Soutenance mémoire
Diamètre aérodynamique des particules
L’origine et le devenir des particules sont conditionnés par leur taille. Outre le classement effectué en fonction de leur origine naturelle ou anthropique, un autre classement est réalisé en fonction de leur granulométrie. Le problème de la définition de la taille des particules à partir de leur diamètre suppose qu’elles soient toute sphériques, ce qui n’est pas toujours le cas. Par conséquent, on parle de diamètre équivalent, applicable à toutes les particules quelle que soit leur forme. Le diamètre le plus souvent utilisé est le diamètre aérodynamique moyen (da) correspondant à celui d’une sphère ayant la même vitesse de chute que la particule et une masse volumique égale à 1g.cm3.
D’un point de vue réglementaire, les particules d’un diamètre aérodynamique moyen inférieur à 10µm seront appelées PM10 (PM pour Particulate Matter en anglais), celles ayant un diamètre aérodynamique moyen inférieur à 2.5 µm, les PM2.5 et celles ayant un diamètre aérodynamique moyen inférieur à 1µm, PM1. Les particules entre 2.5 et 10 µm sont appelées « particules grossières » ou « grosses particules » (Coarse particles en anglais), celles inférieures à 2.5 sont appelées particules fines (Fine particles en anglais). Enfin, celles inférieures à 0.1µm sont appelées particules ultrafines (Ultrafine particles en anglais).
Impact de la pollution par les particules atmosphériques
D’après la loi sur l’Air et l’Utilisation Rationnelle de l’Energie (LAURE), le terme «Pollution » peut se définir par « L’introduction par l’Homme, directe ou indirecte, dans l’atmosphère et les espaces clos, de substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels et à provoquer des nuisances olfactives excessives » (Loi n°96-1236, 30 décembre 1996). Les émissions de certains types de particules dans l’atmosphère entraînent une pollution de l’air. Cette pollution a des effets aussi bien à l’échelle locale (impact sur les écosystèmes, sur la santé) qu’à l’échelle régionale (transport de particules sur de longues distances, modification du régime des précipitations), et qu’à l’échelle mondiale (modification du climat).
A l’échelle globale
L’étude de Colbeck (1995) (4) a montré que les particules pouvaient avoir une influence sur le bilan radiatif (différence entre rayonnement solaire incident et réfléchi) de l’atmosphère et donc jouer un rôle dans le changement climatique global. Les particules agissent de deux manières sur le bilan radiatif de l’atmosphère (5):
– par un effet direct des aérosols qui dépend de leur qualité et de leurs propriétés optiques. Les particules d’aérosols diffusent la lumière solaire et renvoient vers l’espace une partie du rayonnement solaire avant qu’il ne participe au chauffage de la Terre.
– par un effet indirect par le biais des nuages. Les aérosols servent de « noyaux de condensation » pour la formation des nuages. Dans une atmosphère fortement chargée en aérosols, une même quantité d’eau peut se répartir sur un plus grand nombre de gouttes, qui sont alors plus petites. Or, un nuage formé de petites gouttes plus nombreuses réfléchit plus le rayonnement solaire vers l’espace. Par ailleurs, on peut penser que les petites gouttes vont moins facilement conduire à des précipitations, conduisant ainsi à augmenter la durée de vie du nuage. L’augmentation du nombre de particules dans l’atmosphère liée aux émissions anthropiques accroît le nombre de gouttes, réduisant leur taille moyenne et donc leur capacité à précipiter. Ceci entraîne une réduction de la quantité de radiation arrivant sur terre, une suppression des précipitations et donc une élimination de polluants de l’atmosphère moins efficace (6,7).
Le Groupe international d’Etude sur le Climat (IPCC, 2001) souligne l’importance de prendre en compte l’effet des aérosols sur le calcul du forçage radiatif. Les particules atmosphériques exercent un « forçage négatif » sur le bilan radiatif en diminuant l’apport global d’énergie solaire (8). Une fois émis dans l’atmosphère, les aérosols s’intègrent à la circulation générale et peuvent être transportés sur de longues distances et venir s’intégrer à la colonne d’eau océanique et sédimenter au fond des océans (9) modifiant ainsi les cycles biogéochimiques de l’océan en limitant la productivité biologique (10). Des poussières atmosphériques sont également retrouvées au niveau des pôles (11), ce qui permet d’étudier l’impact global de l’Homme (12). Outre le rôle sur le forçage négatif du bilan radiatif de l’atmosphère, l’insertion des particules au sein des processus bio-géochimiques océaniques, de contamination ou de fertilisation des sols, les aérosols sont aussi impliqués dans de nombreux processus de transformation à cause de l’interface qu’ils possèdent avec les gaz. Les grosses particules agissent sur l’atmosphère par une action catalytique et par l’adsorption et l’absorption des polluants gazeux (3). Les particules servent de véhicules aux éléments toxiques comme les métaux lourds ou les gaz s’adsorbant sur leur surface. Elles peuvent également contenir des métaux lourds à l’intérieur même de leur structure cristalline.
A l’échelle locale
Les aérosols sont la cause de la réduction de visibilité dans les zones urbaines et industrielles à cause de la discontinuité de l’indice de réfraction à l’interface particule- gaz (13). Les sulfates, les nitrates, tous les acides rejetés par les industries contribuent à l’acidification des pluies détruisant les forêts comme celles des Vosges ou des Monts Sudètes en Pologne (14). Ces pluies acides et les particules détériorent le patrimoine bâti en provoquant l’apparition de zones blanches puis grises et enfin noires sur les pierres alors fragilisées face aux attaques chimiques et au ruissellement de l’eau .
Composition des particules
Les particules en suspension dans l’air ambiant constituent un ensemble très hétérogène contenant des substances organiques et inorganiques. La composition des particules atmosphériques est influencée par la nature des sources et les transformations chimiques dans l’atmosphère (16). On y retrouve principalement des minéraux liés à l’érosion de matériaux (sols, bâtiments) ou à la remise en suspension de particules déposées sur le sol, des noyaux carbonés ou issus des processus de combustion, des sulfates, des nitrates et des métaux .
La composition chimique des particules dans l’air est la somme de composés majeurs et d’éléments traces.
Composés majeurs
Ils sont les mêmes dans la grande majorité des aérosols des zones urbaines et ne varient que par leurs proportions. Ils sont considérés comme majeurs si ils représentent plusieurs pourcents de la masse totale de particules.
– Les sulfates proviennent majoritairement de la formation d’aérosols secondaires par oxydation du dioxyde de soufre (SO2) et sont principalement associés au cation ammonium (NH4+ ). Ils peuvent être présents sous forme neutre (NH4)2SO4 ou acide (NH4HSO4 ou H2SO4). Ils représentent de 30 à 35% en masse de la fraction ionique soluble et 25% en masse de la fraction fine où ils sont présents majoritairement.
– Les ammoniums proviennent majoritairement des réactions dans l’atmosphère entre l’ammoniac et les gaz acides (acides sulfurique et nitrique) provenant de sources de pollution. Présents essentiellement dans la fraction fine sous forme de chlorures (Cl- ), nitrates (NO3- ) et sulfates (SO4 2-), ils représentent de 18 à 25% de la fraction ionique soluble.
– Les nitrates proviennent de l’oxydation du dioxyde d’azote (NO2). Principalement présents dans la fraction fine sous forme de nitrate d’ammonium (NH4NO3) et/ou de nitrate de sodium (NaNO3), ils représentent 25% de la fraction ionique soluble.
– Les chlorures sont principalement d’origine marine et résultent aussi de la neutralisation par l’ammoniac des vapeurs d’acide chlorhydrique émises par les incinérateurs et les centrales thermiques. Ils sont présents majoritairement sous forme de chlorure de sodium (NaCl) et de chlorure d’ammonium (NH4Cl) d’origine marine. Dans la fraction fine, ils sont sous forme de chlorure d’ammonium (NH4Cl) formé par la présence d’acide chlorhydrique (HCl) polluant.
– Les composés carbonés représentent de 25 à 50% de la fraction fine. Ils se classent en trois catégories :
o Les carbonates : moins de 5% de la masse totale;
o Le carbone organique (HAP, PCB, dioxines) : de 60 % à 80 % du carbone total et de l’ordre de 15 % de la masse des PM10 ;
o Le carbone élémentaire : de l’ordre de 10 % de masse des PM10.
– Les minéraux, d’origine terrigène (argiles, silice, quartz) : leur composition est très variable et est fonction de la géologie locale et des conditions de surface. Leur concentration dépend des conditions climatiques et est notamment favorisée par de forts vents et des surfaces sèches. Ils sont majoritairement présents dans la fraction grossière. Cette fraction insoluble représente de 20 à 25% de la masse totale.
– Le matériel biologique est composé de petits organismes de type bactéries ou de spores, pollens, fragments de plantes…Ils sont souvent classés dans le carbone organique.
Eléments traces
Ils représentent au total moins de 5 % de la masse des particules. Ce sont des métaux et des métalloïdes qui proviennent essentiellement de sources anthropiques, dont parmi eux :
– Le cadmium (Cd): Il est principalement émis par des sources que sont l’industrie métallurgique (productions de plomb, zinc, cuivre, fer et acier), les procédés de combustion et d’incinération
– Le plomb (Pb): Il était essentiellement émis par le trafic automobile jusqu’à l’interdiction de l’essence plombée en France (01/01/2000). Depuis, les source principales sont la première et la seconde fusion du plomb, l’industrie sidérurgique, la fabrication des batteries électriques, les procédés de combustion et l’incinération des déchets.
– Le zinc (Zn): Il provient de la combustion du charbon et du fioul lourd mais aussi de certains procédés industriels appartenant à la métallurgie des ferreux et non ferreux ainsi qu’à l’incinération des déchets.
|
Table des matières
INTRODUCTION
1 LES PARTICULES
1.1 Généralités
1.2 Diamètre aérodynamique des particules
1.3 Impact de la pollution par les particules atmosphériques
1.3.1 A l’échelle globale
1.3.2 A l’échelle locale
1.4 Composition des particules
1.4.1 Composés majeurs
1.4.2 Eléments traces
1.5 Toxicité des particules
2 LES MÉTAUX LOURDS
2.1 Définition
2.1.1 Le plomb
2.1.2 Le cadmium
2.1.3 Le zinc
2.2 Différentes sources des métaux
2.3 Définition de la Spéciation d’un élément
2.4 Relation entre Spéciation et Toxicité pour les métaux Pb, Zn et Cd
3 LE COMPLEXE SIDÉRURGIQUE INTÉGRÉ
3.1 Fonctionnement général
3.1.1 Principales sources de pollution de l’usine sidérurgique intégrée
3.1.2 L’atelier d’agglomération
3.1.2.a Principe de fonctionnement
3.1.2.b Réglementation des émissions atmosphériques
3.1.2.c Poussières générées par le procédé
3.1.2.d Dépoussiérage des fumées de cuisson
3.1.3 Le convertisseur à Oxygène
3.1.3.a Principe de fonctionnement
3.1.3.b Emissions de gaz et de poussières et dépoussiérage
4 L’ACIÉRIE ÉLECTRIQUE
4.1 Origine des ferrailles
4.2 Synthèse des émissions
4.2.1 Dépoussiérage des fumées
5 CONCLUSIONS
