La pollution atmospherique par des patricules en PM10 dans la wilaya de bouira

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR

_______________________________________ UNIVERSITÉ AKLI MOHAND OULHA

FACULTÉ DES SCIENCES ET DES SCIENCES APLIQUÉES

M

OPTION : CHIMIE DES MAT

LA POLLUTION ATMOSPHERIQUE PAR DES PARTICULES

EN PM

10

RÉALISÉ PAR : - KERKOUD MOHAMED - MEKKAOUI ALI

Soutenue publiquement le 10 Septembre 2014 Mr.DJAIDJA.A Maître de Conférences

Mr. KHEDIDJI.S Maître Assistant U.DE BOUIRA Mr.KAOUA.R Maître de Conférences U.DE BOUIRA Mr.BERRICHE.L Maître Assistant U.DE BOUIRA Mr.ARBAOUI.A Maître de Conférences U.DE BOUIRA

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE _______________________________________

UNIVERSITÉ AKLI MOHAND OULHADJ – BOUIRA FACULTÉ DES SCIENCES ET DES SCIENCES APLIQUÉES

DÉPARTEMENT DE CHIMIE

M

ÉMOIRE DE MASTER

DOMAINE : SCIENCE DE LA MATIÈRE

ET CHIMIE DES MATÉRIAUX ET DE NANO MAT CHIMIE DES MATÉRIAUX ET DE NANO MATÉ

T

LA POLLUTION ATMOSPHERIQUE PAR DES PARTICULES

DANS LA WILAYA DE BOUIRA

: KERKOUD MOHAMED

Soutenue publiquement le 10 Septembre 2014, devant le jury composé de : Maître de Conférences U.DE BOUIRA Président Maître Assistant U.DE BOUIRA Encadreur Maître de Conférences U.DE BOUIRA Examinateur Maître Assistant U.DE BOUIRA Examinateur Maître de Conférences U.DE BOUIRA Invité

Année Universitaire 2013-2014

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

BOUIRA FACULTÉ DES SCIENCES ET DES SCIENCES APLIQUÉES

ET DE NANO MATÉRIAUX ÉRIAUX

LA POLLUTION ATMOSPHERIQUE PAR DES PARTICULES

DANS LA WILAYA DE BOUIRA

: Président Encadreur Examinateur Examinateur nvité

Remerciements



Nous tenons à remercier DIEU Le Tout Puissant pour nous avoir préservé,

donné la santé, et guidé vers la connaissance et le savoir.

Et « quiconque ne remercie pas les gens, ne remercie pas Dieu».

Nous tenons vivement à remercier :

Notre promoteur Mr, KHEDIDJI. S Maitre Assistant à l’université

de Bouira pour avoir accepté la charge d’encadrer ce travail et de le faire

dans son laboratoire, son sérieux, sa rigueur, et sa patience.

Mr DJAIDJA .A Maitre de conférences à l’université de Bouira pour

m’avoir fait l’honneur de présider le jury de cette thèse.

Mr ARBAOUI.A Maitre de conférences à l’université de Bouira et

Doyen de la faculté pour nous avoir fait l’honneur de participer à mon jury

de thèse. .

Mr KAOUA Maitre de conférences à l’université de Bouira pour avoir

accepté de participer au jury.

Mr BERRICHE Maitre Assistant à l’université de Bouira accepté qui

m’a fait l’honneur d’examiner ce document et de faire partie du jury.

Mr YASSAA.N Professeur à l’USTHB et directeur générale du

Centre de développement des énergies renouvelable de nous avoir accueillis

dans son laboratoire.

Nous remercions aussi les Directeurs de protection civile de la wilaya

de Bouira, Entreprise Nationale des Détergents (ENAD)

Lakhdaria et SEG, la Société des ciments (ERCC) SEG qui

nous a acceptés de faire notre stage pratique et une compagne

d’échantillonnage, son respect, sa patience.

Nous adressons nos vifs remerciements aux personnes ayant coopéré de près

ou de loin à l’élaboration de ce travail.

Dédicaces

Je dédie ce modeste travail :

A la mémoire de ma grande mère

A mon très cher père

A ma très chère mère

A tous mes frères

A toutes mes sœurs

A tout mes amis

A tout qui me connais de prés ou de loin.

Dédicaces

JE DÉDIE CE MODESTE TRAVAIL :

A MON TRÈS CHER PÈRE

A MA TRÈS CHÈRE MÈRE

A TOUS MES FRÈRES

A TOUTES MES SŒURS

A TOUT MES AMIS

A TOUT QUI ME CONNAIS DE PRÉS OU DE LOIN.

SOMMAIRE REMERCIEMENTS DEDICACES SOMMAIRE REFERENCE ABRIVIATIONS LISTE DES FIGURES INTERCALAIRE

INTRODUCTION GENERALE ………. 1

Chapitre I : Généralités I.1. Historique de la pollution ……… 3

I.2. L’atmosphère ……….……….………. 3

I.2.1. Structure et composition chimique de l'atmosphère...…...……..………. 4

I.3. Types et origines des polluants atmosphériques …..………... 5

I.4. Certains polluants ……….…………... 5

I.4.1. L'ozone ………... 5

I.4.2. Le monoxyde de carbone ……….……….. 6

I.4.3. Le dioxyde de soufre ………..……… 6

I.4.4. Les métaux lourds ………... 6

I.4.5. Les polluants organiques persistants ………...………… 6

I.4.6. Les particules en suspension (les aérosols) ……...……….. 6

I.5. La pollution particulaire ……….. 6

I.5.1. Définition ……… 6

I.5.2. Structure et composition des particules ……… 6

I.5.3. Origines et sources des particules ………... 8

I.5.4. Impacts des particules atmosphériques ………... 10

I.5.4.1. Impacts sur la santé ………. 10

I.5.5. Echantillonnage des particules en suspension dans l’air ………. 13

I.5.5.1 Collecte par filtration ……… 13

I.5.6. Les différents artéfacts de prélèvement ………... 14

I.5.6.1. Artéfact d’adsorption ………... 15

I.5.6.2. Artéfact de volatilisation ………. 16

I.5.6.3. Artéfact de réactivité ………... 16

I.5.6.4. Paramètres influents et importance des artéfacts ……… 16

I.5.7. Familles chimiques étudiées ……… 17

I.5.7.1. _{Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques HAPs ………...} 18

I.5.7.2. Origine des HAPs ……… 19

I.5.7.3. Caractéristiques physico-chimiques des HAPs ………... 20

I.5.7.4. Toxicité des HAPs ………... 21

I.5.7.5. Analyse des HAPs ………... 21

I.5.7.6. Les Alcanes ………. 22

I.6. Réglementations ……….. 22

Référence ………... 23

Chapitre II : Partie Expérimentale II.1. Echantillonnage Actif ………... 26

II.1.1. Echantillonnage ………….………... 26

II.1.2. Description des Sites d’échantillonnages ………... 27

II.1.2.1 Forêt de Tikjda (Al Esnam) ………... 28

II.1.2.2 Entreprise Nationale des Détergents E.NA.D (Lakhdaria)……….. 30

II.1.2.3 Sour El Ghozlane …...………. 30

II.1.2.4 . Université Akli Mohand Oulhadj de Bouira ………..………...………. 32

II.2. Gravimétrie ……….. 33

II.3.1. Les tubes axiaux ……….. 34

II.3.2. Les tubes radiaux 35 II.4. Extraction de la Matière Organique Particulaire (MOP) collectée par l’échantillonnage active ……… 36 II.5. Concentration de la Matière Organique Particulaire (MOP) par Kuderna-Danish ……. 37

II.6. Purification de la Matière Organique Particulaire (MOP) par une colonne chromatographie ……….. 37 II.7 Analyses de la Matière Organique Particulaire (MOP) par le GC/MS ………... 39

II.7.1. Le principe de la spectrométrie de masse ……… 39

II.7.2. Les paramètres analytiques, CG/SM ………... 40

II.7.3. Identification des composés ……… 41

Référence ………... 45

Chapitre III : Résultats et discussion Partie I : Variation temporale des particules PM 10 en suspension dans l’atmosphère de la wilaya de Bouira III.1. Teneurs journalières en PM10 mesurées dans des zones industrielles et résidentiel ….. 46

III.1.1. Teneurs journalières en PM10 dans une zone industriel, cas de l’entreprise nationale de détergent (ENAD) Lakhdaria ………. 46 III.1.2. Les conditions météorologiques ……… 47

a. L’influence de la Température ……… 47

b. L’influence de l’humidité ……… 48

III.1.3. Teneurs journalières en dans une zone industriel, cas de l’entreprise nationale de détergent (ENAD) de Sour El Ghozlane ………. 49 III.1.4. Les conditions météorologiques ……… 51

a. L’influence de la Température ……… 51

b. L’influence de l’humidité ……… 51 III.1.5. Teneurs journalières dans une zone résidentiel, cas de l’université Akli Mohand

Oulhadj Bouira ……… 52

III.2. Comparaison des teneurs journalières en PM10 dans une zone résidentielle (L’université de Bouira) et des zones industrielle (Société des Ciments de S.E.G, ENAD de Sour el Ghozlane et Lakhdaria) ………..

Partie II : Analyse qualitative et quantitative des n-alcanes et HAPs dans L’atmosphère de Bouira

1. n-alcanes ………..

56 2. Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques ……… 61

Référence ………. 66

Liste des tableaux

Tableau I.1. _{Composés organiques prépondérants dans les aérosols ...} 8 Tableau I.2. Nature et importance des différentes sources de particules dans l'atmosphère

en Mt/an pour des particules de rayon inférieur à 100 µm ….

8

Tableau I.3. Propriétés physico-chimiques des HAPs ………. 20 Tableau II.1. Dates et caractéristiques de l'échantillonnage sur chacun des sites………. 27 Tableau III.1. Concentrations (µg/ m3) en PM10 à ENAD de Lakhdaria, ENAD de Sour El

Ghozlane, Cimenterie de Sour el Ghozlane et l’université de Bouira….

54

Tableau III.2. Teneurs moyennes journalières (ng/m3) des n-alcanes, HAPs et leurs dérivés méthyles totaux enregistrées à Lakhdaria, Sour el Ghozlane, Bouira

et Tikjda, Printemps

2014………

55

Tableau III.3. Teneurs (ng/m3) moyennes des n-alcanes individuel à Lakhdaria, Sour el Ghozlane, Bouira et Tikjda, Printemps 2014………

57

Tableau III.4. Teneurs (ng/m3) moyennes des HAPs individuel à Lakhdaria, Sour el Ghozlane, Bouira et Tikjda, Printemps 2014………

61

Tableau III.5. La combinaison de ces ratios confirme la nature anthropogénique de la source d’émissions de ces

polluants………

Liste des figures :

Fig. I.1 Les différentes couches de l’atmosphère………. 5

Fig. I.2 Composition chimique moyenne de fines particules dans l'ouest de Los Angeles ……… 7 Fig. I.3 les différentes sources d’émissions ………. 10

Fig. I.4 Appareil respiratoire et pénétration des particules ……….. 11

Fig. I.5 Forçage radiatif global moyen du système climatique en l’an 2000 par rapport à 1750, en W m-2 ………... 12 Fig. I.6 Schéma caractéristique d'un préleveur ……… 14

Fig. I.7 Schéma des artéfacts de prélèvement lors d’une collecte par filtration I: artéfact d'adsorption de composés gazeux, II: artéfact de volatilisation de composés associés à la phase particulaire, III: artéfact de réactivité ………….. 15 Fig. I.8 16 HAPs les plus importants selon US EPA ……… 19

Fig. II.1 Compteur de gaz, Pompe à volume moyenne, Porte filtre calibrer en PM10 …. 26 Fig. II.2 Localisation des sites de mesure dans la wilaya de Bouira ………. 28

Fig. II.3 Image satellitaire présentant l’endroit exact de l’échantillonnage ……….. 29

Fig. II.4 les plantes de la forêt de Tikjda ………... 29

Fig. II.5 Image satellitaire présentant l’endroit exact de l’échantillonnage (ENAD Lakhdaria) ……… 30 Fig. II.6 Image satellitaire présentant l’endroit exact de l’échantillonnage (ENAD et Cimenterie de Sour El Ghozlane) ……… 31 Fig. II.7 La cimenterie de Sour-El-Ghozlane ……….... 32

Fig. II.8 Image satellitaire présentant le site de l’échantillonnage (Université de Bouira) 32 Fig. II.9 Filtre en verre avant et après le piégeage des particules ………. 33

Fig. II.10 Principe du tube passif axial ……… 35

Fig. II.11 Principe du tube passif radial ……….. 35

Fig. II.12 Système d’extraction au Soxhlet ……… 36

Fig. II.13 Montage Kuderna Danish ……… 37

Fig. II.14 Organigramme de la procédure pré-analytique ……… 38

Fig. II.15 Programmation de température du CG/SM ………. 40 Fig. II.16 Chromatogramme des n-alcanes particulaires dans l’atmosphère de Bouira (Avril

2014) ……….

Fig. II.17 Spectres de masse montrant les pics caractéristiques des HAPs (a: anthracène, b: benzo(a)pyrène, c: Indeno [1, 2, 3, c-d] Pyrène)

43

Fig. II.18 Chromatogramme (SIM) montrant les ions caractéristiques des HAPs de poids moléculaire 252 ainsi que leur étalon interne. (BbF : benzo(b)fluoranthène, BkjF : benzo(k+j)fluoranthène, BeP : benzo(e)pyrène, BaP : benzo(a)pyrène, Pery-d12 : Perylène ……….

43

Fig. II.19 Chromatogramme (SIM) présentant les ions caractéristiques des HAPs (Phe : phénanthrène, Phe-d10 : phénanthréne-d10, Ant : anthracène ): , Flu : fluoranthène, Flu-d10 : Fluoranthéne-d10, Pyr : pyrène,) ………...

44

Fig. III.1 Variation journalière des teneurs des PM10 mesurées à l’entreprise Nationale de détergent (ENAD) Lakhdaria ……….

47

Fig. III.2 Profil moyen journalier des températures mesurées dans l’entreprise nationale de détergent (ENAD) de Lakhdaria durant la période de (Mars-Avril 2014) …

48

Fig. III.3 Profil moyen journalier de l’humidité mesurée dans l’entreprise nationale des détergents (ENAD) de Lakhdaria durant la période de (Mars-Avril 2014) …...

48

Fig. III.4 Variation journalière des teneurs des PM10 mesurées à l’entreprise Nationale de détergent (ENAD) S.E.G ………

49

Fig. III.5 Variation journalière des teneurs des PM10 mesurées à la Société des Céments de Sour el Ghozlane ………

50

Fig. III.6 Profil moyen journalier des Température mesurée dans l’entreprise nationale de détergent (ENAD) de Sour El Ghozlane durant la période de Avril- 2014 ...

51

Fig. III.7 Profil moyen journalier des Température mesurée dans l’entreprise nationale de détergent (ENAD) de Sour El Ghozlane durant la période de Avril- 2014 ...

51

Fig. III.8 Variation journalière des teneurs des PM10 mesurées à l’université de Bouira . 52 Fig. III.9 Variations des teneurs journalières en PM10 mesurée dans la wilaya de Bouira

………

53

Fig. III.10 Distribution des concentrations totales des aérosols organiques dans l’atmosphère de Lakhdaria, Sour el Ghozlane, Bouira et Tikjda ………

56

Fig. III.11 Concentrations moyennes journalières (ng/m3) des n-alcanes à Lakhdaria, Sour el Ghozlane, Bouira et Tikjda, Printemps 2014 ………..

58

Fig. III.12 Contributions des alcanes d’origine végétale (a) ENAD Lakhdaria,(b) ENAD SEG, (c) Cimenterie SEG,(d) l’université de Bouira et (e) Forét de Tikjda ...

60

Fig. III.13 Concentrations moyennes journalières (ng/m3) des HAPs à Lakhdaria, Sour el Ghozlane, Bouira et Tikjda, Printemps 2014 ………..

AOS ACE CCN CFC CPI CO COVs COSV EC ENAD CG/SM DCM DP ERCC IR MP MOP MVS NOx O3 OC OMS PM10 PPM PTFE SEG SNMC USEPA UV

: Aérosols Organiques Secondaires : Acétone

: Cloud Condensation Nuclei (Noyaux de condensation des nuages) : Chloro Fluoro Carbures

: Carbon Preference Index (l’indice du carbone de préférence) : Monoxyde de carbone

: Composés organiques volatils : Composes Organiques Semi Volatils : Carbone Elémentaire

: Enterprise Nationale des Détergents

: Chromatographie Gazeuse / Spectroscopie de Masse : Dichlorométhane

: Diamètre Particulaire

: Entreprise des ciments et dérivés centre : Infra Rouge

: Matières particulaires

: Matière Organique Particulaire

: Medium Volume Sampler (Echantillonnage à moyen volume) : Oxydes d’azote

: Ozone

: Carbone Organique

: Organisation Mondiale de la Santé

: Particulate Matter (Matière particulaire de taille inférieure à 10 µm) : Partie Par million

: Poly Tétra Fluoro Ethylène : Sour El Ghozlane

: Société Nationale des Matériaux Constructions

: United States Environmental Protection Agency(L’agence de protection de l’environnement - Etats Unis).

L’atmosphère est un milieu complexe qui est loin d’être parfaitement homogène. En effet, il contient, en faibles quantités, de la matière condensée (liquide ou solide) dénommée « aérosol » ou encore « matière particulaire ». Celle-ci peut influer à la fois sur le bilan radiatif et la composition chimique de l’atmosphère. L’impact sur le bilan radiatif fait l’objet de nombreux travaux car l’incertitude la plus grande actuellement réside dans l’impact des aérosols sur ce bilan radiatif de la planète...

D’autre part, la reconnaissance du rôle chimique des aérosols est bien plus récente. En effet, la diversité des aérosols couplée à l’incroyable complexité chimique de la troposphère fait que de nombreuses nouvelles voies réactionnelles deviennent possibles et certaines ont fait l’objet d’un nombre grandissant de travaux. Ces « nouvelles voies réactionnelles » ont été fortement documentées dans le cas des pluies acides, ou du « trou » de la couche d’ozone. Par contre, il reste encore de très fortes incertitudes liées à la chimie des aérosols et en particulier à la fraction organique et/ou aux aérosols organiques secondaires (AOS). La présence des ces AOS a également un impact sur un certain nombre de processus atmosphériques comme la distribution des aérosols dans la couche limite planétaire, la réduction de la visibilité, le lessivage par les nuages et les précipitations.

En Algérie, l’une des causes de la pollution atmosphérique en milieu urbain est la densité du réseau routier qui supporte le trafic d’un parc automobile en croissance constante utilisant le plus souvent des carburants non conformes aux règles édictées en matière de protection de l’environnement. Le problème de la pollution atmosphérique en milieu urbain se pose à toutes les agglomérations.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude de la composition de la fraction organique de l’aérosol atmosphérique afin d’évaluer leurs sources et leurs impacts sur la santé et l’environnement.Ainsi les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs), les acides mono-di carboxyliques et les dérives nitrées grâce à leur effet négatif sur la santé.

Ce travail est devisé en trois parties, la première partie est consacrée à la description des particules atmosphériques et de la fraction organique qui la compose. Après un bref rappel de la structure de l’aérosol, nous nous intéresserons plus particulièrement aux origines et aux sources d’émission des composés organiques susceptibles d’être présents dans les particules. Dans un deuxième point sera présentée la technique d’échantillonnage par filtration des particules atmosphériques et les artéfacts que l’on peut rencontrer et qui ont motivé ce travail.

Enfin, nous présenterons plus particulièrement les trois familles des composés étudiées dans le troisième chapitre, qui ont été choisis principalement en raison de leur abondance dans l’air ambiant sous forme particulaire et de leur impact. La variation journalière et hebdomadaire de la matière particulaire en suspension PM10 ainsi que l’influence des conditions méteologiques sont traitée dans ce chapitre. La comparaison des résultats obtenus dans la wilaya de Bouira seront également discutées dans cette partie de travail.

CHAPITRE I :

I.1. Historique de la pollution :

La pollution atmosphérique est un sujet de préoccupation majeur au XXIème siècle, elle correspond à la modification de la concentration moyenne naturelle d’une espèce chimique gazeuse ou particulaire dans l’atmosphère pouvant engendrer un dérèglement des écosystèmes, du climat et/ou un danger pour la santé. En 2002, l’agence Européenne de l’Environnement évalue à 40 millions le nombre de personnes, vivant dans 115 grandes villes, exposées à des concentrations de polluants dépassant les seuils de recommandation de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS).

La pollution atmosphérique peut être d’origine biogène ou anthropique. Les principales sources naturelles sont : l’érosion éolienne à la surface de la Terre, des océans, les feux, les émissions de gaz biogéniques des écosystèmes et les éruptions volcaniques.

Les émissions anthropiques sont d’origines plus diverses. Elles sont essentiellement engendrées par les combustions des ressources naturelles fossiles (charbon, gaz, pétrole) ou de la biomasse et à l’évaporation de solvant et autres produits volatils

L’historique de la pollution troposphérique peut se résumer en deux grandes étapes .Une première phase préindustrielle et une seconde période débutant à la fin du XIXème siècle associée à l’émergence de l’utilisation massive de combustibles fossiles tels que le charbon dans un premier temps puis du pétrole par la suite.

Durant la période préindustrielle, la pollution atmosphérique était principalement d’origine naturelle. La seconde période a vu une dégradation de la qualité de l’air due aux activités anthropiques.

La principale cause de la pollution atmosphérique en milieu urbain algérien est la densité du réseau routier qui supporte le trafic d’un parc automobile en croissance constante ces dix dernières années, utilisant le plus souvent des carburants non conformes aux règles édictées en matière de protection de l’environnement. Le problème de la pollution atmosphérique en milieu urbain se pose à toutes les agglomérations, précisément en l’atmosphère algéroise.

I.2. L’atmosphère

L’atmosphère est une enveloppe gazeuse d’environ 1000 Km d’épaisseur, entourant la terre. Elle est constituée par une série de couches concentriques de densité décroissante de la surface de la terre à sa limite supérieure.

Un être humain a besoin d'environ entre 10 000 et 15 000 litres d'air chaque jour. Cela représente entre 12 et 18 kg d'air !.

Pour beaucoup de gens, l'atmosphère, c'est seulement l'air que nous respirons. En réalité, c'est beaucoup plus que cela! C'est un mélange de gaz et de particules qui entourent le globe. Malheureusement pollué, encombré d'oxydes de carbone, de dioxyde de soufre, d'oxydes d'azote et de composés organiques volatils (COVs) divers, rejetés par la nature certes (les forêts, les volcans, l'érosion naturelle), mais surtout par les automobiles, les installations de combustion (qu'il s'agisse de chauffage ou d'incinérateur des déchets ménagers), les industries métallurgique, sidérurgique, pétrochimique...

I .2.1. Structure et composition chimique de l'atmosphère

• La Troposphère : elle est située entre la surface du globe et une altitude d'environ 10 km ; c'est dans cette couche que se produisent les phénomènes météorologiques (Pluie, vent ...) et que s’accumulent les gaz polluants issus des activités humaines.

• La Stratosphère : elle comporte « la couche d’ozone ». L’ozone est présent naturellement dans la stratosphère. A cet endroit, il est qualifié de « bon ozone » ; il filtre les rayons ultraviolets du soleil et protège ainsi la vie sur terre en faisant écran. Par opposition au «mauvais ozone » de la troposphère, issu des activités humaines, qui est irritant et considéré comme un polluant.

• La Mésosphère : elle se situe entre 50 et 80 km d’altitude, c'est la couche la plus froide de l'atmosphère.

• La Thermosphère : elle s’étend entre 80 et 600 km d’altitude, il y règne une pression très faible, les molécules d'air sont très rares et la température atteint 100°C. L’atmosphère est constituée majoritairement d’espèces chimiques à l’état gazeux. Ses constituants peuvent être classés en deux catégories :

• les constituants dont les proportions restent constantes dans les basses couches de l'atmosphère et forment l'air sec, comme : l'azote (N2) 78%, l’oxygène (O2) 21% et les gaz

rares en plus faibles concentration Argon (Ar), Néon (Ne), Hélium (He)....

• les constituants dont la teneur varie, tels que le Dioxyde de carbone (CO2), l’Oxyde d’Azote

(NO2), l’Ozone (O3), et surtout la vapeur d'eau (H2O). Le reste de cette enveloppe comprend

Fig. I.1. Les différentes couches de l’atmosphère

I.3. Types et origines des polluants atmosphériques :

La pollution atmosphérique correspond à des gaz ou particules positionnés dans les basses couches de l'atmosphère (troposphère et stratosphère). Ces polluants sont néfastes pour l’environnement et les êtres vivants, que ce soit directement (mauvaise qualité de l'air) ou indirectement (accentuation de l'effet de serre, formation du trou de la couche d'ozone) [2]. On classe habituellement les polluants en deux catégories:

Les polluants primaires : ils sont émis directement dans l'atmosphère. Tels que les aérosols (PM, pour la terminologie anglaise ‘particulate matter’), les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les composés organiques volatils (COV), le dioxyde de soufre (SO2), le monoxyde de carbone (CO), et les métaux.

Les polluants secondaires : ils ne sont pas relâchés directement dans l'atmosphère, mais sont produits par des réactions chimiques ou photochimiques des polluants primaires (réactions produites par la lumière du Soleil) [3, 4].

I.4. Certains polluants I.4.1. L'ozone

C'est un gaz à effet de serre qui provient d'une réaction chimique provoquée par la lumière du soleil et se développe plus facilement en temps de chaleur. Il agresse les muqueuses respiratoires, il entraîne des irritations du nez, de la gorge, mais aussi des essoufflements et des toux.

C'est un gaz dangereux. Il empêche le transport de l'oxygène dans l'organisme en se fixant aux hémoglobines et conduit souvent à des intoxications.

I.4.3. Le dioxyde de soufre

Il provient essentiellement de la combustion du charbon et du fuel, comme dans les systèmes de chauffage, les transports, les industries, la métallurgie mais aussi des marécages, des océans et du volcanisme (déchets naturels). C'est un agent irritant des systèmes respiratoires. I.4.4. les métaux lourds

Le plomb, le cadmium, le mercure, l'arsenic, le chrome et le nickel. I.4.5. les polluants organiques persistants

Substances organiques possédant des caractéristiques toxiques. I.4.6. Les particules en suspension (les aérosols)

Représentent l’axe de notre étude, ce sont les poussières (érosion, volcanisme), le pollen, etc. Elles pénètrent dans les poumons et provoquent des allergies, des difficultés respiratoires mais aussi des lésions pouvant entraîner des cancers.

I.5. La pollution particulaire I.5.1. Définition

L’article 2 de la Loi Française n°96-1236 du 30 décembre 1996 sur l’air et l’utilisation rationnelle de l’énergie définit la pollution atmosphérique comme « l’introduction par l'homme, directement ou indirectement, dans l'atmosphère et les espaces clos, de substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre la santé humaine en danger, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels, à provoquer des nuisances olfactives excessives ». Parmi ces polluants, les particules - petite partie de matière solide ou liquide en suspension dans l’air ou déposée sur une surface et susceptible de se mettre en suspension - sont issues d’une grande variété de sources qui peuvent être d’origine anthropique ou naturelle. Leurs tailles peuvent varier de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres ; leurs caractéristiques physico-chimiques sont aussi très diverses et dépendent principalement de leur origine et de leur mode de formation.

I.5.2. Structure et composition des particules

Une particule est généralement conçue comme un noyau (carboné ou minéral) sur lequel, en fonction de la source et du mode de formation, diverses molécules organiques et/ou inorganiques vont pouvoir venir se condenser en surface [5].

Par ailleurs, pour les particules issues de phénomènes de combustion, on considère qu’elles sont constituées principalement de carbone élémentaire sur lequel sont adsorbés des hydrocarbures ponctuellement oxydés et des HAP, substitués ou non. Le carbone élémentaire

possède une structure proche du graphite constituée d’empilement de couches poly-aromatiques formées de cycles hexagonaux. Un consensus général dans la littérature évoque la formation de HAP comme éléments initiateurs des particules de suies (par exemple Richter & Howard, [6,7]. Pour appréhender la complexité de la composition chimique des particules, on peut, à titre d’exemple, considérer celle d’un aérosol urbain prélevé dans l’ouest de Los Angeles [8].

Fig.I.2. Composition chimique moyenne de fines particules

dans l'ouest de Los Angeles [8]

Ces particules fines étaient constituées principalement d’éléments inorganiques (sulfate, ammonium, nitrate, chlorure, certains métaux, éléments d’origine crustale, eau) et de matériaux carbonés. La fraction carbonée était composée de carbone élémentaire (EC) et de carbone organique (OC), lui-même représentant plusieurs centaines voire milliers de composés de polarité variée dont seulement une faible partie (10 à 40%) avait pu être caractérisée de façon moléculaire.

On voit donc qu’il existe une large incertitude sur la nature des composés organiques présents dans les particules et, parallèlement, sur leur origine et leur mode de formation. De nombreux travaux consacrés à l’étude de cette fraction organique par exemple Simoneit et Rogge, [9-11] ont permis d’identifier plusieurs familles de composés dont les principales sont regroupées dans le Tableau 1.

Tableau.I.1. Composés organiques prépondérants dans les aérosols [12]

Familles de composés organiques Hydrocarbures aliphatiques

Composés carbonylés et alcools aliphatiques Lévoglucosan

Acides gras et autres acides alcanoïques Acides dicarboxyliques

Acides carboxyliques poly-aromatiques

Composés aliphatiques et aromatiques multi-substitués (OH, CO, COOH) HAP

Dérivés nitrés et oxygénés des HAP Protéines et autres composés aminés Cellulose et autres carbohydrates

Oligomères organiques secondaires / polymères et substances humiques

I.5.3. Origines et sources des particules

Les particules atmosphériques, et la matière organique dont elles sont en partie constituées, peuvent être d’origine naturelle ou anthropique.

L’activité humaine génère des particules solides, principalement par combustion de biomasse et de pétrole ou de produits dérivés, pour la production d’électricité, l’incinération des déchets, les industries, l’agriculture et les transports. Le Tableau. I.2 indique l’importance des différentes sources de particules estimées à l'échelle mondiale, ce qui explique la large fourchette des résultats due aux difficultés de l'extrapolation à l'échelle du globe.

Tableau. I.2. Nature et importance des différentes sources de particules dans l'atmosphère

en Mt/an pour des particules de rayon inférieur à 100 µm [13]

Origines naturelles Particules extraterrestres

Sels marins

Particules désertiques

Particules biologiques, biogéniques

Conversions gaz-particules (sulfates, organiques, nitrates) Débris volcaniques 10-18 103-104 500-2000 80 345-1100 25-250 TOTAL 3266-13448 Origines anthropiques

Emission directe de particules

Conversion gaz-particules (substances carbonées, organiques, nitrates, sulfates) Feux de forêts 10-90 175-325 3-150 TOTAL 188-565 TOTAL général 3454-14013

par action mécanique (eau, gel, vent sur les roches, les sols ou les sables) ; par évaporation de particules liquides (ex : formation des sels marins) ; lors de processus de combustion (feux de biomasse, éruptions volcaniques) ;

lors de processus biologiques conduisant à l’émission de pollens, virus, débris végétaux ;

par oxydation de composés émis en phase gazeuse et nucléation ou adsorption sur des particules préexistantes.

Dans ce dernier cas, on parle d’émission secondaire, par opposition aux particules primaires, émises directement à l’état solide. Ces émissions secondaires peuvent être issues de sources anthropiques (avec comme précurseurs, des composés aromatiques, des alcanes et des alcènes à longue chaîne) ou biogéniques (avec comme précurseurs, des monoterpènes, des sesquiterpènes et des composés oxygénés). La formation et la composition de ces aérosols secondaires vont dépendre en particulier de la réactivité et des mécanismes d’oxydation des composés précurseurs ainsi que de la capacité de transfert des produits d’oxydation formés de la phase gazeuse vers la phase particulaire, avec des espèces généralement moins volatiles que les produits parents (masse molaire plus importante, présence d’un ou plusieurs groupements fonctionnels polaires qui tendent à abaisser la volatilité des produits de dégradation, polymérisation impliquant la formation de composés dont les propriétés chimiques sont similaires aux substances humiques et pour lesquels deux mécanismes de transfert sont possibles : la nucléation hétérogène ou l’adsorption sur des articules préexistantes.

L'analyse chimique détaillée d’échantillons à l’émission et dans l’air ambiant couplée à des modèles de type source-récepteur peut permettre d'identifier certaines sources de matière organique particulaire en utilisant des composés organiques spécifiques comme traceurs. Ces composés organiques doivent être caractéristiques d’un type de sources et doivent réagir assez lentement dans l'atmosphère pour ne pas être dégradés entre l’émission à la source et le site de prélèvement. De plus, ils ne doivent pas être formés lors de réactions chimiques atmosphériques ni s'évaporer dans la phase gazeuse entre la source et le récepteur (point de prélèvement). Les sources primaires des composés organiques particulaires sont multiples : Schauer et al. [14] reportent ainsi plus d’une quarantaine de sources primaires différentes de carbone organique en milieu urbain

Fig.I.3. les différentes sources d’émissions.

I.5.4. Impacts des particules atmosphériques

Quel que soit le modèle des particules, l’importance des composés en surface est évidente tant d’un point de vue radiatif (climatologique) que sanitaire. Par leur accessibilité, ils vont pouvoir être potentiellement désorbés une fois dans l’organisme humain mais aussi réagir avec les autres constituants de l’atmosphère.

I.5.4.1. Impacts sur la santé

La toxicité des particules dépend principalement de leur taille et de leur composition. La zone de dépôt dans les voies respiratoires est fonction de la taille des particules inhalées (Fig. I.4.)

Fig. I.4. Appareil respiratoire et pénétration des particules (d’aprèsCITEPA [13])

Plus leur diamètre est petit, plus elle pénètre profondément dans l’appareil respiratoire [15] :

les particules de plus de 10 µm sont retenues dans les voies respiratoires supérieures (nez et pharynx) et rapidement rejetées ;

les particules de diamètre compris entre 2,5 et 10 µm ainsi qu’une fraction des particules de diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 µm atteignent le segment trachéo-bronchique où elles sont généralement évacuées par des mécanismes naturels comme la toux ou la déglutition ;

les particules de diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 µm atteignent la structure pulmonaire constituée de bronchioles et d’alvéoles et pour les plus fines d’entre elles, peuvent passer la barrière sanguine et induire des effets sur les cellules de certains organes tels que les reins, le foie ou le cerveau ;

les particules de taille inférieure à 1 nm se comportent comme un gaz et ressortent après inhalation.

On peut schématiquement classer les effets biologiques des particules en trois catégories : (1) réactions inflammatoires aiguës, (2) effets cancérigènes, (3) effets immunotoxiques et allergiques. Les fines particules (Dp < 2,5 µm) jouent un rôle prépondérant dans les problématiques de santé publique et il est désormais admis que l’exposition à ces particules fines est associée à une augmentation de la mortalité [16]. De par leurs modes de formation, elles contiennent en effet une bien plus grande proportion de matière organique ce qui peut les rendre d’autant plus nocives qu’elles vont permettre la pénétration dans les voies respiratoires

de composés toxiques comme certains acides ou hydrocarbures ayant des propriétés mutagènes et cancérigènes même à faibles concentrations.

I.5.4.2. Impacts sur le climat

Le rôle des aérosols dans la problématique générale du changement climatique est reconnu [17] même si de fortes incertitudes subsistent. La Fig. I.5 résume l’état de l’art actuel des connaissances sur les forçages radiatifs induits par les gaz à effet de serre et les différents types de particules, sur la période 1750-2000 donc incluant les débuts de l’ère industrielle du 19ème siècle et l’anthropisation mondiale croissante.

Fig. I.5. Forçage radiatif global moyen du système climatique en l’an 2000 par rapport à 1750, en

W m-2 [17]

Les aérosols affectent de façon significative le bilan radiatif terrestre par deux types d’effets : par diffusion et absorption des radiations lumineuses (effets directs)

par modification de la microphysique et probablement de la durée de vie et de la quantité des nuages (effets indirects).

Les effets directs sont liés à l’interaction des aérosols avec les rayonnements solaires incidents et les rayonnements infrarouges ré-émis par la surface terrestre. La présence d’aérosols dans les basses couches de l’atmosphère abaisse localement la température atmosphérique (forçage négatif) du fait d’aérosols essentiellement diffusants (sulfates et carbone organique) ou bien l’augmente localement (forçage positif) du fait d’aérosols absorbants (du type carbone suie ou poussières). Les effets indirects engendrent une

modification de l’albédo planétaire et donc du flux lumineux incident à la surface terrestre. L’impact de cet effet indirect sur le bilan radiatif planétaire est considéré comme globalement négatif. Les différents processus gouvernant les effets indirects des aérosols sont excessivement complexes mais ils vont dépendre en premier lieu de la capacité des aérosols à se comporter comme des noyaux de condensation des nuages (ou CCN, Cloud Condensation Nuclei). Cette capacité sera fonction principalement de la taille des particules mais également de leur composition en surface, liée à leur hygroscopicité ou à leur solubilité.

Finalement, l’impact des aérosols sur le bilan radiatif terrestre (effets directs et indirects) est globalement négatif et tend à s’opposer au forçage radiatif positif des gaz à effet de serre.

I.5.5. Echantillonnage des particules en suspension dans l’air

Il existe de nombreux types de préleveurs pour les particules atmosphériques utilisant des méthodes variées : filtration, collecte par sédimentation, impaction en cascade. L’échantillonnage par filtre, compte-tenu de sa simplicité de mise en oeuvre et de son coût peu élevé, est aujourd’hui la technique la plus employée pour la collecte des particules atmosphériques. Nous allons d’abord décrire la technique d’échantillonnage utilisée dans ces travaux puis discuter les types d’artéfacts susceptibles d’interférer avec les mesures de concentrations de composés présents sur les filtres et enfin les méthodes généralement mises en œuvre pour étudier ces différents phénomènes.

I.5.5.1 Collecte par filtration

Le prélèvement s’effectue de manière active

soit à faible volume/débit : quelques L min-1 pour les mesures à l’émission, la collecte des particules en vue de l’évaluation de paramètres physiques ou pour des temps de prélèvement relativement longs

soit à grand volume/débit : environ 70 m3 h-1. Ces appareils sont utilisés pour les mesures en sites peu pollués ou pour effectuer des prélèvements courts.

Au dispositif de prélèvement s’ajoute une tête de prélèvement, omnidirectionnelle, insensible à la vitesse et la direction du vent et à l’hygrométrie, qui permet de sélectionner les particules selon leur taille. Le seuil de coupure granulométrique d’une tête est la valeur du diamètre aérodynamique correspondant à une efficacité de collecte de 50%. Une tête d’un certain seuil de coupure prélèvera donc en pratique également des particules plus grandes que le diamètre annoncé. On peut employer divers types de filtres dont l’efficacité vis-à-vis des espèces visées diffère selon leur nature. Dans le cas de la matière organique particulaire, ils doivent être résistants aux solvants organiques pour permettre l’extraction des particules collectées et sont

classiquement en fibres de verre (Glass Fiber Filter), de quartz (Quartz fiber filter) ou en fibres de verre téflonnés PTFE. Le filtre peut éventuellement être suivi d’un adsorbant solide (PUF, Tenax, ou PUF + XAD-2) pour piéger les composés en phase gazeuse (Fig. I.6.) ou d’un second filtre pour vérifier que tous les composés semi- ou non volatils ont bien été collectés par le premier filtre.

Fig. I.6. Schéma caractéristique d'un préleveur [18]

I.5.6. Les différents artéfacts de prélèvement

Le prélèvement de la phase particulaire organique, mélange complexe de composés aux propriétés thermodynamiques et photochimiques variées et plus ou moins volatils, interfère largement avec la phase gazeuse environnante. Les artéfacts de prélèvements vont fausser la répartition entre les phases gazeuse et particulaire, de manière variable selon la nature des composés visés, et donc l’évaluation de leurs teneurs dans les particules atmosphériques (si aucun artéfact de prélèvement ne se produisait, les concentrations mesurées sur un filtre seraient représentatives de la concentration de la phase particulaire dans l’atmosphère).

Les biais d’échantillonnage liés aux interactions des composés organiques semi-volatils et volatils avec le substrat du filtre peuvent être causés par trois phénomènes distincts (Fig. I.7)

I. l’adsorption de composés organiques présents en phase gazeuse sur le filtre ou sur la matière particulaire déjà collectée pendant et/ou après le prélèvement (artéfacts positifs). Ce phénomène a été observé pour les filtres en quartz alors qu’il semble négligeable pour les filtres en Téflon;

II. la volatilisation des composés fixés sur les particules pendant et/ou après le prélèvement. La modification de la répartition gaz/particules entraîne une sous-estimation des concentrations (artéfacts négatifs) ;

III. la réactivité hétérogène entre les composés organiques particulaires piégés sur le filtre et des espèces gazeuses présentes dans l’air ambiant, qui modifie la composition chimique des particules et peut conduire à sous-estimer les espèces réactives et à surestimer les espèces produites (artéfacts négatifs ou positifs selon les composés visés).

Fig. I.7. Schéma des artéfacts de prélèvement lors d’une collecte par filtration (d’après Goriaux,[19]

I: artéfact d'adsorption de composés gazeux, II: artéfact de volatilisation de composés associés à la phase particulaire, III: artéfact de réactivité

I.5.6.1. Artéfact d’adsorption

Le deuxième artéfact 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. Ainsi, McDow et Huntzicker [20] ont montré dans des conditions d’échantillonnage normales l’importance de l’adsorption de la phase gazeuse (>20%) sur la mesure du carbone organique sur des filtres en fibres de quartz.

I.5.6.2. Artéfact de volatilisation

La volatilisation d’un composé organique depuis le filtre peut être déclenchée par une diminution de la concentration atmosphérique de la matière organique en phase gazeuse, par une augmentation de la température durant la collecte ou par une différence de pression entre l'amont et l'aval du filtre. Concernant ce dernier paramètre, on notera que la différence de

pression est directement liée au débit de prélèvement, à la porosité et à l’aire du filtre et à la concentration en particules.

Pour minimiser ces pertes, Hart & Pankow [21] proposent de remplacer régulièrement le filtre durant la collecte (toutes les 3 à 6 h). Ainsi , les particules seraient uniquement exposées aux conditions de concentration et de température sous lesquelles elles étaient lors de la filtration. Leotz-Gartziandia et al. [22] ont observé l’importance de la température sur la partition gaz/particules de quelques composés organiques semi-volatils : par exemple, une différence de 10°C provoque une perte par volatilisation de 60% de l’alcane C24 préalablement chargé

sur un filtre en fibres de quartz. I.5.6.3. Artéfact de réactivité

A la surface des filtres, on n’évite pas les réactions hétérogènes qui peuvent avoir lieu entre la matière collectée et différentes espèces gazeuses passant à travers le filtre lors du prélèvement. La composition chimique peut donc se modifier sensiblement au cours de l’échantillonnage et la spécification de la matière organique particulaire en est affectée. Ainsi les HAP particulaires se transforment sur le filtre, en dérivés nitrés, par action de NOx

catalysée par le filtre. L’addition de NO2 (< 1 ppm) ou de O3 (< 200 ppb) dans l’air

échantillonné (entre 0 et 5°C) par un préleveur grand volume réduit les concentrations en benzo[a]pyrène et benzo[a]anthracène de quelques % jusqu’à 38% [23].

I.5.6.4. Paramètres influençant et importance des artéfacts

La distribution des composés organiques semi-volatils entre la phase gazeuse et la phase particulaire peut avoir lieu par nucléation, adsorption à la surface de particules pré-existantes, absorption dans une phase organique particulaire ou dissolution dans des particules aqueuses. Lors de la collecte, l’équilibre d’un composé présent dans la phase gazeuse avec la phase solide du filtre dépend de plusieurs paramètres dont :

la température atmosphérique ;

le débit (et donc la durée et le volume) de prélèvement ;

la surface spécifique et la nature du filtre. Kirchstetter et al. [24] mentionnent par exemple que les propriétés d’adsorption des filtres en fibres de quartz pouvaient varier d’un lot à l’autre.

la pression de vapeur du composé, et donc sa nature .

la présence de compétiteurs dans la phase gazeuse (par exemple, vapeur d’eau) pour l’accès aux sites d’adsorption.

la méthode d’échantillonnage peut perturber l’équilibre gaz/particules causant un transfert de masse entre les deux phases durant l’échantillonnage.

les conditions gouvernant l’équilibre gaz/particules peuvent évoluer durant l’échantillonnage (température, humidité).

la matière collectée peut réagir durant l’échantillonnage avec des composés de la phase gazeuse.

I.5.7. Familles chimiques étudiées

Dans le cadre de cette mémoire, nous avons étudié plusieurs familles de composés organiques présents dans la phase particulaire : les Hydrocarbures Aromatique Polycycliques (HAP) et les Hydrocarbures Aliphatiques (n-Alcanes), pour lesquelles des procédures analytiques ont été développées afin de les quantifier dans les particules fines de l’atmosphère. Cette partie présente donc pour chaque famille leurs sources atmosphériques et les méthodes d’analyse recensées dans la littérature. De plus, les HAP ayant fait l’objet d’une étude des artéfacts de désorption et de réactivité lors de leur échantillonnage par filtration, un paragraphe spécifique s’attache à rappeler l’état de l’art à ce sujet.

I.5.7.1. Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques HAPs

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) sont des composés aromatiques polycycliques constitués d’atomes de carbone et d’hydrogène. Cette famille chimique compte plus d’une centaine de composés dont 16 présentés dans la Fig. I.8. Ils sont considérés comme prioritaires par l’Agence Américaine de la Protection de l’Environnement «United States Environmental Protection Agency (USEPA)», en raison de leurs effets préoccupant sur la santé.

Selon le nombre de cycles et leur poids moléculaire, les HAP sont répartis dans l’atmosphère sous deux formes gaz / particules. Les HAP comme le naphtalène (2 cycles aromatiques) se retrouvent en phase gazeuse alors que les HAP plus lourds (5-6 cycles) sont associés à la

matière particulaire. Les composés constitués de 3 à 4 cycles sont semi-volatils et se partagent donc entre les phases gazeuse et particulaire. Le partage des HAP entre la phase gazeuse et la phase particulaire dépend également de la température et de l’humidité relatives du milieu ambiant. Ainsi, plus la température augmente, plus les HAPs n’auront tendance à être en phase gazeuse. Les nombreuses études de distribution granulométrique des HAP atmosphériques confirment la tendance de ces composés à s’associer préférentiellement aux PM2,5 (particules en suspension de diamètre inférieur à 2,5 µm) [25]. Les HAP peuvent être

transportés sur de longues distances dans l’atmosphère puis transférés par dépôt sec ou humide. Au cours de ces transports, les HAP peuvent subir des oxydations ou transformations photochimiques entrainant leur dégradation [26].

Fig. I.8. 16 HAPs les plus importants selon US EPA.

Les HAPs sont en général présents dans l’environnement sous forme de mélanges. Ils sont généralement produits lors de la combustion incomplète des matières organiques ou des processus de pyrolyse [27, 28]. Ils peuvent être d’origine naturelle et sont notamment produits lors des feux de forêts et des éruptions volcaniques [29]. Mais les principales sources de pollution par les HAPs sont anthropiques: combustion des matières fossiles (Charbon, fuel, pétrole), transport routier et fluvial, certaines activités industrielles, fuites de produits pétroliers, fumée de cigarette, produits alimentaires fumés (Poissons, viandes)….

En résumé, les principales sources des HAPs dans l’environnement sont: Les moteurs à combustion interne et notamment ceux des véhicules. le chauffage domestique.

l’industrie pétrolière et les procédés industriels d’élaboration du charbon (cokeries, liquéfaction du charbon).

la combustion en incinérateurs, où la production d’HAPs est favorisée par les températures élevées et les faibles taux d'aération.

I.5.7.3. Caractéristiques physico-chimiques des HAPs :

Les propriétés physico-chimiques des HAPs, se révèlent très utiles pour évaluer leur impact potentiel dans l’environnement. Elles vont notamment permettre de mieux prévoir leur répartition, ainsi que leur comportement dans les différents compartiments environnementaux (eau, sol, atmosphère, végétaux et êtres vivants).

De façon générale, les HAPs sont des composés non polaires, stables et ayant une faible volatilité. Il en résulte que les HAP sont hydrophobes, et persistants. Les caractéristiques communes de ces composés sont des points de fusion et d’ébullition élevés, la solubilité dans l’eau est faible, elle diminue lorsque le poids moléculaire augmente. Les HAPs présentent également des coefficients de partage octanol/eau très élevés (Voir tableau I.3). Ce coefficient donne une indication sur sa capacité à s'adsorber sur des surfaces hydrophobes. C’est un bon indicateur de la capacité des HAPs à s’accumuler dans les organismes vivants. La persistance des HAPs augmente avec le nombre de cycles de la molécule.

Tableau I.3. Propriétés physico-chimiques des HAPs.

HAP Abréviation Masse Molaire (g.mol-1) Point de fusion (°C) Point d’ébullition (°C) Solubilité/ eau (mg.l-1) Coefficient de partage octanol/H2O (log Kow) Naphtaléne NAP 128,19 80 218 31 3,37 Phénanthréne PHE 178,23 101 338 1,0 4,46 Anthracéne ANT 178,23 215 340 0,045 4,5

Fluoranthéne FLA 202,26 107 384 0,206 4,9 Pyréne PYR 202,26 151 396 0,132 4,88 Chryséne CHR 228,29 258 441 0,0018 5,63 Benzo[a] anthracéne B[a]A 228,29 435 438 0,0094 5,63 Benzo[b] fluoranthéne B[b] F 252,31 167 487 0,0015 6,04 Benzo[ghi] Péryléne B[ghi]P 276,34 278 500 0,0007 6,78

I.5.7.4. Toxicité des HAPs

• Toxicité aigue :

Les HAPs contribuent fortement à la réduction du développement de tous les organes et de plus à une pigmentation locale de la peau. L’exposition simultanée aux HAPs et aux UV peut provoquer une dermite photo-toxique accompagnée de conjonctivite. Cette toxicité est très modérée et aucun cas de décès n’a été rapporté.

Les HAPs peuvent être à l’origine d’irritations pulmonaires et d’eczéma et de troubles de l’immunité avec en particulier une diminution des immunoglobulines G et A sériques qui a été rapportée chez des salariés travaillant dans une fonderie.

• Toxicité chronique

Des études épidémiologiques ont montré une association entre des niveaux d’expositions professionnelles élevés aux HAPs chez les salariés de certains secteurs industriels (cokerie,fonderie, utilisation de dérivés de houille…) et une augmentation des risques de cancer du poumon, de la vessie et de la peau.

Des effets tératogènes et toxiques pour le fœtus ont été mis en évidence chez l’animal. Chez l’homme, des études sont actuellement en cours.

I.5.7.5. Analyse des HAPs

Deux difficultés majeures sont associées à l’analyse des HAP provenant d’échantillons atmosphériques :

ils sont présents à l’état de traces.

ils sont inclus dans une matrice atmosphérique complexe, susceptible de gêner leur séparation et leur identification ultérieure.

L’analyse des mélanges de HAP est traditionnellement effectuée par des techniques chromatographiques sensibles et sélectives.

En chromatographie en phase gazeuse, les constructeurs ont développé des colonnes spécifiquement adaptées à la séparation des HAP. L’utilisation de copolymère de phényl-méthyl-polysiloxane dont les proportions en phényl varient, permet généralement d’améliorer la séparation des HAP. Mais comparée à la chromatographie en phase liquide, la chromatographie en phase gazeuse présente quelques inconvénients :

dans le cadre de prélèvements atmosphériques constitués d’un grand nombre de HAP, les composés les plus lourds peuvent être co-élués, comme par exemple certains isomères à 4 ou 5 cycles.

le phénomène de décrochement de la phase stationnaire (bleeding) est un facteur limitatif en terme de sensibilité.

enfin, cette méthode de séparation nécessite d’abord la volatilisation des molécules. Cette étape n’est pas adaptée à certains HAP de masses molaires élevées, non volatiles et thermolabiles.

I.5.7.6. Les Alcanes

Les n-alcanes sont des composés primaires .Ils ont été mis en évidence dans tous les milieux qu’ils soient urbains, marins, continentaux ou polaires. L’ubiquité des n-alcanes résulte de leur source a la fois naturelle et entropique.

La source naturelle des alcanes est principalement liée à l’activité végétale avec l’émission de cire par respiration ou par abrasion mécanique du vent sur les feuilles ou enfin par resuspension de résidus et de pollen .L’activité bactérienne phytoplanctonique joue également un rôle important dans les émissions d’alcanes linéaires dans l’atmosphère essentiellement en milieu marin [30].

Les sources anthropiques sont liées aux combustions incomplètes des dérivés du pétrole et essentiellement les émissions véhiculaires, les huiles lubrifiants du moteur a un grand rôle dans les émissions des n- alcanes, les combustions de biomasse et de charbon sont également émettrices d’alcanes.

La réglementation Algérienne du 7 Janvier 2006 pour les particules fines en suspension fixe une valeur guide de 50 µg.m-3 avec 80 µg.m-3 comme valeur limite [31]. La directive européenne 2008/50/CE concernant les PM10 stipule une valeur journalière de 50 µg.m-3,

similaire à celle fixée par la réglementation algérienne, mais une valeur annuelle à ne pas dépasser à partir de 2010 est de seulement 40 µg.m-3[32].

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dans l’environnement : La réhabilitation des anciens sites industriels. Revue de l’Institue

Français du Pétrole, 52(4):425-437.

[28] Ineris, (2000). Hydrocarbures aromatiques polycycliques dans l’air ambiant: six années

d’expérience. INERIS-Rapport Annuel Scientifique.

[29] N.T. Edwards, (1983). Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the terrestrial

environment. Journal Environmental Quality, 12:427-441.

[30] Marchand, N. 2003. Etude de la composante organique de l’aérosol atmosphérique: cas de deux vallées alpines (Chimonix et Maurienne) et développement analytique. Thèse de doctorat, de l’université de savoie

[31] Décret exécutif n° 06-02 du 7 Dhou El Hidja 1426 correspondant au 7 janvier 2006 définissant les valeurs limites, les seuils d'alerte et les objectifs de qualité de l'air en cas de pollution atmosphérique.

[32] Directive 2008/50/CE du Parlement européen et du Conseil du 21 Mai 2008 concernant la qualité de l'air ambiant et un air pur pour l'Europe.

CHAPITRE II :

II.1. Echantillonnage Actif : II.1.1. Echantillonnage :

Dans le cadre de notre étude, nous avons choisi de collecter spécifiquement les PM10 en raison de l’impact sanitaire prépondérant qu’elles ont par rapport aux particules de taille supérieures.

Les PM10 ont été prélevées pendant le printemps 2014 (du 07 Mars 2014 au 13 Mai 2014) à raison d’un filtre par jour dans l’objectif de disposer 7 filtres d’échantillons correspondant en une semaine ce qui a permis d’étudier la variation hebdomadaire des collectes aux sites choisis. L’appareil utilisé pour la collecte est un Medium Volume Sampler (MVS) modèle DDA-PLOB-PD, avec un débit constant de 30 L/min équipé d’une seule tête de prélèvement permettant de récupérer les PM10 sur des filtres en fibres de verres de diamètre 45 mm, Ces filtres sont donc systématiquement nettoyés au laboratoire avant utilisation. Ils sont passés par chauffage au four (4h) à 450°C pour éliminer tous les substances préexistantes dans les filtres. Ces filtres sont ensuite stockés par paquets de 30 dans des flacons en verre étanches à température ambiante avant utilisation sur site.

Les filtres sont pesés avant et après le prélèvement et conservés à température constante de 4°C, à l’obscurité, jusqu'au déroulement des caractérisations chimiques.

Fig. II.1 . Compteur de gaz pompe à volume moyenne

II.1.2. Description des Sites d’échantillonnages :

La campagne de prélèvement, réalisée avec un MVS, Model DDA-PLOB-PD Air Sampler, a débuté le 07 Mars 2014, les premiers jours de printemps et a terminé le 13 Mai 2014. Tous les

7 jours, les filtres ont été changés. Pour chaque semaine, 7 filtres ont été collectés, soit 46 filtres sur toute la saison légale. Le tableau.II.1 représente les dates et les caractéristiques de l’échantillonnage sur chacun des sites.

Tableau II.1. Dates et caractéristiques de l'échantillonnage sur chacun des sites.

Site 1 Tikjda Site 2 ENAD Lakhdaria Site 3 ENAD S.E.G Site 4 Cimenterie S.E.G. Site 5 Université de Bouira Date : De.. A.. 07Mars- 15mars 2014 19 Mars- 02 Avril 2014 08 Avril- 15 Avril 2014 23 Avril- 04 Mai 2014 06 Mai- 13 Mai 2014 Caractéristiques 09 échantillons 11 échantillons 06 échantillons 12 échantillons 08 échantillons

De plus, les échantillons pour lesquels le pompage n'a pas duré 24h n'ont pas été validés. Le nombre d'échantillons validés représente ainsi environ 90% à chaque site.Enfin, un filtre de blanc de terrain a été recueilli à chaque site.

La Fig. II.2. représente la vue d’ensemble de la wilaya de Bouira ainsi que le positionnement détaillé des cinq sites étudiés.