20061201 Cloutier

1ier décembre 2006 1

TECHNIQUE DE MESURE DES PM10

DANS L’AIR AMBIANT EXTÉRIEUR

Atelier sur l'échantillonnage de contaminants dans l'air ambiant (1ier décembre 2006)

par Maxime Cloutier, ing.

mesure et réduction des émissions atmosphériques industrielles

Tél.: 514-384-3453 – [email protected]


INTRODUCTION

Qu'entend-on par PM10 et pourquoi les mesurer ?Quels sont les principes de conception des appareils de mesure des PM10 dans l'air ambiant ?Quels sont les contrôles effectués avant la mise en marché des appareils de mesure des PM10 dans l'air ambiant ?Quels sont les types d'appareils permettant de mesurer les PM10 dans l'air ambiant ?


Qu'entend-on par PM10 et pourquoi les mesurer ? – 1

La partie des particules totales en suspension dans l'air qui ont une dimension de moins de 10 µm en

diamètre aérodynamique

"particule"très petite partie d'un élément matérielsolide ou liquide (liquides à faible tension de vapeur aux conditions atmosphériques)l’eau n’est pas considérée comme une particule

"en suspension dans l'air"état d'un solide ou d'un liquide très finement divisé, mêlé à la masse de l'airce solide ou ce liquide est plus dense que l’airdonc la particule est en suspension jusqu’à ce qu’elle se dépose ou se « sépare » par un déplacement relatif à l’air

"diamètre aérodynamique" diamètre d'une sphère de densité 1qui a la même vitesse de déposition limite que la particule en question

la notion de diamètre aérodynamique est une façon de dimensionner les particules en suspension dans l’air strictement en fonction de leur facilité à se déplacer relativement à l’air


Qu'entend-on par PM10 et pourquoi les mesurer ? – 2

EPA IO-2

dans un modèle du système respiratoire humain, une particule de plus grand diamètre aérodynamique se séparera plus rapidement de l’air où elle est en suspension et risquera moins d’atteindre les alvéoles pulmonaires et de nuire à la santé en entrant dans le système sanguin

le déplacement des particules relativement à l’air se fait par séparation inertielle, c’est-à-dire, par impact contre des obstacles et par changement de direction de l’air. Il en va de même dans le système respiratoire


Qu'entend-on par PM10 et pourquoi les mesurer ? – 3Types et genèse des particules présentes dans l’air ambiant et pouvant

être absorbées par les voies respiratoires

les PM10 grossières (2,5-10µm)d’origine primaire: poussières entraînées du sol et/ou résultant du broyage ou de l’abrasion de solides existantsprincipalement des minéraux (oxydes de Al, Si, Fe, Na, K)retenues en suspension dans l’air moins longtemps que les particules fines <2,5µm

les PM10 fines (<2,5µm) d’origine secondaire: croissance àpartir de la phase gazeuse (condensation, transformation, combustion), puis agglomérationsulfates, nitrates, ammoniac, carbone de combustion, aérosols organiques, métauxplus toxiques demeurent plus longtemps en suspension dans l’air (séparation inertielle moins efficace)l’avenir est aux particules < 2,5µm !


Quels sont les principes de conception des appareils de mesure des PM10 dans l'air ambiant ?

la séparation inertielle des particules >10µm suivie d'une collecte des < 10µm sur un filtre

séparation par impacteur matériel (transfert d’énergie cinétique) ou virtuel (milieu amortissant)séparation par changements soudains de direction de l’airou séparation par accélération centripète de l’échantillon dans un cyclône

le maintien d’une vitesse déterminée et constante de l’échantillon d’air pour un captage et une séparation des particules comparables à ce qui a lieu dans le système respiratoire humain

vitesse constante obtenue par régulation du débit volumétrique d’échantillonnage


Quels sont les contrôles effectués avant la mise en marché des appareils de mesure des PM10 dans l'air ambiant ?

Pour être désignée comme MÉTHODE DE RÉFÉRENCE PM10 ou comme MÉTHODE ÉQUIVALENTE PM10 (requis pour des mesures de conformité), une méthode (appareil et procédure) doit respecter les

exigences suivantes du EPA:

l’efficacité d’échantillonnage (EE) en tunnel aérodynamique à trois vitesses de vent doit être à ±10% celle du système respiratoire humain (modélisé pour une dizaine de tailles de particules monodisperses 3-25µm)pour des particules monodisperses de 10 µm, l’EE doit être 50% (« 50% cutpoint »), à l’exemple des voies respiratoires humainesavoir une précision de mesure de 5µg/m³ ou 7% vérifiée par l’utilisation de plusieurs appareils du même modèle dans une même atmosphèreavoir une exactitude relative vérifiée contre des appareils déjàacceptés comme Méthode de référence (corrélation ≥0,97)avoir une stabilité du débit de prélèvement de l'échantillon d'air à± 5% du débit initial (moyenne sur 24h)


Méthodes de mesure des PM10 dans l’air ambiant

Méthodes manuelles

PM10 grand débit

PM10 faible débit

PM10 et PM2,5 faible débit


Types d’appareils de mesure des PM10 dans l’air ambiant -Appareil de prélèvement à grand débit - 1

c’est la méthode la plus utiliséela tête sélective enlève les particules > 10µmla base de l’appareil est la même que pour le prélèvement TSPéchantillonnage àgrand débit (1130 à1700 L/min [40-60 cfm]

Appareil Tisch: du site Internet de Pacwill Env.



l’air entre tout autour insensible à la direction du ventzones d’impact enduites de graisseles changements brusques de direction d’écoulement vitesse constante de captage vitesse constante pour la séparation filtre de 8’’ x 10’’, surtout en fibre de verre ou de quartz (interférence, artefacts, humidité)

EPA IO-2.1



régulateur débitmètre massique (anémomètre à fil chaud) en aval du filtremoteur de ventilateur àvitesse variable (F) commande électronique (E)

Du site Internet de Tisch Env. Inc.

Enregistreur



régulateur de débit volumétrique (venturi àécoulement critique) (A)

aucune pièce mobile ou électronique n’est requisele débit dépend du rapport de pression de stagnation (sous le filtre) à la pression barométrique et de la température sous le filtre

Minuterie

Du site Internet de Tisch Env. Inc.


Types d’appareils de mesure des PM10 dans l’air ambiant -Appareil de prélèvement à grand débit – 5

Débitmètre de référence

EPA IO-2.1 Étalonnage

Débitmètre de l’appareil àétalonner (orifice)

Débitmètre de l’appareil àétalonner (venturi) également régulateur de débit

Tête sélective à séparateur cyclonique


Types d’appareils de mesure des PM10 dans l’air ambiant Rupprecht & Patashnick – Partisol - 1

têtes à impacteurmodule de commandejusqu’à 3 modules satellites permettant des prélèvements selon la vitesse ou la direction du vent ou l’heure de la journéeune seule tête de prélèvement est en fonction à la fois

EPA IO-2.3



faible débit (16,7 L/min) et filtre de 47 mm Ørégulation du débit volumétrique d’air par capteur de débit massique

Site Internet de Rupprecht & Patashnick

Tête sélective des PM10 à faible débit, inertielle (à impact)

Tête sélective WINS



Types d’appareils de mesure des PM10 dans l’air ambiant Andersen - Dichotomique 1

Tête à impacteur enlevant les particules >10µmfractionnement <2,5µm (fines) et 2,5-10µm (grossières) par « impacteur virtuel »faible débit (16,7 L/min) et filtres de 37 mm Ø

Photo: du site Internet de Pacwill Env.

Module de captage

Module de commande

Cueillette de l’eau

Impacteur virtuel

2 rotamètres

Minuterie



fractionnement <2,5µm (fines) et 2,5-10µm (grossières) par « impacteur virtuel »

Standard Operating Practice – State of Illinois,1993



EPA Method IO-2.2



EPA Method IO-2.2

Débitmètre massique ou compteur à gaz sec pour l’étalonnage des rotamètres et du débitmètre àorifice

Débitmètre à orifice pour la vérification périodique d’étalonnage des rotamètres


Méthodes de mesure des PM10 dans l’air ambiant

Méthodes automatisées

PM10 atténuation Bêta Andersen

PM10 atténuation Bêta TEI

PM10 TEOM


Types d’appareils de mesure automatisés des PM10 dans l’air ambiant : Andersen Beta Gauge -1

•méthode EPA « équivalente » mesurant en continu la concentration massique de PM10

•faible débit de 16,7 L/min

•tête à impacteur retenant les particules > 10 µm

•PM10 retenues sur un filtre en fibre de verre en forme de ruban. Le ruban défile périodiquement

•le module de commande doit être protégé de la pluie

•les atmosphères à <-20°C ou très humides requièrent de chauffer l’échantillon en amont du filtre

Andersen Beta Gauge – du site Internet de Pacwill Env


Types d’appareils de mesure automatisés des PM10 dans l’air ambiant : Andersen Beta Gauge - 2

•régulateur de débit:• une pompe•un robinet modulant d’admission d’air frais à l’entrée de la pompe •un débitmètre à orifice

•le débitmètre à orifice est étalonnépériodiquement au moyen d’un compteur à gaz sec et d’un chronomètre

•régulation, calculs et transfert de données par micro processeur

EPA IO-1.1


Types d’appareils de mesure automatisés des PM10 dans l’air ambiant : Andersen Beta Gauge - 3

masse de particules mesurée par l’atténuation d’un faisceau de rayons Bêta (électrons émis par une capsule de gaz Krypton 85) en cours d’accumulationun rayon Bêta identique est atténué à travers un film métallique représentant le filtre vierge, aux mêmes conditions de température, humidité et pressionle capteur de masse est étalonnépériodiquement au moyen de films représentant les masses zéro et étendue de référencel’utilisation d’une source de gaz radioactif ne requiert pas de permis de travail en contexte de radioactivité

EPA IO-1.1


Types d’appareils de mesure automatisés des PM10 dans l’air ambiant Thermo Environmental Instruments Beta Gauge - 1

Méthode EPA « équivalente »

quasi continue (1fois/h): étape de filtration suivie d’une étape de mesure de l’atténuation d’un rayonnement bêta

un permis pour manipulation de matériel radioactif n’est pas requis

l’atténuation du filtre vierge peut être mesurée directement

régulation, calculs et transfert de données par micro processeur

Air vers le filtreSource C-14 / Détecteur bêta.

Vérifier l’étalonnage par films métalliques d’atténuation connue.

Filtre ruban fibre de verre

EPA IO-1..2



tête à fractionnement cycloniquefaible débit de 16,7 L/minla tête est relativement insensible à la pluieon doit tout de même empêcher la condensation en amont du filtre

débit de prélèvement maintenu constant grâce àun dispositif à écoulement critique

EPA IO-1..2

Surface interne enduite d’huile



EPA IO-1..2

Les modules doivent être dans un abri climatiséVérification d’étalonnage du débitmètre aux 3 mois (à ±7%)– compteur àgaz sec ou équivalent


Types d’appareils de mesure automatisés des PM10 dans l’air ambiant : R&P TEOM - 1

méthode EPA « équivalente »PM10 retenues dans une mini cartouche filtrante montée sur la pointe d’une tige métallique effilée oscillante et agissant comme micro balanceles modules (commande et prélèvement) doivent être protégés de la pluie

Site Internet Thermo Electron Corp



tête à impacteur retenant les particules > 10 µm




la masse de PM10 s’accumulant dans la cartouche filtrante montée sur la pointe de la tige effiléeréduit la fréquence de résonance du tube dans lequel le socle de la tige effilée est retenu la mesure de la fréquence de résonance (atteinte par un oscillateur) fournit ainsi une mesure de la masse accumulée de particulesen conséquence, le TEOM doit être isolé des vibrations mécaniques

filtre

Socle




•un sous échantillon isocinétique de 3L/min d’air chargé de PM10•un régulateur de débit massique maintient le débit d’air à la micro balance à 3,0 L/min•un régulateur de débit (massique) maintient le débit d’air supplémentaire à 13,7 L/min•le débit total d’air à la tête sélective est de 16,7 L/min•la construction de la micro balance nécessite le maintien d’une température uniforme (assurée par le chauffage de l’échantillon d’air entrant dans la balance)

EPA IO-1.3



le contenu du filtre peut être analysél’étalonnage se fait au moyen d’un débitmètre de référence en amont de chaque régulateur et à la place de la tête sélective (audit)l’étalonnage de la micro balance se fait en pesant des cartouches filtrantes vierges

EPA IO-1.3

Documents

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