Le Préleveur conventionnel : Le préleveur grand volume (High-Volume Air Sampler, HVS)

La grande majorité des prélèvements simultanés de HAP en phases gazeuse et particulaire sont réalisés avec des préleveurs grand volume dits aussi préleveurs haut-débit (angl. High-vol) (Peltonen et Kuljukka, 1995 ; Turpin et al., 2000). Ce type de préleveur est la référence pour le prélèvement simultané des HAP gazeux et particulaire en Europe et aux Etats-Unis (Commission européenne, 2001 ; US EPA, 1999).

• Description et fonctionnement

Le dispositif est constitué d’un filtre (GFF, QFF, TMF, ou filtre en fibres de verre téflonnés PTFE) suivi d’un adsorbant solide (PUF, Tenax, ou PUF + XAD-2). L’air est aspiré à l’aide d’une pompe et passe au travers d’un filtre où les particules restent piégées. La cartouche d’adsorbant solide placée en aval du filtre piège les composés gazeux (figure II.3.).

Figure II.3. Schéma d’un préleveur grand volume. Tête de prélèvement PM10 ou PM2,5 Filtre à particules Adsorbant solide (Mousse PUF ou résine XAD-2) HAP gazeux Particules + HAP

Le grand débit de pompage (30 à 40 m³.h^-1, malgré les pertes de charge créées par le filtre et l’adsorbant solide) permet de piéger des quantités détectables de HAP en un minimum de temps (quelques heures en milieu urbain). Cet échantillonnage sur des temps courts permet d’étudier les variations de concentration de ces composés sur un cycle journalier. Ainsi, en prenant une concentration de particules de l’ordre de 50 µg.m^-3 (correspondant à ce que l’on peut rencontrer en milieu urbain), un prélèvement de trois heures permet de récolter six milligrammes de particules, soit 2 mg de matière organique. Cette fraction est suffisante pour quantifier les divers HAP. Cependant, cette méthode peut induire des artefacts qui la rendent inadaptée pour étudier précisément la répartition des composés semivolatiles tels que les HAP, entre les phases gazeuse et particulaire. En effet, deux artefacts essentiels ont été mis en évidence par de nombreux auteurs :

- Artefact induisant une surestimation de la phase particulaire des HAP et une

sous-estimation de la phase gazeuse : cet artefact est du à l’adsorption de certains HAP

gazeux sur le filtre ou sur les particules déposées sur le filtre (Cf. figure II.4.) (Hart et Pankow, 1994 ; Ligocki et Pankow, 1989 ; Turpin et al., 1994). Cet artefact est inévitable puisque lors du passage du flux d’air au travers du filtre, les composés en équilibre entre les phases gazeuse et particulaire entrent en contact avec la surface du filtre qui représente alors un support d’adsorption supplémentaire pour la phase gazeuse. Les composés gazeux vont s’adsorber sur cette nouvelle surface tant que l’équilibre gaz-particule n’est pas atteint. Cet artefact peut ainsi être assimilé à un phénomène de répartition entre les composés gazeux atmosphériques qui constituent la phase gazeuse, et le filtre qui constitue le support solide d’adsorption (Mader et Pankow, 2000, 2001a, 2001b ; McDow, 1999 ; Storey et al., 1995). L’importance de cet artefact va dépendre de la pression de vapeur du composé considéré, de la température, de la présence d’autres espèces en compétition pour les sites d’adsorption, et de la surface spécifique du filtre (Mader et Pankow, 2000). Ce dernier paramètre est proportionnel à la durée de prélèvement, puisque la surface d’adsorption du filtre diminue avec la durée de prélèvement, par saturation progressive de ses sites d’adsorption. Par ailleurs, il a été montré expérimentalement que cet artefact est aussi dépendant de la vitesse du flux d’air (rapport débit de prélèvement/surface du filtre) (McDow et Huntzicker, 1990).

- Artefact induisant une sous-estimation de la phase particulaire des HAP et une

surestimation de la phase gazeuse. Il a été montré (Eatough, 1999) que lorsque les

particules sont piégées sur le filtre, les composés initialement associés à la phase particulaire peuvent se désorber sous l’effet d’une augmentation de température, d’une

diminution de la concentration atmosphérique en HAP gazeux, ou d’une différence de pression entre l’aval et l’amont du filtre (Coutant et al., 1988 ; Eatough, 1999 ; McDow, 1999 ; Zhang et McMurry, 1991). Concernant ce dernier paramètre, on notera que la différence de pression est directement dépendante du débit de prélèvement, de la surface du filtre, et de la concentration de particules. Après volatilisation, les HAP vont être entraînés par le flux d’air et seront piégés par l’adsorbant placé en aval et destiné à piéger la phase gazeuse (Cf. figure II.4.).

Figure II.4. : Schéma des artefacts de prélèvement induits par un préleveur conventionnel : c Artefact d’adsorption de composés gazeux et d Artefact de volatilisation de composés

associés à la phase particulaire.

Les composés organiques de masse moléculaire et de volatilité intermédiaire, sont les plus exposés à ces artefacts. Etant présents en quantité significative dans les deux phases, ils

vont représenter simultanément les composés particulaires les plus volatilisables et les composés gazeux les plus condensables. En ce qui concerne les HAP, les composés concernés sont essentiellement le phénanthrène, l’anthracène, le pyrène et le fluoranthène, dont les pressions de vapeur saturante à l’état de liquide surfondu sont comprises entre 8.10^-2 et 6.10^-3 Pascals (Allen, 1997).

Des contradictions existent entre les différentes études effectuées pour déterminer

Filtre à particules Particule atmosphérique + HAP particulaire HAP gazeux

2 ₁

HAP particulaires désorbés

difficile d’étudier séparément chacun d’entre eux, puisqu’ils interviennent simultanément et qu’ils dépendent de nombreuses conditions expérimentales. Cependant, l’artefact d’adsorption est généralement considéré comme le plus important dans la plupart des conditions environnementales. Plusieurs auteurs ont tenté de le quantifier lors de prélèvements :

- Le premier protocole expérimental a consisté à placer deux GFF (Ligocki et Pankow, 1989, Cotham et Bidleman, 1992) ou deux QFF en série (Appel et al., 1989) (figure II.5.). Les hypothèses émises par les auteurs sont que toutes les particules sont piégées par le premier filtre, et que le phénomène de volatilisation des HAP particulaires est négligeable. La présence de HAP sur le second filtre ne peut donc provenir que de l’artefact d’adsorption de HAP gazeux. En considérant que les deux filtres ont un comportement équivalent vis à vis de l’artefact d’adsorption, la quantité de HAP extraite du deuxième filtre (QFF2) est retranchée de la quantité de HAP piégée par le premier filtre (QFF1) et sert à estimer l’artefact d’adsorption des HAP gazeux sur ce dernier. Toutefois, l’hypothèse selon laquelle la quantité de composés gazeux passant à travers le deuxième filtre QFF2 est égale à celle passant à travers le premier filtre QFF1 peut être erroné si des composés particulaires piégés sur le premier filtre se volatilisent pendant le prélèvement, ou si une grande quantité de HAP gazeux s’adsorbe sur le premier filtre,

- Le second protocole expérimental utilise deux dispositifs de prélèvement placés en parallèle : un QFF (QFF1), et un TF (filtre en Téflon) suivi d’un QFF (TF1/QFF2) (McDow et Huntzicker, 1990 ; Hart et Pankow, 1994) (Cf. figure II.5.). L’artefact d’adsorption de composés gazeux sur le premier dispositif (QFF1) est déterminé à l’aide de la quantité de HAP piégés sur le filtre placé QFF2 en aval du TF. L’avantage de ce protocole expérimental réside dans les propriétés du filtre Téflon, dont la nature inerte lui permet d’adsorber beaucoup moins de composés gazeux que les QFF. L’exposition du QFF2 de la paire TF1/QFF2 aux concentrations atmosphériques de composés gazeux serait alors comparable à l’exposition du QF1. L’artefact d’adsorption de composés gazeux serait ainsi mieux évalué.

QHAPPARTICULAIRE = QFF1-QFF2 QHAPPARTICULAIRE = QFF1-QFF2

Figure II.5. Méthodes utilisées pour quantifier l’artefact d’adsorption des composés gazeux induit par un préleveur conventionnel (McDow et Huntzicker, 1990 ; Turpin et al., 1994)

(QFF : filtre en fibres de quartz, TF : filtre en Téflon).

Même si ces deux astuces permettent d’estimer l’artefact d’adsorption des composés gazeux sur le filtre, on ne sait pas dans quelle mesure elles sont exactes et de toute manière, elles ne résolvent que partiellement les difficultés rencontrées lors des prélèvements simultanés des phases gazeuse et particulaire, puisqu’elles ne tiennent pas compte de l’artefact de volatilisation des HAP particulaires.

Plusieurs techniques alternatives ont été développées, pour le prélèvement simultané des HAP dans les deux phases. On peut citer parmi ces techniques, l’impacteur en cascade, ou encore le précipitateur électrostatique, couplés à un adsorbant solide placé en aval.