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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]. Lorsque les niveaux de pollution de l'air sont élevés, ils peuvent entraîner des problèmes respiratoires, des maladies cardiaques et d'autres maladies (par exemple, le cancer). Elle 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 un air qui dépasse les limites des lignes directrices de l'OMS en matière de qualité [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 dédiés à la surveillance continue des paramètres de qualité de l'air.
Brief introduction to particulate matter and aerosols
Particulate matter (PM) is generally defined as small solid particles suspended in a gas, while aerosols are finer liquid droplets or solid particles that remain suspended in gases for significant periods of time. Both of these can negatively affect human health, especially when their diameters are less than 2.5 µm (PM2.5, Figure 1). Aerosols and PM can be created by natural occurrences such as volcanic eruptions, as well as anthropogenic activities such as industrial operations and transportation. Therefore, it is important to analyze the chemical composition of these pollutants not only to determine the long-term effects after exposure, but also to identify their sources in order to take steps to reduce emissions.
Une fois dans l'air, ces minuscules particules peuvent être transportées sur de longues distances et causer des complications loin de leur source. Plus les particules sont petites, plus elles peuvent s'infiltrer profondément dans le système respiratoire. Plusieurs études ont établi un lien entre les particules et les problèmes de santé (par exemple, les problèmes respiratoires) et les problèmes environnementaux (par exemple, la réduction de la visibilité). [4–6]. Alors que les particules de poussière les plus grossières (PM10) sont principalement retenues par les poils du nez, les particules fines (PM2,5) peuvent pénétrer profondément dans les poumons et provoquer des irritations. Les aérosols, quant à eux, sont encore plus petits que les particules et peuvent donc rester en suspension dans l'atmosphère pendant de longues périodes.
Pour mieux comprendre les effets de la pollution atmosphérique sur notre santé et sur l'environnement, il est nécessaire de disposer de mesures précises qui déterminent la quantité et la composition chimique des particules en suspension à une résolution temporelle élevée. Cependant, la collecte d'échantillons représentatifs et l'analyse associée sont les parties les plus difficiles de la surveillance de l'air.
Surveillance de l'air - hier et aujourd'hui
Traditionnellement, l'analyse des particules et des aérosols se fait en deux étapes : la collecte des échantillons et l'analyse. Pour collecter des échantillons représentatifs, il est important d'utiliser le matériel et les techniques d'échantillonnage appropriés.
L'étape de collecte des échantillons fait généralement appel à un processus de 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 [7]. Toutefois, cette méthode ne permet de déterminer que des moyennes sur une période de 24 heures ou plus. En outre, la méthode est encombrante et peu précise, ce qui rend impossible les mesures continues en ligne.
L'échantillonnage en continu est de la plus haute importance, car il permettra de surveiller de manière sensible les changements dans la composition ionique des aérosols. Mais comment procéder ?
Metrohm Process Analytics est un fournisseur réputé de solutions analytiques pour l'analyse de l'air et des aérosols, doté d'une grande expérience et d'une grande expertise dans ce domaine. Nous offrons une gamme complète d'instruments, de logiciels et d'accessoires avancés qui permettent une mesure précise et fiable des particules en suspension dans l'air..
Les instruments les plus prometteurs pour la collecte des aérosols, souvent appelés dispositifs de collecte de vapeur, sont présentés à la figure 2 : l'échantillonneur Metrohm AeRosol Sampler (MARS) et le 2060 Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air (MARGA).
En ce qui concerne l'analyse chimique, le dispositif MARS (figure 3) est couplé à des analyseurs chimiques humides tels qu'un chromatographe cationique et/ou anionique (IC) ou un système voltampérométrique, tandis que le 2060 MARGA intègre des IC anioniques et cationiques (voir la vidéo ci-dessous).
Les deux instruments comprennent des dénudeurs de gaz (Wet Rotating Denuder "WRD", figure 4), un échantillonneur de croissance de particules par condensation (Steam-Jet Aerosol Collector "SJAC", figure 5), ainsi que des dispositifs de pompage et de contrôle. Ces instruments appliquent la méthode de croissance des particules d'aérosol en gouttelettes dans un environnement de vapeur d'eau sursaturée. Préalablement mélangées à de l'eau porteuse, les gouttelettes collectées sont introduites en continu dans des boucles d'échantillonnage ou des colonnes de préconcentration en vue de leur analyse.
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 collecte 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 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, le 2060 MARGA M est utilisé pour la surveillance de la qualité de l'air 24/7.
En comparaison, le MARS peut être utilisé comme unité de préconditionnement pour plusieurs techniques d'analyse (Figure 7) dans des environnements ambiants ou industriels tels qu'un IC, un instrument voltampérométrique (VA), un spectromètre de masse (MS), ou un analyseur de carbone organique total (COT). Il est également possible de prélever des échantillons pour une détermination hors ligne à l'aide d'un échantillonneur automatique. Pour évaluer immédiatement les résultats, le MARS peut également être relié à distance à n'importe quel système d'analyse. En revanche, le 2060 MARGA possède deux circuits intégrés, de sorte qu'aucune autre technique d'analyse ne peut être couplée.
Tableau 1. Différences entre le 2060 MARGA et le MARS. Le 2060 MARGA R est destiné à la recherche et comporte un chromatographe ionique amovible, tandis que le 2060 MARGA M est destiné à la surveillance de la qualité de l'air grâce à ses deux circuits intégrés.
| 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 | Convient uniquement à l'analyse des aérosols Aerosols: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ |
Analyse des aérosols et des gaz Aérosols: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ Gaz: HCl, HNO3, HONO (HNO2), SO2, NH3, HF |
| 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 |
| Techniques d'analyse unique ou multiple | 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 |
| Dimensions en mm (L/H/P) | 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 – Contrôle continu dédié |
La section suivante compare les résultats pour voir s'il existe une corrélation entre l'échantillonnage et la mesure des aérosols du 2060 MARGA et du MARS. Étant donné que les résultats des aérosols du 2060 MARGA sont connus pour être exacts [8], une bonne corrélation indiquerait que le MARS mesure également les aérosols avec précision.
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 6). 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 entre 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.
Conclusion
La surveillance de la pollution atmosphérique est cruciale 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 MARS ou 2060 MARGA de Metrohm Process Analytics afin de comprendre leur impact et de 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.
Références
[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2023-06-22).
[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (PM2.5 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 2023-06-22).
[4] Venners, S. A.; Wang, B.; Xu, Z.; et al. Particulate Matter, Sulfur Dioxide, and Daily Mortality in Chongqing, China. Environ. Health Perspect. 2003, 111 (4), 562–567. DOI:10.1289/ehp.5664
[5] Zhang, J.; Song, H.; Tong, S.; et al. Ambient Sulfate Concentration and Chronic Disease Mortality in Beijing. Sci. Total Environ. 2000, 262 (1–2), 63–71. DOI:10.1016/s0048-9697(00)00573-8
[6] US EPA. Health and Environmental Effects of Particulate Matter (PM). https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (accessed 2023-03-27).
[7] 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
[8] 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
Vos connaissances à emporter
Metrohm AeRosol Sampler «MARS»
2060 MARGA – Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air
Blog : Flexibilité inégalée dans l'analyse ionique en ligne : L'analyseur de processus 2060 IC
Brève introduction aux particules et aux aérosols
Les particules (PM) 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 (PM2.5, figure 1). Les aérosols et les particules peuvent être créés par des phénomènes naturels tels que les éruptions volcaniques, ainsi que par des activités anthropiques telles que les opérations industrielles et les transports. Il est donc important d'analyser la composition chimique de ces polluants, non seulement pour déterminer les effets à long terme de l'exposition, mais aussi pour identifier leurs sources afin de prendre des mesures pour réduire les émissions.