Soutenance mémoire
THEORIE SUR LES AEROSOLS
Généralités
Les aérosols sont des constituants majeurs de l’atmosphère. Inventé par l’allemand Schmouss en 1920, le mot “ aérosol ”désigne la suspension des particules solides, liquides ou les deux dans un milieu gazeux(air dans la pluspart des cas). En général, il correspond à des particules de dimensions de l’ordre de nanomètre à 100 µm et de masses comprises entre 10⁻¹⁸ à 10⁻⁹ µg [2].Physiquement, l’aérosol est un système diphasique formé par des particules et le gaz porteur. Mais dans la pratique “ aérosol ” est synonyme de “ particule ”.
Les aérosols jouent un rôle important dans la modification des conditions de vie sur la terre. En effet, les aérosols interviennent dans des nombreuses problématiques environnementales, dont la variabilité climatique, la qualité de l’air, la réduction de la visibilité, les régimes hydrogéologiques etc… Ils peuvent être nocifs pour la santé humaine. Ses effets semblent moins connus sur les impacts sanitaires et pourtant leurs conséquences ne sont pas négligeables. En fait, la science des aérosols est maintenant devenue une grande science ”alimentée par d’importants investissements financiers ayant des retombés économique conséquences [3]. Son domaine touche la physique, la chimie et de plus en plus depuis quelque années, la biologie avec ce que l’on appelle les bio aérosols. Mais quelles que soient leur origine et leur nature, il est connu que le comportement des aérosols dépend très fortement de leurs propriétés physico-chimique. C’est pourquoi nous allons en développer les principales caractéristiques. Environ 3 milliards de tonnes des particules sont injectés chaque année dans l’atmosphère par des processus naturels (éruption volcanique, érosions du sol, embruns océaniques…) ou par l’activité humaine (circulation automobile, activités industrielles, feux…)[3]. Il est donc utile de rappeler les différentes sources d’aérosols ainsi que leurs effets dans l’environnement (climat, santé humaine), avant de passer aux caractéristiques physico-chimiques.
Présentation des différentes sources d’aérosol
Il existe deux sources d’aérosols dans l’atmosphère :
– Sources naturelles ,
– Sources anthropiques ,
Sources naturelles
Elles proviennent essentiellement de l’érosion du sol. Il est dispersé dans l’atmosphère sous l’action du vent. Cet aérosol est principalement constitué d’oxyde métallique, d’allumino-sillicates et de débris de plantes d’humus.Cette source est appelle souvent la sources terrigene.
L’aérosol marin
Il est produit par le spray océanique. Des gouttes d’eau chargées des sels marins s’évaporent et conduisent à la formation des cristaux solides. Il est constitué bien sûr de chlore et de sodium mais aussi de sulfate et de nitrate. L’aérosol marin ne contient qu’une faible quantité de composé organique.
L’aérosol biogénique
L’aérosol biogénique provient d’une part de l’émission directe d’hydrocarbure lourd par les plantes et les arbres et d’autre part de l’oxydation atmosphérique d’hydrocarbure biogénique plus léger comme l’isoprène. Cet aérosol est donc quasi exclusivement organique, même si on trouve aussi du potassium.
L’aérosol volcanique
L’aérosol volcanique est injecté dans l’atmosphère, au moment de l’explosion du volcan. Il est constitué de métaux et de sulfates provenant de la conversion de SO2 gazeux, émis en abondance par les volcans. Cet aérosol se retrouve principalement dans la stratosphère.
Sources anthropiques
L’aérosol provenants des sources anthropiques par des activités humaines (véhicules, les industries,les incinérations des ordures,les chauffages,….) dans l’atmosphère. Lorsque l’aérosol est émis directement sous forme solide c’est un aérosol primaire. Si sa présence dans l’atmosphère provient de la photo oxydation, il est un aérosol secondaire
❖ L’aérosol primaire est constitué de particules carbonées, (élémentaires ou organique),de particules métalliques (Pb, Zn, Fe…) ou d’alcanes et d’esters en chaîne longue directement émise sous forme solide.
❖ L’aérosol secondaire est constitué par des particules formées à partir de la conversion de gaz comme le dioxyde de soufre ( SO2) et le dioxyde d’azote(NO2) en sulfate (SO4- ) et nitrate (NO3-)respectivement.
L’effet sur l’environnement de la pollution atmosphérique
En dehors de leurs effets sur la santé les particules interviennent dans de nombreuses problématiques environnementales, dont le changement climatique, la formation d’ozone troposphérique, la réduction de la visibilité et les régimes hydrogéologiques.
L’effet sur le climat
Deux paramètres sont à prendre en compte pour comprendre l’influence de l’aérosol sur le climat : Les effets directs : ce sont les propriétés de dispersion et d’absorption par les aérosols des rayonnements solaires incidents et des rayonnements infrarouges reflechis qui interviennent. Les effets indirects : les aérosols interviennent par l’intermédiaire d’autres facteurs de l’équilibre radiatif du globe, et principalement les différents typess de nuages .
Effets directs des aérosols sur l’équilibre radiatif du globe
Les aérosols ont la capacité d’absorber ou de réfléchir une fraction des radiations infrarouges émises par la terre en réponse au rayonnement solaire [4]. Pour chaque cas d’espèce, le comportement des particules considérées dépendra principalement des paramètres suivants : leur composition chimique, l’humidité ambiante, leur état de mélange et leur localisation dans l’atmosphère.
Effets indirects des aérosols sur l’équilibre radiatif du globe
Les effets indirects des aérosols font intervenir une interaction avec les nuages. Ils sont généralement classés en deux catégories.
Le premier effet indirect des aérosols se traduit, pour les nuages avec lequel ils interagissent, par une augmentation de pouvoir de dispersion des rayons solaires incidents (augmentation de l’albédo). Ce phénomène provient du fait que les particules, se comportent comme des noyaux de condensation supplémentaires, vont provoquer une réduction de la taille des gouttelettes des nuages, et entraîner une extension de la couverture nuageuse.
Le second effet indirect : est analogue, et est lié à une augmentation de la durée de vie des nuages, conduisant donc à la réflexion vers l’espace d’une plus grande fraction des rayonnements solaire incidents.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE THEORIQUE
Chapitre I : Théorie sur les aérosols
I.1 Généralités
I.2 Présentation des différentes sources d’aérosol
I.2.1 Sources naturelles
I.2.2 Sources anthropiques
I.3. L’Effet sur l’environnement de la pollution atmosphérique
I.3.1 L’Effet sur le climat
I.3.1.1 Effets direct des aérosols sur l’équilibre radiatif du globe
I.3.1.2 Effets indirect des aérosols sur l’équilibre radiatif du globe
I.3.2 Effets sur la santé
I. 4 Dynamique des aérosols dans l’atmosphère
I.4.1 Transport des aérosols dans l’environnement
I.5.1. Rappels de théorie cinétique de gaz
I.5.1.1. Milieu comportant qu’une seul sortes de molécules
I.5.1.2. Libre parcours moyen
I.5.1.3.1 Libre parcours moyen
I.5.2. Coefficient de diffusion des aérosols
I.5.3. Equation de diffusion lois de FICK
I.6. Sédimentation des aérosols
I.6.1. Fluide continu Régime laminaire Kn << 1
I.6.2. Domaine Intermédiaire (Kn=1) formule de MILLIKAN
I.6.3 Domaine moléculaire (Kn>>1)
I.6.4. Nombres odimensionnels utilisés en physique des aérosols
I.7. Phénomènes de thermophorèse, photophorèse, diffusionphorèse
I.7.1. Thérmophorèse
I.7.2. Photophorèse
I.7.3. Diffusionphorèse
I.8. Coagulation des aérosols
I.8.1. Coagulation thermique
1.8.1.1. Cas d’un aérosol monodispersé
I.8.1.2. Cas d’un aérosol bidispersé
I.8.3. Influence de la coagulation sur la granulométrie d’un aérosol
I.9. Propriétés électriques des aérosols
I.9.1. Equations générales
I-10 Propriété optique des aérosols
I.10.1 Absorption de la lumière par les aérosols
I.10.2. Diffusion de la lumière par les aérosols
I.10.3 Réentraînement des particules fixées sur paroi
I.10.4. Condensation /Evaporation des aérosols liquides
I.10.4.1 Grossissement des gouttelettes
I.10.5 Dépôt des aérosols
I.11. La chimie des aérosols
I.11.1 Les polluants
I. 11.2 Poussières
I.11.3 Métaux lourds
I.11.4 Oxydes de soufres : (SOX)
I.11.5 oxyde d’azote (NOX)
I.11.6 Oxyde de carbone
I.11.7 Composés organiques volatils (COV)
I.11.8 Composition des particules
I.11.9. Formation des aérosols
I.11.9.1. Mode de formation des sulfates
I.11.9.2 La formation du Nitrate
I.11.9.3 Ammonium
Chapitre II : Technique d’analyse des ions
II 1 Les ions dans l’air
II .1 1 Les ions
II-1 Concentration d’ions dans l’atmosphère
II 2- Effet des ions dans l’air
II 3. Méthodes d’analyses des ions dans les aérosols
II.3.1. Analyse des éléments inorganiques et métaux
II.3.2 Analyse des ions
Chapitre III : Théorie de la chromatographie ionique
III 1- Introduction
III.2 Méthodes de séparation
III-2.1- nature des phases
III- 2-1-1 Phase stationnaire
III- 2-2 Phase mobile
III-2-2-1 Nature physique des phases
III-2-2-2 Nature de phénomènes
III-2-3 Mécanisme de séparation
III- 3- Méthodes de détection
III.3-1 Conductimetrie
III.3.1.1 Détection conductimétrique sans suppression de la conductivité de éluant
III 3.1.2. Détection conductimétrique avec suppression de la conductivité de l’éluant
Figure3.5 mode d’utilisation des suppresseur : recyclage
III.4 Allure du chromatogramme
PARTIE PRATIQUE
Chapitre IV : Stratégie de prélèvement
IV.1 Prélèvement des aérosols atmosphériques
IV .1.1. Echantillonnage
IV.1.2. Appareil de prélèvement
IV 1-1-1 Prélèvement par filtration
IV 1-1-2 Prélèvement par impaction
IV 1-1-3 Collecteurs par sédimentation
IV 1-2 Appareil granulométrie de Prélèvement
IV 1-2-1 Description de l’échantillonneur DICHOTOMOUS
IV 1-4 Les filtres
IV 1-5 Conditions de prélèvements
IV 1-5-1 Préparation du filtre
IV 1-5-2 Mesures de masse de filtre
IV 1-5-3 Matériel Analytique et précautions
IV 1-5-4 Pesée des filtres
IV 2 Les sites de prélèvements
Chapitre V : Méthodes de préparations et d’analyses
V.1 Préparation des échantillons
V-1-1 Extractions des espèces ioniques à partir des filtres
V-1-2 Préparation spéciale de la verrerie
V.2. Appareillage
V.2.1.Chromatographie ionique : mesure des concentrations ioniques
V.2.1.1 Principe
V.2.1.2 Conditions préalables à l’analyse
V.4.1 Analyse des Anions
V.4 2 Analyse des cations
VI. Résultat et interprétation
VI.1 Bilan ionique
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
