Méthodes de surveillance des polluants atmosphériques: 4 méthodes
Les points suivants mettent en évidence les quatre méthodes de surveillance des polluants atmosphériques. Les méthodes sont les suivantes: 1. Échantillonnage 2. Surveillance des particules 3. Surveillance des polluants gazeux et 4. Prélèvement et analyse des échantillons à votre convenance.
Méthode n ° 1. Échantillonnage:
La première étape vers la surveillance des polluants gazeux consiste à obtenir un échantillon représentatif.
Un montage utilisé pour la collecte d’un échantillon et l’analyse des polluants qu’il contient est généralement appelé train d’échantillonnage. Un train d'échantillonnage aurait normalement plusieurs composants.
Les composants présents dans une configuration réelle dépendraient de la situation ainsi que des objectifs, tels que:
1. Que la source soit l’air ambiant ou un conduit, par exemple une cheminée;
2. si l'on souhaite contrôler uniquement les particules ou les polluants gazeux;
3. S'il est proposé d'estimer les polluants gazeux in situ ou de les analyser à un moment opportun après le prélèvement d'un échantillon.
Les matières particulaires sont invariablement analysées à un moment opportun après leur piégeage.
Une configuration peut comprendre tout ou partie des composants suivants:
(i) un collecteur d'échantillonnage,
(ii) un collecteur de particules / parafoudre,
(iii) un réchauffeur / refroidisseur / condenseur,
(iv) une pompe d'aspiration (type à volume réglable),
(v) un débitmètre,
vi) Des instruments de surveillance en ligne des polluants gazeux, des bulles ou un collecteur d’échantillons.
La figure suivante (3.1) montre schématiquement quelques variantes d’arrangement de trains types:
(a) collecteur,
(b) refroidisseur / chauffage,
c) collecteur de particules,
d) condenseur,
e) pompe,
f) débitmètre,
(g) Filtre.
A. Un train pour la surveillance des particules et des polluants gazeux.
B. Un train pour la surveillance des polluants gazeux uniquement.
C. Un train pour la surveillance des particules seulement.
Lors de la collecte d'un échantillon gazeux, il convient de garder à l'esprit que le débit et la composition d'un courant d'effluent peuvent changer avec le temps et que, à un moment donné, ceux-ci peuvent dépendre de l'emplacement du point de prélèvement. À cause de cela, des procédures standard ont été recommandées pour l'échantillonnage afin que l'échantillon recueilli soit une moyenne temporelle. Lorsque des analyseurs en ligne sont utilisés, l'échantillon est instantané.
1. Train d'échantillonnage:
Un collecteur doit faire partie du train d'échantillonnage lorsque l'échantillonnage doit être effectué à partir d'une cheminée ou d'une source autre que l'atmosphère ambiante. Il doit être fabriqué dans un matériau non réactif et non adsorbant, tel que le téflon ou le verre ou un alliage résistant à la chaleur et à la corrosion.
Il devrait être aussi court que possible et ne pas être tordu, sinon il pourrait y avoir une accumulation de particules à l'intérieur. Pour éviter des dommages thermiques au collecteur, celui-ci peut être refroidi, mais il convient de veiller à ce que la température de l'échantillon ne descende pas en dessous du point de rosée.
Un dépoussiéreur est utilisé lorsque l’analyse des matières en suspension est souhaitée. Sinon, un pare-poussière doit être utilisé.
Une pompe mécanique ou un dispositif approprié est utilisé pour aspirer un échantillon.
Un débitmètre est utilisé pour mesurer le volume total de l'échantillon passant dans un train de capteurs.
Un refroidisseur peut être nécessaire dans le train d'échantillonnage si la température du gaz est telle que les composants du train peuvent être endommagés thermiquement pendant l'échantillonnage.
Un appareil de chauffage peut être nécessaire si la température de l'échantillon est telle que de la vapeur condensable puisse se condenser dans les tubes de raccordement avant la collecte des particules de poussière d'un échantillon.
Quand une vapeur condensable est présente dans un échantillon à une concentration élevée, un condenseur devrait être utilisé pour réduire sa concentration avant l'analyse des constituants gazeux de l'échantillon ou le prélèvement de l'échantillon dans un récepteur.
2. Échantillonnage de pile:
L'échantillonnage d'une pile est effectué en introduisant un collecteur par un port. En général, un orifice est un tuyau à bride standard de 75 mm monté sur une cheminée, affleurant à l'intérieur et s'étendant de 50 à 200 mm à l'extérieur. Lorsque l'échantillonnage n'est pas effectué, il est fermé à l'aveugle. Pour des piles de plus grand diamètre, le diamètre du port peut être supérieur à 75 mm. Les ports sont situés à environ 0, 6 à 1, 8 m au-dessus du sol ou d’une plate-forme. Un empilement de 3 m de diamètre ou moins doit avoir deux orifices situés à angle droit. Pour une pile dont le diamètre est supérieur à 3 m, le nombre de ports doit être de quatre, situés à 90 °.
Normalement, les ports doivent être situés à au moins huit diamètres en aval et deux diamètres en amont d’une source de perturbation de l’écoulement. Pour les piles de section transversale rectangulaire, la plus grande dimension ou le diamètre équivalent doit être pris comme diamètre pour l'emplacement des ports.
Le nombre minimal de points d'échantillonnage recommandés sur un diamètre (traversées) et leur emplacement dépendent de la position du port d'échantillonnage par rapport aux sources de perturbation de l'écoulement en amont et en aval. Avant l'échantillonnage, l'embouchure du collecteur doit être parfaitement alignée avec la direction du flux dans la pile et dirigée vers l'amont.
Pour une analyse complète d’un échantillon d’une pile, il convient d’utiliser un train d’échantillons isocinétiques composé d’une buse, d’une sonde enveloppée dans un appareil de chauffage et d’un porte-filtre chauffant, suivi de quelques absorbeurs de impacteurs connectés en série et immergés dans un bain de glace. Le train d’absorption doit être suivi d’un tube de séchage des gaz (contenant du gel de silice), d’une pompe (pompe à diaphragme à course variable), d’un compteur de gaz sec et d’un compteur à orifice calibré.
Une fois le train monté sur une pile, la pompe est mise en marche et le débit ajusté de manière à obtenir un échantillon dans des conditions isocinétiques. Lorsque des échantillons doivent être analysés à intervalles réguliers, une unité d'analyse en ligne peut être utilisée à la place d'un train d'absorption d'impact.
3. Échantillonnage de l'air ambiant:
Pour l'échantillonnage de l'air ambiant, l'unité de base normalement utilisée est appelée «échantillonneur à volume élevé», en particulier lorsque l'on souhaite analyser les particules.
Les principaux composants d’une telle unité sont:
(a) filtre,
(b) une soufflante et
c) un débitmètre.
Lorsque l'on souhaite estimer les polluants gazeux, on utilise également des instruments en ligne, un collecteur d'échantillons ou un train de bulleurs avec les composants déjà mentionnés.
Méthode n ° 2. Surveillance des particules:
La surveillance des particules peut avoir pour objectif d'estimer la concentration en masse des particules, la distribution granulométrique et la composition chimique des particules. Lorsque l'on souhaite estimer la concentration en masse des particules, seul un filtre approprié peut être utilisé. Le média filtrant peut être constitué de fibre de cellulose / fibre polymère / fibre de verre / membrane synthétique. Le choix dépendra de la température du gaz. La masse de particules arrêtées sur un filtre est estimée à partir de la différence de poids du filtre avant et après filtration.
Le filtre doit être séché au four avant la pesée afin d'éviter toute erreur de pénétration due à l'absorption d'humidité ou de toute autre vapeur, pendant ou avant la filtration. Un filtre ne conviendrait pas pour l'estimation de la distribution granulométrique et / ou l'analyse chimique des particules, car la récupération quantitative des particules bloquées à partir d'un filtre est pratiquement impossible.
Pour déterminer la répartition par taille et l'analyse chimique des particules en suspension dans un gaz, on utilise un impacteur ou une série d'impacts. Les particules collectées dans le ou les impacteurs, ainsi que les vapeurs condensées, le cas échéant, sont récupérées quantitativement et analysées après séchage.
Pour la surveillance des particules à partir d'une cheminée, l'échantillonnage doit être effectué dans des conditions isocinétiques, c'est-à-dire que la vitesse du gaz dans le collecteur d'échantillonnage doit être la même que celle appliquée dans la cheminée au point d'échantillonnage. Si l'échantillonnage est effectué dans des conditions superisocinétiques, les particules collectées auront une plus grande proportion de particules plus fines et plus légères que les particules réelles.
Tandis que lors d'un échantillonnage dans des conditions sous-isocinétiques, les particules collectées contiendraient davantage de particules plus grosses et plus lourdes. Étant donné qu'en pratique, il est difficile de maintenir une condition strictement isocinétique, l'écart par rapport à la condition isocinétique ne doit pas dépasser ± 10%.
Pour maintenir la condition d'échantillonnage isocinétique, il est nécessaire de mesurer la vitesse des gaz de cheminée au point d'échantillonnage. La vitesse est mesurée avec un ensemble manomètre à tube de Pitot de type S (Stauscheibe ou type inversé). La figure 3.2 montre un tel assemblage.
Méthode n ° 3. Surveillance des polluants gazeux:
Les polluants gazeux peuvent être surveillés in situ ou à un moment opportun après le prélèvement d'un échantillon. Avant d'analyser un échantillon, celui-ci doit être débarrassé des particules et des vapeurs condensables. L'analyse in situ est préférable car elle fournit rapidement des données. Toutefois, lorsqu'un point d'échantillonnage est situé dans un lieu éloigné ou lorsque les données ne sont pas requises immédiatement, un échantillon peut être collecté et la concentration des polluants dans l'échantillon peut être estimée à un moment opportun.
1. Analyse in situ:
Lorsqu'il est nécessaire de contrôler un échantillon dès qu'il est collecté, une analyse in situ est effectuée à l'aide d'un instrument analytique / d'instruments mis en ligne avec un train d'échantillonnage. Une telle configuration peut être utilisée pour la surveillance continue des émissions (CEM). Très souvent, cela nécessite de fournir un logement approprié aux instruments, car ceux-ci sont sensibles à la poussière, à l'humidité et à la température. Pour l'analyse en ligne d'un gaz, un volume mesuré (sans poussière) est introduit dans un instrument (unité), qui mesurerait, afficherait ou enregistrerait la concentration d'un ou de plusieurs constituants dans l'échantillon.
Méthodes instrumentales:
Des instruments (analyseurs CEM) sont disponibles pour surveiller les polluants gazeux tels que SO 2, NO, NO 2, O 3, CO et les hydrocarbures. Ces instruments utilisent diverses techniques et peuvent être utilisés pour l'analyse des gaz de cheminée et de l'air ambiant. Parmi les différentes techniques, la chromatographie en phase gazeuse (CPG) est polyvalente car elle peut être utilisée pour l'estimation de plusieurs polluants, tels que le SO 2, les NO x, le CO et les hydrocarbures.
L'élément essentiel d'une chromatographie en phase gazeuse est son détecteur, qui identifie et détecte la concentration des différents constituants d'un échantillon. Un détecteur peut être spécifique à un constituant. Le tableau 3.1 répertorie certains détecteurs spécifiques de polluants.
Il existe également des instruments qui utilisent une technique spécifique pour surveiller un polluant spécifique uniquement. Certains d'entre eux sont énumérés dans le tableau 3.2.
Les principes de base des techniques mentionnées ci-dessus sont brièvement décrits ci-dessous.
Chromatographie des gaz
Les composants de base d'une chromatographie en phase gazeuse sont:
(i) Une colonne à garnissage (un tube enroulé) contenant des particules granulaires (parfois imprégnées d'un liquide). La colonne sert de lit absorbant / adsorbant,
(ii) un boîtier de colonne avec contrôle de la température,
(iii) des dispositions appropriées pour l'introduction d'un échantillon de gaz et d'un gaz porteur à la base de la colonne (entrée), et
(iv) Un détecteur situé immédiatement après la colonne.
La procédure d'analyse consiste à injecter un volume prédéterminé d'un échantillon de gaz à la base de la colonne. La colonne contient un adsorbant présélectionné, qui dépend des constituants présents dans l'échantillon à analyser. Les constituants sont adsorbés sur le lit d'adsorbant et sont désorbés par un courant de gaz vecteur présélectionné s'écoulant à travers la colonne.
La séparation des constituants de l'échantillon entre le lit et le gaz porteur se produit à plusieurs reprises, car les constituants sont transportés vers la sortie de la colonne par le gaz porteur. Chaque constituant se déplacera à son rythme dans la colonne pour finalement sortir de la colonne et atteindre le détecteur sous la forme d'une bande.
L'intervalle de temps entre deux bandes et la largeur de chaque bande dépendent du rapport du coefficient de partage des constituants dans les paramètres système donnés. Le détecteur émet un signal indiquant le moment de l’émergence d’une bande.
Le signal se prolonge tant qu'un constituant spécifique continue de sortir de la colonne. L'amplitude du signal dépendrait de la concentration du constituant dans le gaz vecteur, laquelle dépendrait à son tour de sa concentration dans l'échantillon. Les données sont enregistrées sous forme de graphique du temps en fonction de la concentration des constituants spécifiques dans le gaz vecteur.
Sur la base de la superficie sous la parcelle, la concentration du constituant spécifique dans l'échantillon est estimée. De nos jours, des chromatographes en phase gazeuse à microprocesseur sont disponibles. Ils permettent d'imprimer les composants spécifiques présents et leur concentration dans un échantillon analysé.
Photométrie infrarouge non dispersive (NDIR) :
Le principe impliqué dans cette technique est l'absorption préférentielle du rayonnement infrarouge par un constituant, par exemple le monoxyde de carbone (CO) présent dans un échantillon de gaz.
Une unité aurait les composants suivants:
(i) une source infrarouge,
(ii) un hacheur,
(iii) une cellule d'échantillon (type de flux)
(iv) un détecteur infrarouge, et
(v) Une cellule de référence (remplie d’un gaz non absorbant l’infrarouge).
Une unité 'Infrarouge non dispersive' fonctionne comme décrit ci-dessous:
Le hacheur exposerait par intermittence la cellule échantillon et la cellule de référence à un rayonnement infrarouge. Le rayonnement incident traverserait la cellule de référence pratiquement non absorbée et atteindrait le détecteur. L'intensité du rayonnement transmis à travers la cellule échantillon serait réduite en raison de l'absorption par le CO présent dans l'échantillon traversant la cellule.
La différence entre les quantités d’énergie atteignant le détecteur via la cellule de référence et celles passant par la cellule échantillon serait proportionnelle à la concentration de CO dans l’échantillon. Certains constituants, tels que la vapeur d'eau présente dans un échantillon, interfèrent avec l'estimation quantitative du CO.
Technique de chimiluminescence:
Cette technique est basée sur le fait que lorsqu'un polluant est mis à réagir avec un réactif spécifique (en large excès), les molécules de produit formées seraient à un état d'excitation supérieur. Lorsque les molécules de produit reviennent de l'état d'excitation supérieur à leur état normal (fondamental), de l'énergie est libérée sous forme de lumière.
L'intensité de la lumière émise serait directement proportionnelle à la concentration du polluant présent dans un échantillon. L'intensité lumineuse émise est normalement mesurée à l'aide d'un photomultiplicateur. Pour l'estimation de la concentration en ozone (O 3 ) dans un échantillon, le réactif utilisé est l'éthylène. Dans le cas de NO, le réactif devrait être O 3 . Pour l'estimation du NO 2, il est d'abord réduit quantitativement en NO, puis estimé en NO.
Technique conductométrique :
L'idée de base de cette technique est le fait que lorsqu'un polluant spécifique est absorbé dans un liquide approprié, la conductivité électrique de la solution résultante serait différente de celle de l'absorbant. Le changement de conductivité serait proportionnel à la concentration du polluant présent dans un échantillon. Le liquide (absorbant) doit être choisi de manière à n'absorber qu'un seul des polluants présents dans un échantillon. En général, de l'eau distillée ou une solution aqueuse est utilisée comme absorbant.
Technique coulométrique :
L'analyse coulométrique est réalisée en faisant réagir un polluant spécifique présent dans un échantillon gazeux avec une solution aqueuse de KI ou de KBr dans une cellule électrolytique, ce qui libère de l'iode ou du brome. L'halogénure libéré est réduit à la cathode de la cellule.
Le courant traversant le coulomètre serait proportionnel à la quantité d'halogénure libéré, ce qui serait à son tour proportionnel à la concentration du polluant spécifique présent dans l'échantillon. Cette méthode n'est pas spécifique à l'ozone car elle mesure le total des oxydants présents dans un échantillon.
Technique spectrométrique :
Cette technique est quelque peu similaire au NDIR. La lumière (IR / UV) d'une source est filtrée pour filtrer la lumière de toutes les longueurs d'onde, à l'exception d'une bande étroite qui est absorbée par un polluant spécifique présent dans un échantillon gazeux.
De tels rayons de la bande de longueur d'onde sélectionnée sont autorisés à passer à travers une cellule, à travers laquelle un échantillon de gaz libre condensable filtré s'écoulerait. L'intensité du rayonnement transmis par rapport à celle du faisceau non atténué serait proportionnelle à la concentration du polluant présent dans l'échantillon.
Technique électrochimique :
Un analyseur électrochimique peut consister en une membrane semi-perméable, un film d'électrolyte, une électrode de détection et une électrode de référence immergée dans l'électrolyte. Un flux gazeux contenant le polluant dont la concentration doit être estimée passe par la membrane semi-perméable.
Le polluant peut migrer sélectivement à travers la membrane et générer un signal (tension) dans le film d'électrolyte. Le signal (tension) serait capté par l'électrode de détection. La différence de tension entre l'électrode de détection et l'électrode de référence serait proportionnelle à la concentration de polluant dans l'échantillon.
2. Méthodes chimiques:
Il existe deux méthodes chimiques, à savoir:
(1) Méthode rapide et
(2) Méthode classique. Méthode rapide
La méthode rapide fournit des informations dans un délai court. Cela ne nécessite pas un opérateur qualifié. Un détecteur spécifique est utilisé pour chaque polluant. Les concentrations de certains polluants peuvent être faibles ou assez élevées. Pour un tel polluant, un détecteur ayant la plage appropriée doit être choisi en fonction de la situation.
Une installation pour une analyse rapide consiste en un tube en verre scellé (détecteur) rempli d'un réactif spécifique du polluant adsorbé sur des granules inertes ou du réactif lui-même sous forme granulaire et d'une pompe à déplacement positif actionnée manuellement.
Le tube est équipé de bouchons à chaque extrémité, qui servent de filtres. Ceux-ci retiennent également les particules granulaires sous forme de lit tassé. Une échelle de lecture directe (généralement en ppmv) est imprimée sur la surface extérieure du tube sur toute sa longueur. Le marquage commence immédiatement après le bouchon de filtre de l'extrémité avant. La méthode est adaptée à la surveillance des polluants présents dans l'air ambiant.
La procédure de fonctionnement d'une telle unité consiste à casser les extrémités scellées d'un tube détecteur (spécifique à un polluant spécifique) et à les fixer à une pompe de manière à ce qu'un échantillon de gaz soit aspiré à travers l'extrémité avant du tube. En faisant fonctionner la pompe, un volume connu d'un échantillon (spécifié par le fabricant du détecteur) doit être aspiré à travers le tube. Une réaction instantanée entre le réactif et le polluant aurait lieu, entraînant un changement de couleur marqué du lit granulaire dans le tube.
La longueur de la partie colorée du lit granulaire dépendrait de la concentration du polluant présent dans un échantillon, qui peut être lue à partir de l'échelle imprimée sur le tube. Un tube ne peut être utilisé qu'une seule fois. Des tubes sélecteurs sont disponibles pour la surveillance des polluants gazeux inorganiques courants ainsi que d’une grande variété de polluants organiques.
Méthode classique :
La méthode classique est également appelée méthode de chimie par voie humide. Cette méthode prend relativement du temps et sa précision dépend des compétences d'un analyste. Dans cette méthode, un volume connu d'un échantillon de gaz exempt de poussière est autorisé à s'écouler à une vitesse modérée à travers une série de barboteurs, chacun contenant un solvant avec ou sans quelques réactifs dissous.
Chaque barboteur ne piégerait qu’un polluant spécifique en fonction du solvant / réactif présent. Les bulles doivent être correctement séquencées. Une fois qu'un échantillon a été autorisé à passer dans le train de barboteurs, ceux-ci doivent être détachés et leur contenu doit être analysé de manière quantitative pour estimer les polluants piégés.
Méthode n ° 4. Collecte et analyse des échantillons à votre convenance:
Il est parfois préférable de prélever un échantillon de gaz et de l’analyser ultérieurement dans un laboratoire à un moment opportun. Pour effectuer une analyse de cette manière, il est nécessaire de conserver un échantillon tel quel ou de séparer chaque constituant (polluant) de manière quantitative, puis de les conserver.
Pour atteindre cet objectif, l’une des étapes suivantes peut être adoptée:
i) Prélèvement d'un échantillon dans un récepteur sous vide :
Un échantillon de gaz exempt de poussière est collecté soit dans un récipient métallique rigide sous vide, soit dans un sac souple constitué d’un film polymère. Le matériau de construction du conteneur doit être choisi de manière à ce que les polluants n'interagissent pas physiquement ou chimiquement avec le conteneur pendant le stockage et entraînent ainsi une modification de la composition de l'échantillon recueilli.
Un échantillon doit être refroidi à la température ambiante et débarrassé des particules solides et de la vapeur condensable avant d'être collecté dans un récipient. Le conteneur rempli d'un échantillon doit ensuite être transporté dans un laboratoire pour analyse. Au laboratoire, l’échantillon peut être prélevé du récipient en pressant le sac en polymère ou au moyen d’une pompe du récipient rigide. L'analyse de l'échantillon récupéré peut être effectuée soit à l'aide d'instruments appropriés, soit à l'aide de méthodes chimiques appropriées.
(ii) Collection sur un support :
Un milieu de collecte liquide ou solide peut être utilisé pour retenir quantitativement les polluants présents dans un échantillon de gaz, soit tels quels, soit sous une forme séparée pour leur estimation ultérieure.
(a) milieu liquide:
Lorsqu'un milieu liquide est utilisé, l'appareil est appelé «système à barboteur». Le système peut avoir plusieurs bulleurs en série, chacun contenant un liquide dans lequel un polluant spécifique sera soit physiquement absorbé, soit chimiquement mis à réagir. On fait barboter un volume connu d'échantillon dans chaque barboteur, puis la quantité de polluant piégé est estimée par une méthode d'analyse chimique appropriée. Le tableau 3.3 présente la composition chimique des liquides de barbotage et les méthodes d'analyse employées pour l'estimation de certains polluants courants.
(b) milieu solide :
Cette méthode de collecte repose sur le fait que, lorsqu'un échantillon de gaz exempt de poussières et de gaz condensables est passé sur un lit d'adsorbant, tel que le charbon actif / le gel de silice activé, les polluants présents dans l'échantillon sont adsorbés quantitativement.
La procédure adoptée pour la collecte et la conservation des polluants dans un échantillon de gaz consiste à faire passer un volume connu d'un gaz polluant à travers un récipient contenant un lit d'adsorbant, les polluants étant retenus sur les granules d'adsorbant et la majeure partie du gaz porteur sortant. Après la collecte, le conteneur est scellé et conduit dans un laboratoire pour analyse.
La toute première étape vers l’analyse des constituants adsorbés consiste à les désorber quantitativement en chauffant le récipient pendant qu’un flux de gaz inerte circule à travers le récipient à un débit modéré. Les constituants désorbés sont transportés dans un système de mesure par le courant de gaz inerte.
Une procédure alternative pour la récupération quantitative des constituants adsorbés consiste à extraire ceux qui ont un volume connu de liquide (un solvant). Ensuite, les concentrations des constituants (polluants) présents dans l'extrait liquide sont estimées soit chimiquement, soit à l'aide d'instruments appropriés.
Sur la base de la discussion menée jusqu’à présent, on peut conclure que les méthodes utilisées pour la surveillance des polluants gazeux peuvent être classées en deux groupes:
(i) Les méthodes instrumentales et
ii) Les méthodes chimiques.
Les avantages et inconvénients de ces méthodes sont répertoriés dans le tableau 3.4.
