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Chapitre 1 : Synthèse bibliographique

1.3. Rayonnement lumineux

L’article présenté a montré la difficulté de comparer les temps de demi-vie obtenus pour un même

micropolluant dans des conditions d’exposition très diverses. Une première approche permettant de

mieux comparer ces paramètres de photodégradation est de définir le plus précisément possible le

rayonnement lumineux utilisé au cours de l’expérience. En effet, l’intensité lumineuse agit sur

l’influence de la photodégradation directe d’un micropolluant et les espèces réactives responsables de

la photodégradation indirecte. En revanche l’influence de la température sur les performances de la

photodégradation est négligeable (Deneer et al., 2010). Dans cette partie nous présentons les différents

rayonnements lumineux utilisés lors des expériences de photodégradation et les variations de l’intensité

de ces rayonnements au cours de ces expériences.

1.3.1.Différentes natures du rayonnement lumineux

1.3.1.1. Rayonnement solaire

Le rayonnement émis par le soleil est constitué d’un spectre continu allant des radiations ultraviolettes

(UV) aux radiations infrarouges avec des intensités maximales observées dans le visible (400-800 nm).

En entrant dans l’atmosphère les rayons solaires passent à travers des molécules d’ozone, d’oxygène, de

dioxyde de carbone et d’eau qui absorbent certaines bandes de l’UV ou de l’IR. Ainsi, les rayons solaires

parvenant jusqu’à la surface de la Terre sont composés à 5% d’UV, 40 % de lumière visible et 55% d’IR

(Gies et al., 2004).

Le processus de photolyse directe dépend de la présence de groupes chromophores sur la structure

chimique d’une molécule. Or, les groupes chromophores ont la capacité d’absorber majoritairement les

rayons UV ; c’est pourquoi seul 5% du rayonnement solaire est intéressant pour la photodégradation.

Ces rayons UV sont subdivisés en trois catégories selon leurs longueurs d’ondes : UVA, UVB et UVC.

Les UVA (315 à 400 nm) représentent 95% du rayonnement UV arrivant à la surface de la Terre, ce

sont les moins énergétiques mais ils s’avèrent être plus pénétrants que les UVB et C dans l’eau, milieu

où ils se propagent.

Les UVB (280 à 315 nm) représentent 5 % du rayonnement UV, ces rayons sont moins pénétrants que

les rayons UVA mais ils sont beaucoup plus énergétiques. Ce sont ces rayons qui sont les principaux

responsables de la photolyse directe des micropolluants.

Les UVC (100 à 280 nm) n’arrivent pas jusqu’à la surface de la Terre car ils sont entièrement filtrés par

la couche d’ozone (Moan, 2001).

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1.3.1.2. Rayonnement simulé

Il est plus difficile d’étudier le processus de photodégradation en milieu naturel sous exposition solaire

qu’en milieu contrôlé au laboratoire. C’est pourquoi de nombreux auteurs utilisent un rayonnement

simulé par l’intermédiaire de lampes UV pour observer la dégradation des micropolluants par voie

photolyse directe. Il existe deux types de lampes les plus couramment utilisées : les lampes au xénon et

au mercure.

La lampe à arc au xénon est utilisée pour l’étude de la photolyse directe car elle offre une bonne

reproduction du spectre solaire naturel (290 à 800 nm). Un filtre à quartz peut être utilisé afin de filtrer

les longueurs d’ondes UV non souhaitées (<290 nm pour simuler au mieux la lumière naturelle).

La lampe à vapeur de mercure existe en basse pression (LP) et en haute pression (HP). Les lampes LP

émettent une lumière quasi monochromatique à une longueur d’onde de 254 nm. Elles sont généralement

utilisées en traitement de désinfection, car cette longueur d’onde correspond à un effet germicide

optimal

.

Les lampes HP ont une intensité plus importante et émettent dans des longueurs d’ondes allant

jusqu’au visible. Par leur rayonnement UVC, elles ne simulent pas la lumière naturelle et sont donc

plutôt utilisées pour étudier les mécanismes de formation de produits de dégradation ou bien évaluer

l’efficacité des UVC en traitement de l’eau potable ou des eaux usées.

La base de données que nous avons réalisée a permis de connaitre le type de rayonnement utilisé dans

les expérimentations de photodégradation des micropolluants. Ainsi 58 % des publications ont utilisé

un rayonnement simulé à l’aide de lampes à mercure ou au xénon, contre 42% des publications qui ont

utilisé un rayonnement naturel (solaire). Ainsi, les études en conditions de laboratoire semblent être

privilégiées car moins contraignantes et moins dépendantes des conditions météorologiques. En

revanche, il s’agit d’un réel désavantage concernant la transposition des données récoltées pour la mise

en place d’un traitement complémentaire utilisant la photodégradation. En effet, l’intensité du

rayonnement solaire (λ = 280-800 nm) varie au cours de la journée et selon d’éventuelles perturbations

météorologiques (pluies, nuages, etc.). Or, les lampes utilisées en laboratoire ne balayent pas les mêmes

longueurs d’ondes que la lumière solaire, et émettent souvent une seule longueur d’onde. Certes, il existe

des simulateurs solaires qui balayent une gamme de longueurs d’ondes proche de la lumière solaire,

mais l’intensité est fixe, ce qui ne permet pas de simuler différentes conditions météorologiques, ni de

reproduire les cycles jour/nuit. L’utilisation d’un rayonnement simulé entraîne donc, dans la plupart des

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1.3.2.Variation de l’intensité lumineuse en condition réelle

1.3.2.1. Perturbation du rayonnement solaire reçu au sol

L’intensité des rayonnements UV pénétrant à la surface de la terre est très variable au cours d’une année

et même au cours de la journée. On exprime la densité de flux arrivant sur une surface en W.m

-

² ; c’est

l’énergie absorbée en une seconde par mètre carré (Torrents et al., 1997). A titre d’exemple, les

radiations UVA ont une intensité, en été et en Finlande, proche de 42-50 W.m

-2

, alors que les radiations

UVB ont une intensité de 1,1-1,6 W.m

-2

et le rayonnement solaire maximal est de l’ordre de 1200 W.m

-2

au sommet de l’atmosphère (Peuravuori et Pihlaja, 2009). Nous avons recensé 6 paramètres

environnementaux qui influencent cette intensité.

x Le premier paramètre à prendre en compte est la hauteur du soleil. Plus le soleil est haut dans le

ciel, plus le rayonnement UV est important. Au cours de la journée cette hauteur varie atteignant

un maximum à son zénith, vers midi solaire. Ainsi sur une journée complète, 60 % des UV sont

reçus entre 10 et 14 heures et 90 % entre 9h et 17h.

x Le second paramètre concerne la nébulosité. Le rayonnement UV atteint son intensité maximale

lorsque le ciel est dégagé (pas de nuages). Près de 10 % des UV sont filtrés en présence de

nuages légers et jusqu’à 30 % lors d’épisodes nuageux importants (Daniault, 2014).

x Le troisième paramètre concerne l’altitude. La couche d’ozone étant moins épaisse à plus haute

altitude, le rayonnement UV sera moins filtré. Il est observé une augmentation de 10 à 12% de

l’intensité du rayonnement UV, tous les 1000 mètres d’altitude.

x Le quatrième paramètre susceptible d’influer l’intensité du rayonnement UV est la

concentration en ozone. En effet l’ozone est capable d’absorbé les rayons UV compris entre 240

nm et 310 nm (Horvath, 1993). La concentration en ozone varie au cours de l’année et entraîne

une absorption plus ou moins importante suivant le jour d’exposition.

x Le cinquième paramètre à prendre en compte est la période de l’année. En effet la position de

la terre par rapport au soleil sur son orbite diffère selon les saisons, ce qui modifie la zone qui

reçoit les rayons du soleil perpendiculairement. La Figure 6 présente les variations d’intensité

lumineuse sur la terre durant les 4 saisons. A titre d’exemple, le rayonnement solaire peut être

jusqu’à 100 fois plus intense en France en juillet qu’en décembre (OMS, 2013). Ainsi l’intensité

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Figure 6 : Variation de l'intensité lumineuse au cours d'une année et selon la position géographique

(Goguillon, 2014).

x Le sixième et dernier paramètre important est la latitude. Plus on se rapproche de l’équateur

plus le rayonnement UV est intense. Les rayons du soleil arrivent à l’équateur

perpendiculairement au sol, une même intensité est concentrée sur une plus petite surface que

des rayons arrivant avec un certain angle d’inclinaison. A titre d’exemple, selon l’agence de

l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME) en France, l’ensoleillement reçu à

Lyon est de 1400 kWh/m²/an contre 1100 kWh/m²/an à Lille ou 1900 kWh/m²/an à Marseille.

1.3.2.2. Perturbation du rayonnement solaire dans la colonne d’eau

Il existe également plusieurs paramètres physico-chimiques qui peuvent contribuer à l’atténuation du

rayon lumineux lors de la pénétration dans le milieu aquatique.

x L’eau : trois phénomènes connus contribuent à la transmission et la propagation de l’énergie

lumineuse dans l’eau :

o La réflexion : une faible partie des rayons UV est réfléchie par la surface de l’eau

liquide. L’albédo, rapport de l’énergie solaire réfléchie par une surface à l’énergie

solaire incidente est, pour la surface d’un lac, comprise entre 0,02 et 0,04 et de l’ordre

de 0,3 à 0,7 pour la neige (Cailleux, 1974).

o L'absorption : lorsque la lumière pénètre la surface de l’eau, une partie des rayons UV

est absorbée par les molécules d’eau ou par des matières en suspension. Ainsi, sous

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mètres, seulement 7% du rayonnement atteint les 40 m de profondeur et dès le premier

mètre 60% des UV sont absorbés (Cf. annexe 4). C’est l’absorption qui est le processus

le plus important dans l’atténuation de la lumière.

o La diffusion consiste à l’excitation des molécules d’eau qui va réémettre de l’énergie

électromagnétique dans différentes directions. Cette dispersion se fait sans perte

d’énergie.

x Les matières en suspension peuvent absorber la lumière pour des concentrations jusqu’à 250

mg.L

-1

(Linden et Darby, 1998), ce qui diminue la pénétration de la lumière dans la colonne

d’eau.

x Le phytoplancton atténue peu le parcours lumineux, sauf dans des eaux ayant peu de MOD et

une concentration algale importante. Ainsi, l’atténuation augmente avec la profondeur d’eau et

la concentration en chlorophylle A. La biomasse phytoplanctonique est responsable de cette

atténuation car elle est formée de composés absorbant les UV : les acides aminés de type

mycosporine (MAA). Ce sont des métabolites secondaires produits par des organismes vivants

dans un environnement exposé au rayon solaire (Laurion et al., 2000).

x Matière organique : la MO est le principal atténuateur des radiations UV dans l’eau et joue le

rôle d’écran (Vasseur et al., 2003). Les acides fulviques ont un rôle d’atténuation du processus

de photolyse indirecte plus important que les substances humiques, car elles présentent des

groupements chromophores réactifs en plus grand nombre (Chen et al., 2009).

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