Surveillance continue de la qualité de l'air pour les particules et aérosols nocifs

L'Organisation mondiale de la santé (OMS) définit la pollution atmosphérique comme "la contamination de l'environnement intérieur ou extérieur par tout agent chimique, physique ou biologique qui modifie les caractéristiques naturelles de l'atmosphère" [1]. La surveillance de la pollution atmosphérique industrielle est essentielle car l'inhalation d'air fortement pollué entraîne des problèmes respiratoires, des maladies cardiaques, des cancers et d'autres problèmes de santé graves. Il peut également provoquer des pluies acides, endommager les cultures, réduire la croissance et la productivité des plantes et nuire à la faune et à la flore. Étant donné que 99 % de la population mondiale respire de l'air qui dépasse les limites des lignes directrices de l'OMS en matière de qualité de l'air, la surveillance de la pollution industrielle est essentielle. [1,2], il s'agit d'un problème très répandu. Parmi les différents polluants atmosphériques, les particules et les aérosols sont particulièrement préoccupants. Cet article de blog traite de ces contributeurs à la pollution de l'air et présente deux instruments de surveillance continue de la qualité de l'air ambiant.

Quelle est la différence entre les particules et les aérosols ?

Figure 1. Comparaison de la taille des particules. Adapté de l'US EPA.

Les particules sont généralement définies comme de petites particules solides en suspension dans un gaz, tandis que les aérosols sont des gouttelettes de liquide plus fines ou des particules solides qui restent en suspension dans les gaz pendant des périodes de temps significatives. Ces deux types de particules peuvent avoir des effets néfastes sur la santé humaine, en particulier lorsque leur diamètre est inférieur à 2,5 µm. (PM_2.5, Figure 1).

Les aérosols et les particules peuvent provenir de sources naturelles telles que les éruptions volcaniques, mais aussi d'activités anthropiques telles que les opérations industrielles et les transports. Par conséquent, la surveillance de la qualité de l'air industriel joue un rôle essentiel dans l'identification des sources d'émission, la compréhension de la composition chimique et l'élaboration de stratégies visant à réduire l'exposition..

Comment se fait l'analyse des particules et des aérosols ?

Traditionnellement, l'analyse des particules et des aérosols se fait en deux étapes : la collecte et l'analyse des échantillons. Pour collecter des échantillons représentatifs, il est important d'utiliser le matériel et les techniques d'échantillonnage appropriés.

Le prélèvement d'échantillons se fait généralement par filtration. Les particules sont collectées sur des substrats munis de filtres qui sont retirés après un certain temps pour être extraits avec de l'eau désionisée en vue d'une analyse ultérieure [4]. Toutefois, cette méthode ne permet de déterminer des moyennes que sur des périodes de 24 heures ou plus. En outre, la méthode est lourde et imprécise. Il est donc impossible d'effectuer des mesures en ligne en continu.

L'échantillonnage continu de la composition des aérosols est essentiel pour comprendre et résoudre les problèmes de qualité de l'air. Les données en temps réel fournissent des informations précieuses sur les changements rapides de la composition des aérosols, ce qui permet de réagir plus rapidement aux épisodes de pollution et de mener des études scientifiques plus précises sur les processus atmosphériques.

Pour surmonter les limites des méthodes d'échantillonnage traditionnelles, des technologies avancées sont nécessaires pour l'analyse en continu des aérosols. Les dispositifs de collecte de vapeur, tels que le Metrohm AeRosol Sampler (MARS) et le 2060 Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air (MARGA) (figure 2), permettent une surveillance continue et en temps réel de la composition des aérosols. Ces instruments utilisent des techniques avancées pour collecter et analyser les aérosols, fournissant des données précieuses pour l'évaluation de la qualité de l'air et la recherche.

Figure 2. La préparation en ligne d'échantillons gazeux est simplifiée par les systèmes 2060 MARGA (à gauche) ou MARS (à droite) de Metrohm Process Analytics.

Figure 3. MARS permet une analyse complète des échantillons d'air avec IC, VA, ou les deux.

Avec le 2060 MARGA, les gaz et les aérosols prélevés dans une même masse d'air sont séparés par dissolution sélective dans l'eau. Les solutions obtenues, disponibles toutes les heures, sont ensuite analysées par chromatographie ionique avec détection de conductivité. Cette séparation permet de détecter les gaz précurseurs essentiels et les espèces ioniques présentes dans les aérosols, ce qui permet de mieux comprendre la qualité de l'air.

Le MARS (figure 3) est spécifiquement conçu pour l'analyse des aérosols. En termes d'analyse chimique, le dispositif MARS est généralement couplé à des analyseurs chimiques humides externes, tels que des chromatographes ioniques (IC) pour l'analyse des cations et/ou des anions, ou des systèmes voltampérométriques (VA). Cette approche modulaire offre une plus grande flexibilité et adaptabilité pour répondre à une plus large gamme d'exigences analytiques par rapport au 2060 MARGA, qui intègre des CI anioniques et cationiques en interne.

Les deux instruments (2060 MARGA et MARS) comprennent des dénudeurs de gaz (Wet Rotating Denuder "WRD" ; figure 4, à gauche), un échantillonneur de croissance de particules de condensation (Steam-Jet Aerosol Collector "SJAC" ; figure 4, à droite), ainsi que des dispositifs de pompage et de contrôle. Ces instruments appliquent la méthode de conversion des particules d'aérosol en gouttelettes dans un environnement de vapeur d'eau sursaturée. Après avoir été mélangées à de l'eau porteuse, les gouttelettes collectées sont introduites en continu dans des boucles d'échantillonnage ou des colonnes de préconcentration pour être analysées.

Figure 4. Gauche : Dénudeur rotatif humide (WRD) pour faciliter l'élimination des gaz. A droite : Collecteur d'aérosols à jet de vapeur (SJAC) incorporé dans le MARS et le 2060 MARGA.

MARS vs. 2060 MARGA – quel est le bon choix ?

Alors que le MARS a été conçu pour échantillonner uniquement les aérosols, le 2060 MARGA détermine également les gaz solubles dans l'eau. Contrairement aux dénudeurs classiques qui éliminent les gaz de l'échantillon d'air en amont du collecteur d'aérosols (chambre de croissance), le 2060 MARGA recueille les espèces gazeuses dans un WRD en vue d'une analyse en ligne. Contrairement aux gaz, les aérosols ont une faible vitesse de diffusion et passent donc à travers le WRD sans interférence.

Le 2060 MARGA est disponible en deux configurations : R (recherche) et M (surveillance). La version 2060 MARGA R est destinée aux campagnes de recherche, telles que l'étude de la variabilité saisonnière de la qualité de l'air. Lorsqu'il n'est pas utilisé, le chromatographe ionique peut être découplé et réutilisé pour d'autres recherches en laboratoire.

Pour une solution plus permanente et une surveillance de la qualité de l'air 24/7, le 2060 MARGA M est mieux adapté.

**Tableau 1.** Différences entre les capacités d'analyse des systèmes MARGA et MARS 2060.
	MARS	2060 MARGA
Taille de l'échantillon	Grands échantillons d'air : 0,5-1,0 m3/h	Grands échantillons d'air : 0,5-1,0 m3/h
Type de polluants	Adapté uniquement à l'analyse des aérosols Aérosols: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺	Analyse des aérosols et des gaz Aérosols: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ Gaz : HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
Type de polluants	MARS peut mesurer divers polluants tels que les ions sulfate, nitrate et ammonium..	MARGA peut mesurer divers polluants tels que les ions sulfate, nitrate et ammonium, ainsi que les gaz à l'état de traces, notamment le dioxyde de soufre et l'ammoniac.
Méthode d'analyse	Peut être associé à différentes techniques d'analyse (par exemple, IC, VA, etc.)	Deux circuits intégrés
Méthode d'analyse	Possibilité d'utiliser une ou plusieurs techniques d'analyse	Technique d'analyse unique
Résolution temporelle	Surveillance continue de l'air	Surveillance continue de l'air
Méthode de collecte des échantillons	SJAC	WRD et SJAC
Domensions en mm (W/H/D)	660/605/605	2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605
Utilisation prévue	Recherche	2060 MARGA R - Campagnes de recherche 2060 MARGA M - Surveillance continue dédiée

Les résultats suivants sont comparés afin de déterminer s'il existe une corrélation entre l'échantillonnage et la mesure des aérosols par les systèmes MARGA 2060 et MARS. Étant donné que les résultats des aérosols du 2060 MARGA sont connus pour être précis [5], une bonne corrélation indiquerait que MARS mesure également les aérosols avec une précision similaire.

Les graphiques ci-dessous montrent les résultats des aérosols dans l'air ambiant de Schiedam, aux Pays-Bas, mesurés entre le 6 et le 9 juin 2022 avec les systèmes 2060 MARGA et MARS utilisant la chromatographie ionique (figure 5). Le 2060 MARGA a un temps de cycle de 60 minutes (temps de cycle normal), tandis que le MARS a un temps de cycle de 30 minutes. Les données montrent une tendance similaire pour les deux systèmes, mais comme le MARS génère deux fois plus de données, ses données de concentration d'aérosols sont plus élevées que celles du 2060 MARGA. Si les données sont corrigées à 60 minutes en utilisant une moyenne mobile, les concentrations données par le MARS et le 2060 MARGA sont similaires.

Figure 5. Test de comparaison montrant les résultats pour divers paramètres de qualité de l'air mesurés par le 2060 MARGA (en haut) et le MARS (en bas).

Conclusion

La surveillance de la pollution atmosphérique est essentielle car elle nous permet de comprendre les types et les niveaux de polluants présents dans l'air que nous respirons. L'exposition à la pollution atmosphérique peut entraîner de nombreux problèmes de santé, notamment des maladies respiratoires, des maladies cardiovasculaires et même des cancers. Elle peut également nuire à l'environnement en provoquant des pluies acides, un appauvrissement de la couche d'ozone et en contribuant au changement climatique. Il est important de mesurer la qualité de l'air à l'aide d'outils tels que le 2060 MARGA ou le MARS de Metrohm Process Analytics pour comprendre l'impact des différents polluants et développer des stratégies efficaces pour réduire l'exposition. Ce faisant, nous pouvons œuvrer à la création d'un environnement plus sain et plus durable pour tous.

References

[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2025-02-06).

[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (‎PM_2.5 and PM₁₀)‎, Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide; World Health Organization: Geneva, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228

[3] US EPA. Particulate Matter (PM) Basics. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (accessed 2025-02-06).

[4] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. A Sampler for Collecting Fine Particles into Liquid Suspensions. Aerosol Air Qual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616

[5] Läubli, M. Air Monitoring by Ion Chromatography – a Literature Reference Review, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html