Étude : Évaluation des analyseurs automatiques de métaux dans les particules atmosphériques par fluorescence X

Date

Mercredi 13 juillet 2016

Depuis plusieurs années les instruments de mesures automatisés pour la surveillance et la caractérisation de la composition chimique des particules atmosphériques (PM₁₀, PM_2.5) se développement et sont mis en œuvre sur le terrain. Ils permettent un suivi avec une plus grande résolution temporelle que les méthodes par prélèvement sur filtres, et ainsi d’obtenir une information quasi immédiate sur la composition chimique des particules, voire une estimation des sources d’émissions de polluants particulaires.

Les appareils de mesure automatisés des métaux par fluorescence X font partie de cette nouvelle famille d’instruments de mesure.

Les caractéristiques des instruments de mesures automatisés de métaux dans les particules atmosphériques par fluorescence X constituent un progrès encourageant dans le domaine de la surveillance de polluants particulaires. Ces instruments sont susceptibles de limiter à la fois le coût des analyses et de la main d’œuvre tout en apportant des informations supplémentaires notamment lorsqu’ils sont couplés à de la modélisation et des traitements statistiques. En effet, les grands jeux de données ainsi collectés peuvent être intégrées dans des modèles de type source-récepteurs (ex : US EPA PMF 5.0) afin d’identifier et de quantifier la contribution relative des principaux émetteurs de particules.

L’analyse automatique des métaux un outil complementaire

Les ACSM (Aerosol Chemical Speciation Monitor) et Aethalomètre (analyse du Black Carbon), en cours de déploiement sur le territoire français ont été sélectionnés pour de la caractérisation en continu, en raison de leur robustesse, leur grande autonomie et leur fréquence d’acquisition. Cependant, ces instruments mesurent principalement la fraction organique et les sels inorganiques (nitrate, sulfate, ammonium, chlore), issues de particules primaires et secondaires.

La méthode de mesure automatique en continu par fluorescence X est donc complémentaire car elle permet la caractérisation d’un large panel d’éléments métalliques. Les métaux sont connus pour être de bons traceurs conservatifs des émissions de particules primaires anthropiques (industrie, trafic automobile, chauffage, production d’énergie, …) ou naturelles (sels marin, érosion des sols, volcans …).

Une technologie éprouvée avec des perspectives encourageantes

La fluorescence X est déjà largement employée pour l’analyse des éléments traces dans les PM₁₀ collectées sur filtres (prélèvements journaliers à bas débit) pourla surveillance de la qualité de l’air dans d’autres pays européens (ex : Belgique). Cette méthode, non destructive, relativement sensible et rapide (aucune préparation de l’échantillon) ne nécessite aucun réactif ou gaz pour son fonctionnement, en faisant ainsi un bon candidat pour des instruments de terrain.

Elle est donc mise en œuvre depuis quelques années sur des appareils de mesure combinant à la fois la partie prélèvement et l’analyse des éléments métalliques particulaires en direct sur des sites de surveillance de la qualité de l’air. On retrouve parmi eux le AMMS-100 (Focused Photonics Inc.),le EHM-X100 (SkyRay), le Xact 625/630 (Cooper Environmental) et le PX 375 (HORIBA) qui ont fait l’objet d’une note technique du LCSQA à paraitre en 2016.

photo : PX375 d’Horiba installé à Doriginies (59) lors des essais réalisés par Mines Douai

Les premiers résultats issus de certains de ces instruments actuellement commercialisés sont encourageants pour un certain nombre d’éléments métalliques majeurs (Potassium, Cuivre, Zinc, Plomb, Manganèse, Fer, …) mais des essais plus poussés devraient être entrepris pour mieux évaluer les limites techniques, les contraintes financières et les moyens humains à mettre en œuvre.

Cependant, l’utilisation d’un analyseur par fluorescence X pour un suivi en continu des métaux réglementés (Arsenic, Cadmium, Nickel, Plomb) dans les PM₁₀ n’est pas préconisée du fait des limites de détection insuffisantes, notamment pour l’Arsenic et le Cadmium.

Des applications multiples en lien avec le traçage des sources de particules

Les principales applications potentielles pour ce type d’instrument sont la surveillance de la qualité de l’air en proximité industrielle, l’étude des sources par des modèles de type source-récepteurs notamment en lien avec des mesures de vitesse et de direction de vent, la mise en évidence de pics de pollution et la gestion des risques et des situations d’urgence.

L’analyse par fluorescence X est une technique d'analyse chimique utilisant une propriété physique de la matière, la fluorescence de rayons X. Lorsque l'on bombarde de la matière avec des rayons X, la matière réémet de l'énergie sous la forme, entre autres, de rayons X ; c'est la fluorescence X, ou émission secondaire de rayons X dont l’énergie et l’intensité renseignent sur la présence d’éléments métalliques et leur teneurs dans le matériau étudié.

En savoir plus

Lire la note technique LCSQA « évaluation du potentiel technique et scientifique des analyseurs en continu de métaux dans les PM₁₀ par fluorescence X » - Espace documentaire du site LCSQA (www.lcsqa.org)

Pour plus d’information : laurent.alleman@mines-douai.fr