Analyses physico-chimiques chimiques de particules en suspension dans l air. l Application à l identification de sources.

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Jean-François Rondeau
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1 Analyses physico-chimiques chimiques de particules en suspension dans l air. l Application à l identification de sources. Frédéric LEDOUX a, Dominique COURCOT b, Emile PUSKARIC a, Antoine ABOUKAÏS b, Hélène LAVERSIN b, Lucie COURCOT-DERAM a a Laboratoire Interdisciplinaire en Sciences de l Environnement UMR 8013 E.LI.CO - b Laboratoire de Catalyse et Environnement, EA WIMEREUX DUNKERQUE

Frédéric LEDOUX a, Dominique COURCOT b, Emile PUSKARIC a, Antoine ABOUKAÏS b, Hélène LAVERSIN b,

2 Contexte des Recherches sur les Particules IMPACT SANITAIRE et PERTURBATION DES PROCESSUS TROPOSPHERIQUES COMPOSITION CHIMIQUE GRANULOMETRIE Etudes engagées: Analyses physico - chimiques de particules prélevées en milieu urbain Recherche de traceurs spécifiques des poussières émises par les industries comparaison des caractéristiques des sources / données environnement But : Etablir l origine des poussières recueillies dans l environnement Comprendre le comportement des particules lors de leur transport

spécifiques des poussières émises par les industries comparaison des caractéristiques des sources / données environnement But

3 Plan Formation et devenir des particules Types d analyses effectuées Moyens de prélèvement Exemples d études

4 Formation et évolution des aérosols Aérosols primaires : Aucune transformation chimique depuis son introduction dans l atmosphère. à la différence des Aérosols secondaires Particules de grande taille (10-20 microns) Disparition de la colonne d air par sédimentation Particules fines Temps de résidence troposphérique long Voie d élimination : phénomènes de coagulation, puis évènements pluvieux Whitby, 1977

à la différence des Aérosols secondaires Particules de grande taille (10-20 microns) Disparition de

5 Représentation des aérosols - Composition de l aérosol atmosphérique : Electrolytes (ex: SO 4 2-, ) Eau atmosphérique Carbone suie Organiques Métaux

6 Caractérisations physico-chimiques des aérosols Identification et quantification d un (ou plusieurs) éléments ex: fer, zinc, cuivre, chrome, plomb Spectrométrie d absorption atomique Spectrométrie d émission par plasma à couplage inductif Connaissance de la nature, la structure des composés ou l environnement chimique des éléments Chromatographie en phase gazeuse couplée à une spectrométrie de masse (Composés organiques, tels que HAP) Chromatographie ionique (chlorures, nitrates, sulfates, ) Diffraction de rayons X (NaCl, CaCO 3, α-fe 2 O 3, ) Résonance paramagnétique électronique (Fe 3+, Mn 2+, ) Microscopie électronique à balayage Morphologie et classes granulométriques + analyse individuelle des particules

$phase gazeuse couplée à une spectrométrie de masse (Composés organiques, tels que HAP) Chromatographie ionique (chlorures, nitrates, sulfates, ) Diffraction de rayons X (NaCl,$

7 Précautions Analytiques - Choix des filtres : Conditionné par les espèces chimiques étudiées ou par la technique analytique Métaux : cellulose Espèces carbonées : fibres de verre MEB + micro-analyse X : membrane polycarbonate - Nombreuses sources de contamination : Nécessité de laver les filtres avant le prélèvement Travail sous atmosphère exempte de particules (hotte à flux laminaire, salle blanche)..

: membrane polycarbonate - Nombreuses sources de contamination : Nécessité de laver les filtres avant

8 Prélèvement des aérosols atmosphériques - Sans distinction granulométrique Filtration totale (ou globale) Pompe d aspiration (5 m 3 /h)

9 Prélèvement des aérosols atmosphériques - Avec distinction granulométrique Impaction en cascade "Séparation cinétique" des particules 5,08 µm 2,10 µm 1,04 µm 0,64 µm 0,33 µm Pompe d aspiration Débit variable selon le type d impacteur - " High volume " : 68 m 3 /h - " Low volume " : 1 à 2 m 3 /h

1,04 µm 0,64 µm 0,33 µm 1 2 3 4 5 Pompe d aspiration Débit variable selon le

10 Impacteurs à cascades " High Volume " Sierra 235 " Low volume " Dekati

11 Prélèvement des PM10 ou PM 2,5 Système Partisol Plus 2025

12 Installation du matériel sur un site d échantillonnage

13 Démarche pour l estimation de contributions de sources direction vent riche en fer A B prélèv. amont riche en carbone prélèv. aval Suivi d éléments «cibles» sur les prélèvements amont (bruit de fond) et aval + connaissance de composition chimique des sources Détermination de la contribution des sources A et B sur le point aval

aval Suivi d éléments «cibles» sur les prélèvements amont (bruit de fond) et aval

14 Zone d étude Manche Mer du Nord Dunkerque LES MOERES 15 km

15 Zone d étude Zoom sur le Dunkerquois

16 Identification de sources au travers de résultats de caractérisations physico-chimiques Etude de la répartition granulométrique Concentration en Fe (ng/m3) Et1 Et2 Et3 Et4 Et5 Et Direction ( )

Concentration en Fe (ng/m3) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Et1 Et2

17 Identification de sources au travers de résultats de caractérisations physico-chimiques Etude de la répartition granulométrique Moyenne (Et 1 à 6): 989 ng/m 3 Concentration en Fe (ng/m3) Apport de la source : = 3016 ng/m : = ng/m : = 2218 ng/m 3 Et1 Et2 Et3 Et4 Et5 Et Direction ( )

1600 1400 1200 1000 800 600 400 - Apport de la source - 301 : 4005 989 = 3016 ng/m 3-323 : 13730 989 = 12741

18 Caractérisation des ions Fe 3+ par Résonance Paramagnétique Electronique Rapport d intensité Ns(T N )/ Ns(Ta) : caractéristique de l environnement des ions Fe 3+ dans l échantillon Existence d un rapport caractéristique pour des particules émises par la zone industrielle (Ledoux et al., Atm. Env., sous presse)

ions Fe 3+ dans l échantillon Existence d un rapport caractéristique pour des

19 Caractérisation des ions Fe 3+ par Résonance Paramagnétique Electronique Rapport d intensité Ns(T N )/ Ns(Ta) : caractéristique de l environnement des ions Fe 3+ dans l échantillon MEB: petites particules d oxydes de fer DRX: α Fe 2 O 3 et Fe 3 O 4 Existence d un rapport caractéristique pour des particules émises par la zone industrielle (Ledoux et al., Atm. Env., sous presse)

petites particules d oxydes de fer DRX: α Fe 2 O 3 et Fe 3 O 4 Existence d un rapport

20 Comparaison des concentrations d éléments pour différentes orientations de vent Campagne de prélèvements avec un épisode sec E-SE durable W Fe 3200 N E W Mn 200 N E Cas de Dunkerque : Zone Industrielle à l W-NW du point d échantillonnage S S Pb 220 N Zn 900 N Principalement 2 origines : - Zone industrielle (Fe, Mn) - Zone urbaine W 0 E W 0 E S S

de Dunkerque : Zone Industrielle à l W-NW du point d échantillonnage S S Pb 220 N Zn 900 N

21 Importance des conditions météorologiques Analyse en Composantes Principales Variables : Teneurs en éléments et espèces (Al, Ba, Ca, Cu, Fe, K, Mn, Mg, Na, Pb, Sr, Ti, Zn, Cl -, NO 3-, SO 4 2-, NH 4+ ) Interprétations : Conditions météorologiques : - Direction et vitesse de vent, - Hauteurs de pluie - Pressions atmosphériques Rétrotrajectoires de masses d'air

22 ACP : Echantillons les plus riches en éléments Les Moëres et Dunkerque : Pour les 2 saisons 1 ) secteur NE à SSE, avec hautes Pressions atmosphériques (Conditions anticycloniques) Trajectoires de masse d'air continentales / Zone Urbaine 2 ) secteur WSW à N Dunkerque / Zone industrielle Eté Hiver

23 ACP : Echantillons les moins riches en éléments Eté Trajectoires Marines Hiver Système dépressionnaire P. atm faibles Pluie

24 Analyses physico-chimiques chimiques de particules en suspension dans l air. l Application à l identification de sources. Frédéric LEDOUX a, Dominique COURCOT b, Emile PUSKARIC a, Antoine ABOUKAÏS b a Laboratoire Interdisciplinaire en Sciences de l Environnement UMR 8013 E.LI.CO - b Laboratoire de Catalyse et Environnement, EA WIMEREUX DUNKERQUE

25 Utilisation des ions Mn 2+ isolés et de la RPE 0 Source d'émission A=96G = traceur +5 km Wimereux km Cap Gris-Nez + 80 km Dunkerque km Les Moëres Distance par rapport à la source d émission Suivi sur 90 km!! H (Gauss) (Ledoux et al.,atm. Env., 2002)

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