l’Ineris, en tant que membre du LCSQA, développe et utilise "un système de dopage PM pour la réalisation de comparaisons inter-laboratoires des analyseurs automatiques des PM" (DRC-16-152318-06089A). Ce montage s'appuie sur la génération de particules par nébulisation d'un mélange de sulfate d’ammonium et de nitrate d’ammonium dilué dans de l'eau distillée au moyen d'un nébuliseur TSI modèle 3076. Cependant, cette méthode de génération de particules ne produit que des particules ayant une granulométrie limitée à 2,5µm, écartant ainsi la possibilité d'évaluer les performances de mesures pour les particules de plus grosses tailles, comme les particules contribuant à la masse des PM10 par exemple.
L'objectif de cette action était d'évaluer la possibilité de générer des particules ayant une granulométrie supérieure afin de proposer une évolution du protocole de comparaisons inter-laboratoires des analyseurs automatiques des PM.
Dans un premier temps, l'impact du nébuliseur sur la concentration massique et la granulométrie des particules générées à partir de la même solution saline que le dispositif actuel a été étudié. Pour cela, 3 nébuliseurs couramment utilisés dans des appareils de spectrométrie de masse à plasma à couplage ont été testés, car ils ont la particularité de présenter des diamètres de coupure de particules très supérieurs (75µm à 300 µm) à celui du TSI modèle 3076. Ces essais ont montré que quel que soit le nébuliseur utilisé (Seaspray, Slurry et Veespray), c’est-à-dire quelle que soit la limite imposée par le diamètre de coupure du système, la génération à partir de solution saline produit des particules présentant une granulométrie centrée autour de 600nm (mesure effectuée au moyen d'un APS TSI modèle 3321), correspondant majoritairement à la fraction PM2,5 (mesure massique effectuée à l'aide d'une méthode optique FIDAS 200). Néanmoins, les nébuliseurs Slurry et Veespray ont permis la génération de particules présentant une granulométrie comprise entre 2,5 et 3,5µm, au prix d'une instabilité de génération caractérisée par un écart-type plus important (entre 1,5 et 3 fois). Ainsi, les meilleurs résultats pour réaliser un dopage particulaire au moyen d’une génération d’aérosols salins ont été obtenus par le nébuliseur Seaspray, notamment grâce à sa simplicité d’utilisation couplée à une génération continue et stable sur le long terme.
Dans un second temps, une génération au moyen d’une dispersion de poudre d’Arizona a permis de montrer qu'il est possible de générer des particules de gros diamètre. En effet, même si la répartition granulométrique reste centrée autour de 600nm, la présence de particules de plus gros diamètre a un impact majeur sur la fraction PM10. C'est en particulier le cas avec le nébuliseur Veespray, qui est le seul nébuliseur (sur les 3 testés) ayant permis de générer des particules sur l'ensemble de la gamme granulométrique de la poudre d'Arizona, c’est-à-dire de 0,5µm à 20µm. Ceci est notamment dû à l’utilisation d’une pompe péristaltique qui améliore la stabilité du circuit d'alimentation en solution de dopage et semble permettre une meilleure homogénéité.
L'utilisation simultanée des nébuliseurs Seaspray et Veespray a montré la possibilité d'ajouter, dans la matrice de dopage, la fraction PM10 sans impacter négativement la concentration de PM2,5. Cette approche pourrait être utilisée lors de futurs exercices de comparaisons inter-laboratoires des analyseurs automatiques de PM, la concentration de PM10 étant restée pour le moment, lors des CIL, totalement dépendante de la concentration naturellement présente en air ambiant. Cette approche permet ainsi d'allier les avantages des deux nébuliseurs utilisés pour la génération : stabilité et présence de particules ayant un diamètre supérieur à 2,5µm.
Enfin, la dernière partie de l'étude a permis de confirmer que les fortes concentrations d’ozone présentes dans la matrice d'air n'impactent pas la génération de particules à partir d'une solution saline ou d'une dispersion de poudre d'Arizona. Les résultats ont montré que, malgré la présence d'une variation de concentration de PM lors des essais avec la solution saline attribuable à des changements de rapports de dilution, ni la présence d’ozone ni ses variations rapides de concentration n'ont provoqué de changement sur la concentration massique ou sur la répartition granulométrique des particules.
Improvement of the enhanced PM system based on real air matrix
During the last years, as a member of the LCSQA, Ineris has been developing and using "a PM enhanced system for inter-laboratory comparisons of automatic PM analysers" (DRC-16-152318-06089A). This facility is based on particle generation by nebulising a mixture of ammonium sulphate and ammonium nitrate diluted in distilled water using a TSI model 3076 nebuliser. However, this method of generation only produces particles with a distribution size limited to 2.5µm, excluding the possibility of evaluating the performance of measurements for the sole larger particles, such as those contributing to the PM10 mass.
The objective of this action is to evaluate the possibility of generating particles with a larger granulometry in order to propose an evolution of the protocol for inter-laboratory comparisons of automatic PM analysers.
Firstly, the impact of the nebuliser on the mass concentration and granulometry of particles generated from the same saline solution as the current device was studied. For this purpose, 3 nebulisers commonly used in coupled plasma mass spectrometry devices were tested, as they have the particularity of having much larger particle cut-off diameters (75µm to 300 µm) than the TSI model 3076. These tests showed that whatever the nebuliser used (Seaspray, Slurry and Veespray), i.e. whatever the limit imposed by the cut-off diameter of the system, the generation from saline solution produces particles with a particle size centred around 600nm (measurement carried out by means of a TSI model 3321 APS) corresponding mainly to the PM2.5 fraction (mass measurement carried out by means of an optical FIDAS 200 method). Nevertheless, the Slurry and Veespray nebulisers allowed the generation of particles with a particle size between 2.5 and 3.5µm, at the cost of a generation instability characterised by a higher standard deviation (between 1.5 and 3 times). Thus, the best results for particle spiking by means of saline aerosol generation were obtained by the Seaspray nebuliser, in particular thanks to its simplicity of use coupled with a continuous and stable generation over the long term.
In a second phase, a generation using an Arizona powder dispersion showed that it is possible to generate large diameter particles. Indeed, even if the particle size distribution remains centred around 600nm, the presence of larger diameter particles has a major impact on the PM10 fraction. This is particularly the case with the Veespray nebuliser, which is the only nebuliser (out of the 3 tested) that was able to generate particles over the entire particle size range of the Arizona powder, i.e. from 0.5µm to 20µm. This is due in particular to the use of a peristaltic pump which improves the stability of the spiking solution feed circuit and seems to allow better homogeneity.
The simultaneous use of the Seaspray and Veespray nebulisers showed the possibility of adding the PM10 fraction to the spiking matrix without negatively impacting the PM2.5 concentration. This approach could be used in future inter-laboratory comparisons of automatic PM analysers, as the PM10 concentration is still totally dependent on the concentration naturally present in ambient air. This approach allows to combine the advantages of the two nebulisers used for the generation: stability and presence of particles with a diameter higher than 2.5µm.
Finally, the last part of the study confirmed that the high ozone concentrations present in the air matrix do not impact the generation of particles from a saline solution or an Arizona powder dispersion. The results showed that, although there was a variation in PM concentration in the saline tests due to changes in dilution ratios, neither the presence of ozone nor its rapid variations in concentration caused any change in mass concentration or particle size distribution