Développement d’un dispositif d’étalonnage des appareils mesurant les concentrations massiques de particules
Le TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance) est un appareil de mesure très répandu au sein des réseaux de surveillance de la qualité de l’air. Il est capable de mesurer en continu la concentration massique des particules en suspension dans l’air (en µg/m 3 ), ce qui le rend préférable à la méthode gravimétrique qui nécessite des analyses postérieures au prélèvement.
A l’heure actuelle, cet appareil est étalonné à l’aide de cales étalons raccordées au système international. Ces cales, de masses connues, permettent de vérifier aisément la constante d’étalonnage de l’appareil. Néanmoins, elles présentent deux inconvénients majeurs :
- Leur masse est de l’ordre de 80 mg alors que les concentrations massiques de particules dans l’air ambiant sont plutôt de l’ordre de quelques µg.
- Un tel étalonnage ne permet pas de prendre en compte tout le système de prélèvement en amont de la mesure de la masse.
Par conséquent, le LNE a proposé de développer une méthode d’étalonnage en masse du TEOM qui tienne compte des particularités décrites ci-dessus et qui consiste à :
- Injecter des particules ayant des concentrations connues et stables dans le temps d'une part, sur le filtre du TEOM en passant par le système de prélèvement (hors tête de prélèvement) et d'autre part, sur un filtre externe,
- Comparer les concentrations massiques mesurées par le TEOM avec les concentrations massiques « vraies » mesurées par la méthode de référence (méthode gravimétrique) sur le filtre.
De plus, cette méthode doit tenir compte des spécificités des AASQA, puisqu'elle doit pouvoir être facilement mise en œuvre directement par les AASQA dans les stations de mesure pour l'étalonnage de leurs TEOM.
L’étude menée en 2005 a consisté à réaliser une bibliographie afin de faire un choix entre différents générateurs de particules proposés en fonction de leurs performances métrologiques et des conseils des fabricants.
Ce choix s’est porté sur le générateur CFG-1000 de la société PALAS distribué par la société ECOMESURE. Ce générateur comporte deux électrodes de graphite : l’une d’elle est reliée à la masse tandis que l’autre est reliée à un condensateur haute tension, lui-même alimenté par un dispositif haute tension réglable. Pour générer des particules, le condensateur est chargé jusqu’à sa tension de claquage. Une fois atteinte, le condensateur se décharge en formant une étincelle entre les électrodes. Celle-ci est suffisamment énergétique pour vaporiser le carbone à l’extrémité des électrodes. Le carbone sous forme vapeur est alors entraîné par un flux d’argon où il se condense en de très fines particules primaires qui coagulent entre elles pour former de plus ou moins gros agglomérats (leur taille est fonction de la concentration en particules). Ces agglomérats sont ensuite évacués vers la sortie du générateur. Ce générateur a été réceptionné au LNE en février 2006.
Les essais réalisés en 2006 ont porté sur la caractérisation par la méthode gravimétrique de référence du générateur de particules GFG-1000, ce qui a permis de déterminer les valeurs des concentrations massiques de particules générées par le générateur de particules et de démontrer sa répétabilité, sa linéarité en fonction du temps et de la fréquence d’étincelles, ainsi que sa stabilité dans le temps. Cependant, ce générateur n’a pas pu être couplé avec le TEOM 50°C du LNE à cause d’un problème de colmatage trop rapide du filtre du TEOM 50°C.
L’étude 2007 a consisté à poursuivre les investigations pour résoudre le problème de colmatage : des essais réalisés avec la société ECOMESURE ont conduit à modifier certains paramètres du TEOM 50°C, à savoir le débit du TEOM 50°C et le temps de moyennage pour le calcul de la moyenne glissante et de la masse totale, ce qui a permis de ralentir considérablement le colmatage du filtre du TEOM 50°C et de rendre possible le dépôt d’une masse conséquente de particules sur le filtre du TEOM 50°C pendant un laps de temps correct, sans que le phénomène de colmatage ne se produise.
Les essais de couplage du générateur de particules avec le TEOM 50°C ont donc été repris afin de continuer à optimiser la procédure. Toutefois, les essais montraient que certaines précautions devaient être prises pour obtenir un résultat fiable : de plus, un régulateur de débit massique (RDM) adéquat devait être utilisé, afin de réduire les incertitudes de mesure et notamment la répétabilité.
Suite à la mise en place des stations de référence pour les PM dans chaque AASQA pour pouvoir ajuster les données PM des autres stations de mesure, il a été demandé au LNE de réorienter l'étude sur l'étalonnage des analyseurs automatiques de particules en étudiant le TEOM-FDMS à la place du TEOM 50°C.
L'étude 2008 avait donc pour objectif de reprendre la procédure d'étalonnage développée pour le TEOM 50°C et basée sur l'utilisation du générateur de particules GFG-1000 (PALAS) afin de l'adapter au TEOM-FDMS. Cependant, en reprenant les essais avec le TEOM-FDMS, toutes les avancées des deux dernières années sur le TEOM 50°C ont dû être remises en question. En effet, cet appareil a des paramètres fixes pour son fonctionnement, et qui ne peuvent pas être modifiés pour pouvoir le coupler avec le générateur GFG-1000 (PALAS). De ce fait, le filtre du TEOM-FDMS se colmatait rapidement avec une très petite quantité de particules.
Pour essayer de résoudre le problème, plusieurs hypothèses de génération de particules ont été émises et des essais ont été effectués pour chacune d’elles. Les résultats de ces essais montraient que le seul générateur compatible avec le TEOM-FDMS était le nébuliseur de brouillard salin AGK 2000 (PALAS) qui permet de générer des masses de particules compatibles avec la gamme d'étalonnage (0 à 1000 µg), sans colmatage prématuré du filtre du TEOM-FDMS. Son principe repose sur le barbotage d’air comprimé dans une solution saline de concentration connue : l’aérosol produit est ensuite séché pour obtenir des particules de NaCl. Des essais effectués sur deux exemplaires de ce modèle montraient que ces appareils étaient linéaires et répétables, mais leurs points faibles étaient leur répétabilité et leur reproductibilité dans le temps.
L’étude menée en 2009 a donc porté sur l'optimisation de la méthode d'étalonnage du générateur AGK 2000 (PALAS) et sur la réalisation de premiers essais de couplage entre ce générateur de particules et le TEOM-FDMS. Cette étude a permis de diminuer la répétabilité et la reproductibilité du protocole d’étalonnage du générateur AGK 2000 (PALAS) en utilisant un porte-filtre, un régulateur de débit massique (RDM) et des filtres de protection. Toutefois, il restait à apporter des améliorations pour diminuer le taux d'humidité sur les filtres placés sur le porte-filtre. De premiers essais de couplage de ce générateur avec un TEOM-FDMS montraient des écarts significatifs entre les masses délivrées par le générateur et celles mesurées par le TEOM-FDMS (de l'ordre de 10 %).
En début 2010, la procédure d'étalonnage a dû être repensée à la suite des résultats obtenus en 2009 et des échanges techniques avec l’INERIS notamment sur le taux d'humidité trop élevé de l'aérosol circulant dans le TEOM-FDMS et susceptible de l’endommager, ce qui a impliqué de nombreux essais et a retardé les essais initialement prévus à l’INERIS pour 2010 en 2011.
Les essais réalisés en 2010 ont essentiellement porté sur l’optimisation de la méthode de caractérisation du générateur de particules par impaction des particules délivrées par le générateur sur un filtre externe pesé sur une balance de précision (méthode gravimétrique).
Les essais d’amélioration ont porté sur :
- l’utilisation d’un nouveau porte-filtre permettant de limiter les fuites,
- la faisabilité d'utiliser du sulfate d’ammonium à la place du chlorure de potassium pour diminuer
- l’agressivité du sel vis-à-vis du filtre,
- l’optimisation de la mise en œuvre du générateur (arrêt ou non du générateur entre les essais…),
- le test de différents systèmes de séchage de l’aérosol,
- Utilisation d’un sécheur type FDMS,
- Utilisation d'une chambre de sédimentation,
- Utilisation de filtres contenant du silicagel…
- différentes façons de combiner les éléments cités ci-dessus.