Amélioration de la qualité des étalonnages

Les analyseurs de gaz utilisés par les Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA) dans les stations de mesure sont étalonnés au point zéro et au point échelle avec des gaz d’étalonnage, ce qui permet de garantir la justesse des mesures de pollution atmosphérique.

Le LCSQA/LNE raccorde périodiquement les gaz d’étalonnage au point échelle des AASQA par comparaisons analytiques des concentrations à un étalon de référence en utilisant un moyen analytique.
La qualité du moyen analytique utilisé est donc un élément « clé » pour réaliser ces raccordements, car il peut induire un biais ou des incertitudes élevées, s’il ne présente pas des performances métrologiques suffisantes.
Dans le cas du polluant NO2, l'analyse actuelle est basée sur une méthode indirecte : en effet, le composé NO2 est d'abord converti en NO par l’intermédiaire d’un four de conversion contenant du molybdène, avant d'être analysé par chimiluminescence en présence d’ozone.

Cette technique pose non seulement un problème de traçabilité du fait de son fonctionnement, mais peut également engendrer une erreur liée au rendement de conversion du four et à sa non-sélectivité, car d’autres molécules peuvent être converties et donc assimilées par erreur à du NO2. Sur cette thématique, le premier objectif de 2013 a consisté à effectuer une étude de faisabilité portant sur la réalisation d’étalonnages pour NO et NO2 avec le spectromètre DUAL QC-TILDAS-210 et la
comparaison entre les résultats obtenus par méthode optique et par chimiluminescence.

Cette étude montre que pour NO et NO2, les résultats d’étalonnage obtenus par méthode optique avec le spectromètre DUAL QC-TILDAS-210 ne sont pas significativement différents de ceux obtenus par chimiluminescence, et que les incertitudes élargies sont du même ordre de grandeur.

Concernant l’analyse du NO2, l’avantage d’utiliser une méthode optique permet de s’affranchir de possibles biais analytiques, puisque cette méthode permet d’analyser directement le NO2 sans mettre en oeuvre un convertisseur au molybdène susceptible de convertir d’autres molécules comme dans la méthode par chimiluminescence. Néanmoins, la technique optique utilisée dans cette étude met en oeuvre une cellule d’absorption multi-passages ayant un grand volume (5 litres), ce qui peut induire des problèmes d’adsorption/désorption, des temps de stabilisation élevés…

Le second objectif de 2013 a donc porté sur la réalisation d’une étude bibliographique des autres méthodes optiques pour la mesure du NO2 qui fonctionnent notamment avec des cavités optiques ayant des volumes plus faibles en vu de remplacer les appareils basés sur la chimiluminescence utilisés actuellement par le LCSQA/LNE pour étalonner les mélanges gazeux des AASQA.

Plusieurs appareils du commerce basés sur des techniques optiques sont disponibles sur le marché, à savoir l’analyseur optique QCL (Aerodyne Research), l’analyseur optique OA-ICOS (Los Gatos) et  l’analyseur optique CAPS (Aerodyne Research) ou CAPS (Environnement SA). L’étude technique montre que les récentes évolutions des techniques analytiques basées sur des mesures optiques permettent d’effectuer des mesures directes du NO2 avec des sensibilités très intéressantes et que les appareils proposés sur le marché semblent avoir de bonnes performances métrologiques.Néanmoins, ils ne nous permettent pas de maîtriser totalement les paramètres spectroscopiques nécessaires à une mesure absolue d’autant plus que leurs coûts sont relativement élevés.

Le LCSQA/LNE a acquis une solide expérience dans le cadre d’un projet européen (Metrology for chemical pollutants in air) dont l’objectif était de développer une méthodologie pour réaliser des mesures absolues de concentration par méthode optique. Fort de ces compétences acquises et d’une collaboration avec le LNE-CNAM, il nous a semblé judicieux de développer un appareil spécifique pour la mesure du NO2 dont nous pourrons maîtriser l’ensemble des paramètres à un coût équivalent à celui des appareils actuellement commercialisés.

Suite aux échanges techniques engagés avec l’Université de Grenoble (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique), nous avons orienté notre choix vers une méthode optique « dérivée » de la méthode CRDS (Cavity Rings Down Spectroscopy) classique. Cette méthode appelée IBB-CEAS (Incoherent Broadband - Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy) est relativement simple à mettre en oeuvre et présente une grande compacité, robustesse, sensibilité à un coût relativement faible. Elle permet également de calculer la concentration d’après les données spectroscopiques connues et d’obtenir des mesures absolues : en conséquence, il n’est pas nécessaire d’étalonner le système de mesure.
Les différents éléments constitutifs du système ont été commandés courant novembre 2013 et devraient être réceptionnés au cours du 1er trimestre 2014. Le montage du système sera ensuite effectué au cours de l’année 2014 en assemblant les différents éléments et des premiers essais de caractérisation seront effectués.
Concernant les gaz de zéro, ces derniers prennent de plus en plus d’importance dans le domaine de la qualité de l'air, notamment dans la mesure où, pour certains polluants les teneurs en air ambiant extérieur sont de plus en plus faibles, induisant un besoin de maîtrise et de qualité des gaz mis en oeuvre pour le réglage du zéro des analyseurs. Cela s’est d’ailleurs traduit par des spécifications techniques sur les gaz de zéro particulièrement strictes dans les normes EN récemment sorties fin
2012 / début 2013.
Pour déterminer les concentrations de NO, NO2, SO2 et CO dans les gaz de zéro, le LCSQA/LNE a développé une méthode d’analyse mettant en oeuvre un spectromètre de type « Tunable Infrared Laser Absorption » de marque DUAL QC-TILDAS-210 (Aerodyne Research). La méthode étant opérationnelle, le LCSQA/LNE contrôle les gaz de zéro en bouteille des niveaux 2. Cependant, ce type de transfert n’est pas forcément celui qui est utilisé en station par un niveau 3, qui recherche une
solution plus pragmatique et polyvalente telle que celles décrites dans la norme NF X43-055 (Air ambiant - Métrologie appliquée au mesurage des polluants atmosphériques gazeux - Prélèvement d'air ambiant et mise en oeuvre des gaz d'étalonnage - 2007). Ce sont par exemple des épurateurs chimiques en cartouches ou la génération de gaz de zéro intégrée aux dispositifs d’étalonnage portables.
Des tests ont ainsi été menés en 2013 par le LCSQA/MD sur des systèmes de génération d’air de zéro utilisés sur le terrain en AASQA, principalement sur des dispositifs intégrés aux étalons de transfert tels que les diluteurs / générateurs portables. L’objectif a été de vérifier leurs caractéristiques dans le cadre d’un fonctionnement usuel et le respect par rapport aux spécifications techniques des normes CEN, par rapport à la chaîne de vérification mise en place par le LCSQA/LNE et selon une
méthodologie spécifique. Des systèmes portables dédiés à la génération de gaz de zéro ont été identifiés (modèles 751 et 751H de la marque américaine API, distribuée en France par le distributeur Envicontrol). Ils feront l’objet de tests dès leur commercialisation prévue pour 2014, en parallèle avec les dispositifs « faits maison » (cartouches d’épurateurs chimiques spécifiques mis en série).