Comparaison métrologique d’analyseurs de polluants gazeux atmosphériques - Application aux analyseurs d’ammoniac
La détermination sélective des polluants atmosphériques dans les phases gazeuse et particulaire apparaît comme d’un grand intérêt pour la compréhension et l’interprétation de la chimie de l’atmosphère et des modes de transfert des polluants.
Parmi les polluants gazeux azotés, l’ammoniac NH3 est le troisième composé le plus abondant dans l’atmosphère après le diazote N2 et le monoxyde d’azote NO. Par ailleurs, l’ion ammonium NH4+ (associé aux sulfates SO42-, nitrates NO3- ou chlorures Cl-), présent en quantité non négligeable dans les dépôts atmosphériques mais aussi dans la fraction particulaire, est issu principalement de la transformation de l’ammoniac NH3. Ces dépôts d’espèces azotées sous forme de retombées sèches ou humides (précipitations) présentent outre l’impact sanitaire, un rôle important dans les processus d’eutrophisation et d’acidification des sols et donc un impact sur les écosystèmes.
Une des difficultés du suivi de l'évolution à long terme des niveaux de ce polluant réside dans la connaissance partielle des sources d'ammoniac liées essentiellement aux activités agricoles (élevage, culture). L'ammoniac est le plus mal connu des polluants cités dans la Directive NEC-2 (EU-2016/2284) et les cadastres d'émission restent peu précis, ce qui rend la surveillance globale et systématique techniquement difficile.
Il apparait donc important de développer une approche métrologique pour la mesure de l’ammoniac afin de mieux appréhender ce polluant gazeux. Cela permettra de définir l’exactitude des instruments de mesure utilisés et le niveau de confiance à accorder aux résultats de mesure ; lequel se quantifie par l’incertitude de mesure.
Un étalon d’ammoniac dans l’air basé sur la méthode de génération dynamique par perméation en phase gazeuse sur une gamme de fractions molaires allant de 1 à 400 nmol/mol (1 à 400 ppb) a été développé et permet le raccordement et l’étalonnage dans les laboratoires du LCSQA-LNE, des analyseurs automatiques, avec des incertitudes élargies relatives inférieures à 2 % (k=2). Néanmoins, ce raccordement ne peut être délocalisé jusqu’à la station de mesure et l’article 16 de l’arrêté du 16 avril 2021 relatif au dispositif national de surveillance de la qualité de l'air ambiant requiert des AASQA la participation aux comparaisons inter laboratoires (CIL) préconisées par le LCSQA. Or à ce jour, ces essais de comparaison n’existent que pour les polluants réglementés.
Six AASQA, deux laboratoires de recherche et le LCSQA (représenté par IMT Nord Europe) ont participé aux premiers exercices de comparaison dédiés à la mesure spécifique d’ammoniac avec deux objectifs principaux : (i) valider la faisabilité technique de la génération d’un mélange gazeux d’ammoniac dans une ligne spécifique ; (ii) évaluer le biais potentiel en comparant des analyseurs automatiques d’ammoniac utilisant différents principes de mesure.
La ligne de prélèvement des gaz a montré son applicabilité pour la génération de concentrations stables et répétables en ammoniac sur une gamme allant jusqu’à 50 ppb et avec des durées de stabilisation, autant sur gaz de zéro qu’en point d’échelle inférieures à 5 minutes.
Les résultats ont montré une bonne cohérence des mesures pour la majorité des instruments testés et aussi bien sur une matrice synthétique générée avec de l’ammoniac dilué dans de l’air sec que sur les mesures réalisées directement en air ambiant (écarts relatifs systématiques à la médiane jusqu’à plus de 25%). Par ailleurs, certaines technologies semblent plus à même de suivre les variations de la dynamique temporelle des concentrations et d’atteindre des limites de détection inférieures à 0,50 ppb avec des répétabilités de mesure meilleures que 1%.
Inter-Laboratory Comparison for gaseous pollutants – Application to ammonia analysers
The selective determination of atmospheric pollutants in the gaseous and particulate phases appears to be of great interest for the understanding and interpretation of the atmospheric chemistry and the transfer of pollutants.
Ammonia (NH3) is the third most abundant nitrogen compound in the atmosphere after dinitrogen N2 and nitric oxide NO. Furthermore, ammonium ions NH4+ (in association with SO42-, NO3- or Cl-), are present in significant quantities in atmospheric deposition but also in the particular fraction and come mainly from the transformation of NH3. These dry or wet deposition have, in addition to the health impact, an important role in eutrophication or soil acidification.
One of the difficulties in monitoring the long-term evolution of pollution levels is due to the lack of knowledge of the sources of ammonia essentially linked to agricultural activities (livestock, soil cultivation).
Ammonia is the most poorly known of the pollutants cited in the NEC-2 Directive (EU-2016/2284) and the emission registers remain imprecise, which makes global and systematic monitoring technically difficult.
It therefore seems important to develop a metrological approach for measuring ammonia in order to better understand this gaseous pollutant. This will define the accuracy of the measuring instruments used and the level of confidence to be given to the measurement results; which is quantified by the measurement uncertainty.
A standard for ammonia in air based on the dynamic generation method by gas phase permeation over a wide range of mole fractions from 1 to 400 nmol/mol (1 to 400 ppb) with relative expanded uncertainties of less than 2% (k=2) has been developed by LNE in France for automatic analyzers. Nevertheless, this control cannot be done in measuring station. In addition, the article 16 of the decree of April 16, 2021 relating to the national ambient air quality monitoring system requires for monitoring networks to participate to intercomparisons exercces. However, to date, these exercices only exist for regulated pollutants.
Six French air quality monitoring networks, two research laboratories and the French reference laboratory (represented by IMT Nord Europe) took part in a first intercomparison exercise for ammonia with two main objectives: (i) validate the technical feasibility of generating a gaseous mixture of ammonia in a specific line; (ii) assess potential bias by comparing automatic ammonia analyzers using different measurement principles.
The gas sampling line has shown its applicability for the generation of stable and repeatable ammonia concentrations over a range of up to 50 ppb and with stabilization times, both on zero gas and at scale points below 5 minutes.
The results showed good consistency of the measurements for the majority of the instruments tested on both synthetic matrix generated with ammonia diluted in dry air and on the measurements carried out directly in ambient air (systematic relative deviations from the median up to more than 25%). Furthermore, some technologies seem better able to follow variations in the temporal dynamics of concentrations and to achieve detection limits of less than 0.50 ppb with measurement repeatabilities better than 1%.