Origines de la pollution de l’air

Actuellement, les activités des êtres humains se développent rapidement dans de nombreux domaines tels que la médecine, l’industrie et l’environnement. Ces activités peuvent affecter la qualité de l’air qui est la base de la vie de tout être vivant. La pollution de l’air est un problème majeur aussi bien dans les pays développés que dans les pays en voie de développement. Elle menace la santé humaine et l’environnement. Plusieurs paramètres physico-chimiques caractérisent la qualité de l’air tels que les métaux lourds, les composés organiques volatils, l’ozone, le dioxyde de soufre, les oxydes d’azote, le monoxyde de carbone, les matières particulaires. Depuis 1996, l’Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires (Madagascar INSTN) a commencé l’étude de la pollution de l’air en termes des métaux lourds et des matières particulaires dans quelques endroits de la ville d’Antananarivo dans le cadre d’un mini- projet financé par l’institut lui- même. Les études faites ont montré que la concentration moyenne en plomb (1,8 µg.m-3) dans les aérosols prélevés dans certains endroits de la ville d’Antananarivo a été largement supérieure à la valeur guide adoptée par l’Organisation Mondiale de la Santé (0,5 µg.m-3). Le même problème a été rencontré pour les matières particulaires.

GENERALITES SUR LA POLLUTION DE L’AIR

Définition
La pollution de l’air est définie comme la présence des particules ou des gaz nocifs dans l’air qui ont des effets sur la santé humaine et l’environnement.

Origines de la pollution de l’air

Production d’énergie thermique
La pollution de l’air est due aux chauffages des logements et des bureaux, à la production de vapeur et d’électricité et à la combustion de combustibles fossiles (charbon, fioul lourd).

Industries
Elles sont émettrices de monoxyde carbone, de dioxyde de soufre, d’oxydes d’azote, de poussières, de composés organiques volatils et des métaux lourds.

Transports et automobile
Les transports sont des sources de pollution importante. Les moteurs à explosion sont émetteurs d’oxydes d’azote et de divers hydrocarbures tandis que les moteurs diesels sont à l’origine des matières particulaires et de dioxyde de soufre.

Déchets
Les déchets sont à l’origine de plusieurs types de polluants.
• L’acide chlorhydrique produit par l’incinération des déchets ménagers.
• Les métaux lourds obtenus par l’incinération des déchets industriels et des déchets ménagers.

Activités agricoles
L’agriculture contribue à la pollution de l’air. Elle émet de l’ammoniac, du méthane et du monoxyde de carbone qui sont liés à la composition des matières organiques .

Classification des polluants de l’air

Les polluants de l’air sont classés en fonction de leur mécanisme de formation : les polluants primaires et les polluants secondaires. Les polluants primaires sont directement issus des sources de pollution, qu’elles soient d’origine industrielle ou automobile. Ils peuvent se transformer dans la basse température en polluants dits secondaires sous l’action des rayons solaires et de la chaleur [2].

Particules

Elles sont constituées par des particules solides et des particules liquides qui ont une vitesse de chute négligeable dans l’air calme (v ≤ 25 cm.mn-1). Ces particules en suspension dans l’air qu’elles soient solides ou liquides se présentent sous différents types.

Particules solides
• Les poussières sont des petites particules solides conventionnellement définies comme les particules de diamètre inférieur à 75 µm. Ces dernières se déposent sous l’effet de leur poids et peuvent rester en suspension pendant quelques temps.
• Les fumées sont un ensemble visible de particules solides et de gaz dégagés lors d’une combustion d’un matériau [3].
• Les fibres sont généralement composées par des filaments longiformes.
• La suie comprend toutes les particules contenant du carbone issu de la combustion incomplète. Elle est composée de carbone élémentaire et des composés organiques mesurés en tant que carbone organique. Le carbone élémentaire est souvent appelé la suie [4].

Particules liquides
Elles sont généralement composées par des particules liquides en suspension dans l’air comme les buées de dimension comprise entre 80 et 120 µm, les brouillards de taille dimension entre 0,01 et 20 µm et les fumées constituées par un ensemble visible des particules liquides et des gaz dégagés lors d’une combustion d’un matériau [3].

Polluants gazeux

Gaz
Les gaz sont des substances à l’état gazeux dans des Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP) tels que le dioxyde de soufre, les oxydes d’azote, les oxydes de carbone et les composés organiques volatils [5].

Vapeurs
Elles sont des substances à l’état liquide mais elles s’évaporent en partie dans des conditions normales de température et pression telles que les solvants organiques, le formaldéhyde.

Odeurs
Les odeurs peuvent être constituées aussi bien des gaz que des vapeurs. Elles peuvent être définies comme la sensation causée par des substances à tension de vapeur appréciable. Certaines odeurs naturelles peuvent être provoquées indirectement par l’homme [6] en incinérant des déchets chimiques ou des ordures.

Matières particulaires

Ce sont des particules présentant dans l’air ambiant ayant des vitesses de chute liées à leurs masses et leurs dimensions. Ces particules peuvent être inhalées et se trouvent en fonction de leur diamètre aérodynamique équivalent (DAE) et leur masse à différents niveaux de l’appareil respiratoire, notamment, au niveau alvéolaire. Le DAE d’une particule est défini comme un diamètre d’une sphère de masse volumique égale à 1g.cm-3 et dont la vitesse de chute est égale à celle de la particule considérée, en absence du vent et de turbulence [4]. Les particules de diamètre aérodynamique inférieur à 10 µm sont appelées PM10. Elles sont d’origines naturelle (suspension du sable et de terre) et anthropique (particules provenant de l’usure des pneus ou de pièces de métal, des poussières des carrières ou des chantiers et des résidus de combustion). Les grosses particules ou particules grossières sont des particules de diamètre aérodynamique équivalent compris entre 2,5 µm et 10 µm (PM2,5-10) . Elles proviennent de l’altération atmosphérique. Les particules fines sont des particules de poussières qui ont de taille inférieure à 2,5 µm (PM2,5). Elles proviennent de la condensation des gaz à haute température, de la combustion de fossile et des véhicules diesels [9].

Carbone noir

Le carbone noir est défini comme des poudres formées de carbone élémentaire (CE) sous forme des particules primaires, presque sphériques agrégées puis regroupées en agglomérats. Une partie de ces particules peut pénétrer jusqu’à l’alvéole et une fraction peut être qualifiée d’ultrafine [10]. Le carbone noir est souvent confondu avec la suie qui est un sous produit incontrôlé de la combustion incomplète de toutes sortes des matières carbonées. L’unité de base du noir de carbone est l’agrégat.

MATIERES PARTICULAIRES ET CARBONE NOIR

Matières particulaires 

Définition
Les matières particulaires sont des polluants atmosphériques consistant en un mélange complexe de substances organiques et minérales en suspension dans l’air, sous forme liquide ou solide.

Origines et classifications 

Origines
Elles peuvent être d’origine naturelle comme les éruptions volcaniques, le vent du sable, l’érosion des sols, les pollens et/ou d’origine anthropique liée aux activités humaines comme les combustions industrielles, les chauffages, les incinérations et les véhicules [12]. Les particules fines sont obtenues par les fumées des moteurs diesels tandis que les combustions favorisent les productions des grosses particules.

Classifications
Elles sont classées en fonction de leur Diamètre Aérodynamique Equivalent (DAE) appelé aussi taille particulaire.
• Les nanoparticules sont des particules de DAE inférieur à 0,05 µm ou 0,03 µm.
• Les particules ultrafines sont des particules de taille particulaire inférieure à, 1µm.
• Les particules fines (PM2 ,5) ou les particules respirables sont des particules de dimension inférieure à 2,5µm.
• Les grosses particules (PM2,5-10) ou les particules inhalables sont des particules de DAE compris entre 2,5 µm et 10 µm.
• Les particules de DAE inférieur à 10 µm sont notées PM10 [13] .

Compositions chimiques des matières particulaires 

• Particules inhalables (PM2,5-10)
Les éléments chimiques qui se trouvent dans ces particules sont les métaux lourds, la suie, les particules formées par l’abrasion, les sulfates, les nitrates, l’ammonium et les carbones organiques. [14].
• Particules respirables (PM2,5)
Elles contiennent du soufre avec une proportion de 30 % à 40 %, des poussières de sol avec une proportion de 3 % à 10 % et des carbones élémentaire et organique de proportion 30 % à 50 % [4].

Carbone noir

Le carbone noir est considéré comme des poudres formées par le CE sous forme des particules primaires presque sphériques agrégées puis regroupées en agglomérats.

Sources de carbone noir
Le carbone noir provient
– de l’introduction des moteurs diesels dans la transportation et dans les industries ;
– du processus industriel ;
– de l’utilisation des solides combustibles domestiques
– de la réalisation des feux de brousse  .

Formation des agrégats et des agglomérats
Le noir de carbone forme de particules qui présentent une microstructure « quasigraphique ». Le procédé de fabrication laisse différentes formes de groupes oxygénés sur les plans de couches de noir de carbone. La formation des particules primaires qui continue à croître en agrégats est due à la combinaison des trois à quatre couches formant des cristallites. Les agglomérats forment un ensemble dense d’agrégat.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE THEORIQUE
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LA POLLUTION DE L’AIR
1.1. Définition
1.2. Origines de la pollution de l’air
1.2.1. Production d’énergie thermique
1.2.2. Industries
1.2.3. Transports et automobile
1.2.4. Déchets
1.2.5. Activités agricoles
1.3. Classification des polluants de l’air
1.3.1. Particules
1.3.1.1. Particules solides
1.3.1.2. Particules liquides
1.3.2. Polluants gazeux
1.3.2.1. Gaz
1.3.2.2. Vapeurs
1.3.3. Odeurs
1.4. Six polluants classiques de l’air
1.4.1. Dioxyde de soufre (SO2)
1.4.2. Oxydes d’azote
1.4.3. Ozone
1.4.4. Composés organiques volatils
1.4.5. Monoxyde de carbone
1.4.6. Matières particulaires
1.5. Carbone noir
1.6. Effets de la pollution de l’air
1.6.1. Effets sur la santé
1.6.1.1. Type de polluant
1.6.1.2. Concentration des polluants
1.6.1.3. Durée d’exposition
1.6.1.4. Sensibilité de la personne
1.6.1.5. Activité physique
1.6.2. Effets sur l’environnement
1.6.2.1. Végétation
1.6.2.2. Milieux aquatiques
1.6.2.3. Sols
CHAPITRE 2 : MATIERES PARTICULAIRES ET CARBONE NOIR
2.1. Matières particulaires
2.1.1. Définition
2.1.2. Origines et classifications
2.1.2.1. Origines
2.1.2.2. Classifications
2.1.3. Compositions chimiques des matières particulaires
2.2. Carbone noir
2.2.1. Sources de carbone noir
2.2.2. Formation des agrégats et des agglomérats
2.2.3. Types et caractéristiques du noir de carbone
2.2.3.1. Noir de tunnel
2.2.3.2. Noir d’acétylène
2.2.3.3. Noir de fourneau
2.2.3.4. Noir de fumée
2.2.3.5. Noir thermique
2.2.4. Propriétés du noir de carbone
2.2.4.1. Propriétés physiques
2.2.4.2. Propriétés chimiques
2.2.5. Composition du noir de carbone
2.3. Durée d’exposition
2.4. Dépôts des particules dans les voies respiratoires
CHAPITRE 3: THEORIE DE LA FLUORESCENCE X A REFLEXION TOTALE
3.1. Généralités et rappels théoriques
3.1.1. Historiques
3.1.2. Rayons X
3.1.2.1. Définition
3.1.2.2. Production des rayons X
3.1.2.3. Source d’excitation de fluorescence X
a) Source radioactive
b) Tube à rayons X
3.1.3. Interaction des rayons X avec la matière
3.1.4. Expression générale de l’intensité fluorescente de l’élément j
3.1.4.1. Echantillon infiniment mince
3.1.4.2. Echantillon infiniment épais
3.1.4.3. Echantillon dit transparent
3.2. Avantages de l’analyse par fluorescence X à réflexion totale
3.3. Evaluation des erreurs
3.3.1. Erreur systématique
3.3.2. Erreur aléatoire
PARTIE EXPERIMENTALE
CHAPITRE 4 : MATERIELS ET METHODES
4.1. Procédures de prélèvement d’aérosols
4.1.1. Choix du site de prélèvement
4.1.2. Echantillonneur d’air GENT
4.1.2.1. Description de l’échantillonneur d’air GENT
4.1.2.2. Principe de fonctionnement de l’échantillonneur d’air GENT
4.1.2.3. Mode de prélèvements d’air
a) Préparation des filtres
b) Déroulement de prélèvements d’aérosols
4.1.3. Réflectomètre Modèle 43D
4.1.3.1. Eléments constitutifs du réflectomètre
4.1.3.2. Fonctionnement du réflectomètre M43D
4.2. Méthode d’analyse par fluorescence X à réflexion totale
4.2.1. Caractéristiques de la chaîne d’analyse par fluorescence X à réflexion totale
4.2.2. Principe de la fluorescence X à réflexion totale
4.2.3. Conditions de mesure
4.2.4. Méthode analytique
4.2.4.1. Optimisation du spectromètre de fluorescence X à réflexion totale
4.2.4.2. Etalonnage en énergie
4.2.4.3. Etalonnage en sensibilité
4.2.4.4. Limite de détection
4.2.5. Calcul d’incertitudes
4.2.5.1. Incertitude absolue sur la sensibilité
4.2.5.2. Incertitude absolue sur la concentration
4.2.5.3. Incertitude absolue sur la limite de détection
4.3. Analyse des échantillons d’aérosols
4.3.1. Détermination des concentrations des matières particulaires PM2,5 et PM2,510
4.3.2. Détermination des concentrations des éléments présents dans les échantillons d’aérosols
4.3.2.1. Préparation des échantillons d’aérosols
4.3.2.2. Mesure des échantillons d’aérosols
4.3.2.3. Evaluation de la limite de détection pour l’analyse des échantillons d’aérosols pour les raies-K et les raies-L
4.3.3. Détermination des concentrations du carbone noir
CHAPITRE 5 : RESULTATS ET DISCUSSION
5.1. Matières particulaires (PM2,5, PM2 ,5-10, et PM10)
5.2. Composition élémental
5.2.1. Titane
5.2.2. Chrome
5.2.3. Manganèse
5.2.4. Fer
5.2.5. Nickel
5.2.6. Cuivre
5.2.7. Zinc
5.2.8. Brome
5.2.9. Strontium
5.2.10. Plomb
5.3. Carbone noir
CONCLUSION

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