Surveillance du benzène : Développement de cartouches de référence de Carbograph 4, de Carbograph B et de Carbopack X pour les BTEX

Les  Matériaux  de  Référence  (MR)  permettent  d’assurer  la  traçabilité  des  mesures  et  de valider les méthodes analytiques. Or, actuellement, il n’existe pas de matériaux de référence,en  France,  disponibles  pour  la  mesure  du  benzène,  du  toluène,  de  l'éthylbenzène  et  des xylènes (BTEX) en air ambiant par prélèvement sur cartouches de Carbograph 4, Carbopack B et Carbograph X.
 
C’est pourquoi le LNE a proposé de développer une méthode de chargement de cartouches en BTEX à partir d’un matériau de référence gazeux en bouteille, afin de pouvoir disposer de cartouches de référence qui pourront être ensuite utilisées notamment pour l'étalonnage des systèmes analytiques et pour l’évaluation des performances des laboratoires à l’analyse des prélèvements de BTEX sur cartouches.
 
L'objectif final est de disposer des tubes chargés suivants :  

• des échantillonneurs actifs de type Carbopack X chargés en BTEX,
• des échantillonneurs passifs de type Radiello  – Carbograph 4 chargés en BTEX,
• des échantillonneurs passifs de type Perkin-Elmer – Carbopack B chargés en BTEX.

L'étude  menée  en  2010  a  porté  dans  un  premier  temps  sur  le  développement  de  la méthode    d'analyse    des cartouches  chargées en BTEX avec le nouveau chromatographe en phase gazeuse ATD 350 / Clarus 600 (Perkin-Elmer). Après mise en place  et  optimisation  des  paramètres  et  des  conditions  opératoires,  les  performances métrologiques  de  la  méthode  d'analyse  des  cartouches  chargées  en  BTEX  ont  été déterminées sur ce nouvel appareil.
Les  premiers  essais  de  répétabilité  et  de  linéarité  ne  conduisaient  pas  à  des  résultats satisfaisants.
Cependant, grâce aux modifications apportées au système de prélèvement et à la correction de la valeur de la longueur de la  colonne paramétrée dans le Clarus 600, la répétabilité et la linéarité ont été significativement améliorées et correspondent à notre cahier des charges : la répétabilité est inférieure à 1% et le coefficient de linéarité (R2) est supérieur à 0,999.
 
Dans un second temps, des essais ont été effectués pour déterminer la justesse de la méthode et pour pouvoir valider l'ensemble du processus (chargement et analyse). Ces essais  ont  consisté  à  analyser  des  cartouches  chargées  en  BTEX  par  le  NPL.  Les  essais réalisés montrent des écarts significatifs entre les masses de BTEX certifiées par le NPL et les masses analysées par le LNE (de l'ordre de 10%). Des essais complémentaires menés au LNE n'ont pas permis d'apporter des explications aux écarts observés entre le NPL et le LNE.
Pour poursuivre les investigations, le LNE s'est proposé d'impliquer deux autres laboratoires, à savoir le Laboratoire Interrégional de Chimie du réseau de surveillance de la qualité de l'air en  Alsace  (GIE-LIC)  et  l'Institut  National  de  l'Environnement  Industriel  et  des  Risques (INERIS). Des tubes chargés par le LNE ont été analysés par le NPL, par l'INERIS et le GIE-LIC et des tubes chargés par le NPL ont été analysés par l'INERIS et le GIE-LIC.
Concernant  les  tubes  chargés  par  le  LNE,  les  résultats  obtenus  montrent  des  masses analysées par le NPL plus faibles que les masses chargées du LNE pour tous les composés avec  des  écarts  relatifs  allant  de  3%  pour  le  benzène  à  10%  pour  les  xylènes,  ce  qui confirment bien ceux obtenus précédemment. Par contre, les écarts obtenus entre les masses chargées  du  LNE  et  celles  analysées  par  l'INERIS  et  le  GIE-LIC  sont  faibles  (globalement inférieurs à 5 %) par rapport à ceux obtenus entre le LNE et le NPL (de l'ordre de 10 %).
Concernant  les  tubes  chargés  par  le  NPL,  il  est  constaté  des  écarts  importants  entre  les masses chargées fournies par le NPL et celles analysées de l’INERIS et du GIE-LIC : ces écarts sont globalement de 10 %, comme ceux constatés entre le LNE et le NPL.
Ces essais tendaient donc à montrer que le problème se situait au niveau du NPL.

Les différents résultats ont été rapidement communiqués au NPL qui a effectué lui-même un certain nombre de vérifications.
A la suite des recherches menées, il s'est avéré qu’ils appliquaient une double correction de la température  sur  le  débit  du mélange  gazeux  passant  à  travers  les  cartouches lors du chargement.  Le  NPL  a  déterminé  que  l'application  de  cette  double  correction  induisait  un écart de 8 à 11% sur les masses chargées.
A la suite de ces investigations, dans le cas des tubes chargés par le NPL, les écarts relatifs ont été recalculés entre les masses chargées corrigées du NPL et les masses analysées de l’INERIS et du GIE-LIC : ces calculs conduisent à des valeurs globalement inférieures à 5 %.
Les différents essais réalisés ont donc conduit à identifier la cause du problème au niveau du NPL. La correction de ce problème a permis d'obtenir des résultats cohérents entre le NPL, le LNE,  l'INERIS  et  le  GIE-LIC  au  vu  des  incertitudes  :  il  est  à  noter  que  le  NPL  donne  une incertitude de 5 % sur ses masses chargées de BTEX sur cartouches.
 
Suite  aux  explications  fournies  par  le  NPL,  il  est  prévu  pour  début  2011  de  réaliser  de nouveaux chargements de cartouches au LNE et de les faire analyser par le NPL ; de même, le  NPL  propose  de  remplacer  les  tubes  que  nous  avions  achetés  par  de  nouveaux  tubes chargés en BTEX que le LNE analysera et comparera à des tubes chargés du LNE. L'objectif de ces essais est de finaliser la validation de l'ensemble du processus de mesure comprenant le chargement et l'analyse de  cartouches de BTEX développé par le LNE en 2010 dans le cas des 3 adsorbants (Carbopack X, Carbograph B et Carbograph 4).
Les AASQA effectuent régulièrement des prélèvements de BTEX dans l'air ambiant sur des échantillonneurs actifs ou passifs qui sont ensuite analysés par des laboratoires d’analyse.
En  2011,  le  LNE  propose  d'organiser  un  exercice  d'intercomparaison  qui  consistera  à  faire analyser par ces laboratoires, des tubes de Carbopack X, de Carbograph 4 et de Carbograph B chargés en BTEX.
Deux séries de tubes devront être analysées par les laboratoires.
Le LNE réalisera le chargement de cartouches par voie gazeuse à partir de mélanges gazeux de référence gravimétriques du LNE en mettant en œuvre la méthode développée au cours de l'année 2010.  
Afin de mimer au mieux un prélèvement passif et de fournir aux laboratoires des matériaux d’essais  aussi  proches  que  possible  de  tubes  prélevés  par  diffusion,  des  tubes  seront exposés dans la chambre d’exposition de l’INERIS à une concentration  constante, maîtrisée et contrôlée (par analyseur en continu) de BTEX.