concentration de 0.02 mg/m3

Les sulfures qui ne sont pas émis dans l’atmosphère  (contrairement à SO2) peuvent se lier à des cendres (cas des poêles à charbon ). Ce lien dépend de la température de combustion et des propriétés des cendres. (alcalinité). Dans les feux au charbon, une grande quantité des  trioxydes de souffre vont favoriser le lien avec les cendres.

5. Les Oxydes d’azote

Ils sont principalement formés par combustion de fuel comme le montre l’histogramme ci dessous.

·        Source

Les NOx sont formés à de haute température par l’oxydation de l’azote dans la combustion. Tout d’abord, le NO est formé alors que NO2, lui, n’est formé qu’après la combustion, lorsqu’il y a une quantité adéquate d’oxygène dans le gaz d’échappement.

·        Mécanismes de formation du NO :  Le NO « thermique »

Ce procédé fut découvert par Zeldovic. La concentration en atomes d’oxygène disponible pendant ou après la combustion est responsable de la formation du NO. A plus de 1300 C, et avec des températures en hausse, la concentration en oxygène augmente considérablement, ce qui favorise sensiblement la formation du NO. Les 2 réactions suivantes apparaissent lorsqu’il y a un excès d’oxygène :

          O+N2  ---->  NO + N

          N+O2  ---->  NO+ O

La quantité de NO formé est influencée par différents facteurs :

-         le taux d’air/fuel, surtout pour les réactions qui sont influencées par a concentration en oxygène. En général. L’émission du NO diminue lorsque le taux d’air/fuel augmente.

-         La température de réaction.

Paramètres influençant l’émission de polluant

Réduit par  

La pollution atmosphérique est tout d’abord, un problème partagé par tous.

Les émissions de polluants sont d’origine très diverse, et peuvent avoir des conséquences non-négligeable sur notre organisme, mais également sur notre environnement Nous pouvons nous en apercevoir tous les jours.

D’ailleurs, le contrôle de la qualité de l’air se fait tous les jours par des moyens de mesure de plus en plus performants.

C’est pour cela, pourquoi ne pas essayer de réduire la pollution à sa source, en essayant de réduire au maximum les émissions de gaz nocifs.

Estelle HAAG

Et ECOM

Bibliographie :

- The State of the Environment 1985  - OECD 1985

- Environment Quality – 23^rd Annual Report  - The Council on Environmental Quality ( 1992) /

- The Global Ecology Handbook – The global Tomorrow Coalition / Beacon Press

- Air Quality ( second edition) – Thad Godish / Edition Lewis

- Air Quality Control – Gunter Baumbach / Edition Springer

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