Mesures des propriétés physiques

Les appareils de mesures dédiés à la détermination des propriétés physiques des particules sont nombreux et permettent une classification des particules selon leur taille, masse et nombre, leurs propriétés optiques et leur hygroscopicité.

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3.1.1 Mesure de la taille des particules

Plusieurs techniques ont été développées pour la mesure de la taille des particules car leurs effets négatifs sur la santé dépendent de leurs tailles. Ainsi le COP (compteur optique des particules) (Gebhart, 1993) mesure la quantité de lumière diffusée par chaque particule quand elle traverse un faisceau lumineux. Une fraction de la lumière diffusée est captée et dirigée vers un photodétecteur pour être convertie par la suite en une impulsion de tension électrique proportionnelle. La taille de chaque particule est déterminée à partir de l’amplitude de cette impulsion de tension en utilisant une courbe de calibration obtenue à partir de mesures de particules de diamètres connus.

Pour la mesure du diamètre aérodynamique des particules, l’appareil le plus utilisé de nos jours est le DMPS « differential mobility particle sizer » qui comprend un analyseur de mobilité différentiel (DMA) et un détecteur de particules (CNC). Ce système est capable de mesurer des particules ayant une taille de 3 nm à 500 nm. Le DMA permet de classifier les particules selon leur mobilité électrique qui dépend de la propriété du gaz, la charge des particules ainsi que leurs formes géométriques (Flagan, 1998). Le DMA est composé d’un cylindre creux avec une tige métallique concentrique dans le centre ou un aérosol polydispersé (taille des particules non uniforme) sera exposé à un nuage d’ions bipolaire. En effet, la charge des particules qui quittent la tige concentrique sera proche de zéro, mais une fraction de ces particules sera polarisée par une ou deux charges. La fraction des particules chargées qui traversent le cylindre creux augmente avec la taille des particules. Les particules qui possèdent une grande mobilité sont séparées des autres et livrées au détecteur. La distribution complète de la taille des particules est obtenue en effectuant des mesures à un certain nombre de tensions électriques de classement. Les particules qui sont obtenues à chaque tension de classification sont envoyées au détecteur. Le détecteur (CNC) qui est un compteur de noyaux de condensation est capable de mesurer la concentration en nombre des aérosols qui possèdent une taille supérieure à une taille minimale détectable. Le DMPS prend généralement 20 minutes pour mesurer la distribution en taille des particules (Wang et Flagan, 1990). Le temps de mesure est déterminé par le temps nécessaire pour parvenir à un échantillon statistiquement fiable. Le DMPS est la technique la plus utilisée jusqu'à présent pour la mesure de la distribution en taille des particules bien que la précision de cette technique reste difficile à quantifier en raison de l’absence de normes pour l’aérosol polydispersé (Williams et al., 2000).

Pour les particules ayant un diamètre aérodynamique supérieur à 500 nm, la technique APS « Aerodynamic particle sizer » peut être utilisée. Le spectre granulométrique couvert s’étend de 500 à 20000 nm. Dans cette technique, la taille des particules est déterminée par la mesure de leurs

42 temps de vol. Un gaz porteur des particules est utilisé. La différence entre la vitesse du gaz porteur et celles des particules augmente avec la taille et la densité des particules.

La diffusion des particules est aussi utilisée pour déterminer la granulométrie des particules en se basent sur le principe que la diffusion des particules diminue avec leurs tailles. L’appareil utilisé est le DB « diffusion batteries ». Cette technique est utilisée pour déterminer la taille des particules inférieures à 100 nm.

Par ailleurs, l’impacteur en cascade (« cascade impactor ») permet d’échantillonner des particules par fourchette de tailles sur des filtres. La distribution en masse et en composition chimique en fonction des tailles peuvent ensuite être analysées.

3.1.2 Mesure de la masse des particules

La mesure de la concentration en masse des particules est essentielle puisque les normes pour la concentration des particules dans l’atmosphère sont actuellement exprimées en termes de masse par volume d’air. Par ailleurs, il est important pour la recherche scientifique de comprendre la variation spatio-temporelle de la concentration en masse des particules et de leurs composantes principales.

Méthodes manuelles

La méthode la plus utilisée pour la mesure de la concentration en masse des particules est la gravimétrie. Les filtres sont pesés avant et après l’échantillonnage dans des conditions de température et d’humidité contrôlées. Les concentrations massiques sont déterminées en fonction de l’augmentation de la masse du filtre et du volume de l’air échantillonné.

Méthodes automatiques

Les méthodes automatiques dédiées à la mesure de la concentration massique des aérosols sont : La jauge bêta, les cristaux piézo électriques et les instruments oscillants.

Jauge bêta

Elle mesure l’atténuation de 0,01à 0,1 MeV des particules bêta d’une source radioactive à travers un filtre chargé. En effet, les résultats de l’atténuation de la particule bêta par des électrons sont déterminés par la densité surfacique des électrons de l’atome.

Cristaux piézo-électriques

43 ils permettent de déterminer la concentration en masse des particules : Les particules sont polarisées électriquement vis-à-vis du cristal ; la variation de la fréquence du cristal est proportionnelle à la masse des particules.

Eléments harmoniques oscillants (TEOM)

L’instrument est constitué d’un tube conique monté sur une base rigide. Les particules sont recueillies sur un filtre de diamètre de 0,5 cm qui est monté sur l’extrémité droite du tube conique et est libre d’osciller. L’élément vibre à une fréquence qui dépend de ses propriétés mécaniques et géométriques et de la masse du filtre. Au fur et à mesure que les particules sont recueillies au niveau du filtre, la fréquence naturelle de l’élément oscillant diminue. Un système optique est utilisé pour mesurer la fréquence d’oscillation naturelle et les oscillations sont induites électriquement (McMurry et al., 2000). Par ailleurs, un certain nombre d’études menées montre que le TEOM peut sous-estimer la mesure de PM à cause de la volatilisation possible d’espèces semi-volatiles lors de la mesure.