Emissions de POA

Les facteurs d’émission de l’aérosol organique primaire par la combustion de biomasse sont extrêmement variables. Ils dépendent entre autre de la nature du bois et de sa qualité (Sippula et al., 2007, Weimer et al., 2008), du type d’appareillage (Johansson et al., 2004, Alves et al., 2011, Bäfver et al., 2011, Lamberg et al., 2011, Riva et al., 2011, Fernandes and Costa, 2012), des conditions d’utilisation des appareillages (Gonçalves et al., 2011, Win et al., 2012, Bruns et al., 2015), ou encore du protocole de prélèvement (Brandelet, 2016). La littérature fait ainsi état de facteurs d’émission de POA compris le plus souvent entre 0.1 g.kg^-1 dans le cadre de combustion les plus performantes à plusieurs dizaines de g.kg^-1 pour les combustions les moins performantes. A titre de comparaison, dans un rapport de 2003, l’ADEME et le Centre Interprofessionnel Technique d'Etudes de la Pollution Atmosphérique (CITEPA) faisaient état des facteurs d’émission moyens de PM2.5 suivants⁹ (Allemand, 2003):

- Pour les appareillages anciens (< 1996) ou foyers ouverts, un facteur d’émission de 29 g.kg^-1,

- Pour les appareillages dits récents (> 1996), un facteur d’émission de 8 g.kg-1

,

- Pour les appareillages dits performants (> 1996, haut rendement), un facteur d’émission de 3.3 g.kg^-1.

La composition chimique de ces émissions est fondamentalement liée à la composition du fuel d’origine. Les travaux de Simoneit et al. (1993), Fine et al. (2001), Fine et al. (2002), (2004), Nolte et al. (2001), Schauer et al. (2001), Schmidl et al. (2008) proposent une revue exhaustive des facteurs d’émission de composés organiques par la combustion de biomasse. La partie présentée ci-dessous est une synthèse de leurs observations.

FIGURE 1.33 – Structures de saccharides anhydrides issus de la réaction de pyrolyse de la cellulose.

Le lévoglucosan, ou 1,6-anhydro-β-D-glucopyranose (Figure 1.33), qui résulte de la réaction de pyrolyse de la cellulose, est de manière générale, le composé le plus abondamment émis. Il peut représenter jusqu’à 50 % de la masse totale de l’aérosol organique, et sa concentration dans les milieux fortement impactés par le chauffage au bois peut atteindre plusieurs µg.m^-3. Il est, à ce titre, le principal traceur de combustion de biomasse (Simoneit et al., 1999). La

9 Facteurs d’émission convertis en g.kg^-1 depuis des g.GJ^-1 d’après le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) du Hêtre = 5140 kwh.tonne^-1.

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dégradation de l’hémicellulose conduit de façon analogue à la formation des deux isomères du lévoglucosan : le mannosan et le galactosan dans des proportions qui varient typiquement de 3:1 à 20:1 (lévoglucosan:mannosan) et 50:1 à 100:1 (lévoglucosan:galactosan).

La réaction de pyrolyse de la lignine contribue à former des méthoxyphénols. Ces composés sont caractérisés par une structure très similaire à la structure du polymère dont ils sont issus. De la dégradation du conyféryl alcool résulte ainsi le guaïacol (2-méthoxyphenol) et autres dérivés de type guaïacyl, comme la vanilline, le coniféryl aldéhyde, ou encore l’acétovanilone (Figure 1.34). Ils sont généralement émis dans des proportions moindres que le lévoglucosan, mais restent des composés importants de ce type d’émission (Figure 1.36). Le sinapyl alcool est quant à lui le précurseur de syringol et de ses dérivés de type syringil (Figure 1.35). Les plus abondants en phase particulaire sont l’acétosyringone, le syringaldéhyde, l’acide syringique et le syringyl acétone. La lignine des bois durs contient généralement une plus grande quantité de sinapyl alcool, et les émissions issues de la combustion de ces bois contiennent une plus grande fraction de dérivés de type syringil. A l’inverse, la lignine des bois tendres est consituée quasi-exclusivement de conyféryl alcool. Dès lors, les émissions sont plus riches en dérivés de type guaïacyl (Fine et al., 2001, Ek et al., 2009). Enfin le coumaryl est précurseur de composés de type anisyl, émis néanmoins en plus faible quantité et généralement moins étudiés.

FIGURE 1.34 – Structures chimiques des composés dérivés du guaïacol et issus de la dégradation du conyféryl alcool.

FIGURE 1.35 – Structures chimiques des composés dérivés du syringyl et issus de la dégradation du synapyl alcool.

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Les émissions de PAHs et autres polluants organiques persistants (POP) (i.e. les polychlorodibenzo-p-dioxines et furanes (PCDD/Fs) et polychlorobiphenyls (PCB)) sont quasi-négligeables au regard des émissions de lévoglucosan (< 1 % en moyenne du lévoglucosan). On détecte aussi certains PAHs oxygénés (fluorenone, xanthone etc.) et méthylés (méthylphénanthrène, méthylanthracène etc.). On notera également, et comme il est indiqué dans le Tableau 1.5, que les facteurs d’émission des PAHs issus de la combustion de bois sont, à l’exception du naphtalène, 1 à 2 ordres de grandeurs plus importants que ceux issus des émissions des véhicules diesel dont les émissions de particules fines ont été classées cancérigènes par l’OMS en 2012 (Silverman et al., 2012). Quant aux PCDD/Fs et PCBs on mesure des concentrations à l’émission, de l’ordre de quelques ng.m^-3 à plusieurs µg.m^-3, des valeurs minimes donc, mais qu’il convient comme les PAHs de rapporter également en termes d’équivalent toxicité (ou TEQ).

TABLEAU 1.5 – Facteurs d’émission en mg kg-1 de quelques PAHs pour un poêle à bois et un véhicule diesel (Nussbaumer et al., 2010).

La proportion de EC dans les émissions de combustion de biomasse est relativement faible comparée à l’OC. Le rapport OC/EC moyen de ce type d’émissions est compris entre 4 et 9 (à comparer avec la valeur de 0.6 citée pour le secteur du transport routier) (US-Environmental Protection Agency, 2012).

mg/kg Poêle à Bois Diesel

Naphtalène 13 42 Acenaphtylène 129 7.1 Acenaphtène 17 <3 Fluorène 173 <3 Phenanthrène 231 3.7 Anthracène 65 <3 Fluoranthrène 154 <3 Pyrène 170 <3 Chrysène 54 <3 Benzo(a)anthracène 44 <3 Benzo(b)fluoranthrène 30 <3 Benzo(k)fluoranthrène 11 <3 Benzo(a)pyrène 25 <3 Indéno(1,2,3-cd)pyrène 9 <3 Dibenzo(a,h)anthracène <8 <3 Benzo(g,h,i)perylène <8 <3 Total HAP 1120 53

65 FIGURE 1.36 – Exemple de la composition chimique de la phase particulaire d’émissions de combustion de bois (Frêne) (Fine et al., 2002). L’UCM pour Unresolved Complex Mixture représente la fraction non résolue chromatographiquement de l’aérosol organique.