chapitre 4

Impact et traitement des COV

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CHAPITRE IV : Impact et traitement des COV

Introduction :

L'air que nous respirons n'est jamais totalement pur. Si l'azote et l'oxygène représentent

environ 99 % de la composition totale de l'air, on trouve dans le 1 % restant une grande

variété de composés plus ou moins agressifs pour l'homme et son environnement. Depuis le

début du siècle dernier, l'accroissement démographique et le développement industriel sont à

l'origine d'importantes émissions de gaz et de particules en suspension dans l'air. Les

modifications de la constitution de l'atmosphère qui en découlent, peuvent avoir des

répercussions aussi bien à l'échelle locale (conséquences sur la santé humaine, les végétaux ou

les matériaux) qu'à l'échelle planétaire (modification du climat : effet de serre, diminution de

la couche d'ozone stratosphérique).

Les polluants sont libérés dans l'air ambiant par des sources naturelles (volcans, océans,

végétation...) ou anthropiques (industrie, transport, chauffage...). Les principales émissions

anthropiques concernent :

• Le dioxyde de soufre (SO2),

• Les particules en suspension (PS),

• Les oxydes d'azote (NOx),

• Le monoxyde de carbone (CO),

• Les Composés Organiques Volatils (COV).

La pollution due aux émissions de COV peut être approchée de manière globale suivant

ses effets directs ou indirects (photo-oxydation) sur l’homme et sur le milieu environnant

récepteur. [14]

1. L’impact des COV

1.1 Les effets directs

Les émissions de COV ont un impact direct et important sur l’homme. Quelques données

sont relevées dans le tableau 1. L’un des premiers faits reconnus a été une relation entre

l’exposition à des vapeurs de benzène et la leucémie. De même, les effets cancérigènes du

1,3-Butadiène ont été révélés. Il en a été de même avec des produits utilisés dans la

fabrication de polymères comme l’acrylonitrile ou le chlorure de vinyle. En réponse au risque

potentiel que représentent les COV sur la santé, des normes de qualité d’air et des valeurs

guides ont donc été définies pour un certain nombre de produits volatils. Cependant, une

mauvaise connaissance de la chimie de ces molécules liée aux maladies contractées implique

une difficulté à définir des valeurs limites, des seuils maximaux et des teneurs cumulées

d’exposition. Des chiffres ont été cependant avancés de 5 ppb de concentration moyenne

annuelle pour le benzène ou de 1 à 2 ppb pour le 1,3-butadiène.


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Tableau 1 : Caractéristiques toxicologiques de quelques solvants. [8]

Composé

Acétate d’éthyle

Volatilité

Pénétration

cutanée

Pouvoir

irritant

Pouvoir

d’ébriété-

narcotique

Toxicité

spécifique

VME(1

VLE(2)

(ppm)

+++

+

++

+

-

400

-

Acétone +++ + + ++ 750

-

Benzène +++ ++ + ++ Moelle

osseuse

cancérogène

5

25

Dichloro-

méthane

+++ + +++ ++ Intoxication par

le CO

50

100

Éthers de glycol

à chaîne courte

+ ++ + + moelle osseuse

testicule

tératogène

5

5

Éthylène glycol + 0 ++ + rein (en aigu) -

50

n Hexane ++ ++ + ++ nerf

périphérique

50

-

Isopropanol ++ 0 + ++ - -

400

Méthanol ++ ++ + + nerf optique (en

aigu)

200

1000

Méthyl butyl

cétone (MBK)

+ + + ++ nerfs

périphériques

5

8

Méthyl éthyl

cétone (MEK)

+++ + + ++ 200

-

Méthyl isobutyl

cétone (MIBK)

+ + + ++ 50

-

Perchloro-

éthylène

++ + ++ + cancérogène ? 50

-

Styrène +++ ++ ++ ++ moelle osseuse

Foie

cancérogène ?

Tétrahydro-

furane

+++ ++ +++ + foie, nerfs 200

-

Toluène ++ + + ++ tératogène ? 100

150

Trichloro-

éthylène

++ ++ ++ ++ cœur

cancérogène

75

200

Xylène + ++ + ++ 100

150

(1) VME : Valeur moyenne d’exposition.

(2) VLE : Valeur limite d’exposition.

Les VME et VLE sont des valeurs données pour l’hygiène de travail (exposition 8 h/j et pour 40 h/semaine. Par

ailleurs, des valeurs d’exposition sont aussi publiées par l’OMS pour l’air ambiant.


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Le développement et l’amélioration récents des méthodes utilisées en épidémiologie ont

permis de faire des progrès importants dans la compréhension des relations entre la pollution

de l’air et la santé humaine. Bates (1995) présente de manière importante l’impact de

différents polluants de l’air sur la santé de l’homme. Ainsi, on peut citer : les particules et

poussières, les brouillards photochimiques et les aérosols acides, les NOx, les SOx, le CO, les

métaux et les composés organiques volatils. Toute la difficulté des études épidémiologiques

réside en fait dans la complexité de la composition de l’atmosphère. En effet, dans la mesure

où tous ces polluants sont simultanément présents dans l’atmosphère, il est difficile

d’identifier les effets propres à tel ou tel composé.

Une étude été menée dans la région de kanawha Valley en Caroline de Sud, USA, région

ayant une très forte concentration d’usines de produits chimiques. Ce travail fournit la preuve,

à partir de données collectées quotidiennement, que l’exposition aux COV était associée à une

augmentation des symptômes des maladies des voies respiratoires supérieures et inférieures,

des maux de tête, une irritation sensorielle et des éruptions cutanées. Ainsi, si l’on cite Bates

(1995), les COV provenant des activités liées au pétrole ( Benzène, Toluène, Xylène, n-

Pentanal) sont en relation avec des symptômes d’affectations des voies respiratoires et les

COV émis par d’autres industries comme le chloroforme, le chlorure de méthyl et de

méthylène, sont associés à des irritations nasales et oculaires.

Il convient de noter, cependant, qu’il existe un manque de recul dans ces études et que

peu d’informations sont disponibles pour les effets à long terme. [15] [16] [17]

1.2 Les effets indirects

Les COV participent à des réactions chimiques complexes se déroulant dans

l’atmosphère. Si l’on simplifie à outrance, on peut dire que les COV favorisent

l’augmentation de l’ozone dans la basse atmosphère (Troposphère). Un suivi de la

concentration d’ozone dans la troposphère dans différents lieux géographiques en Europe

montre des valeurs de 10 ppb (v) (21 µg/m3) en 1870 et de 50 ppb (v) (105 µg/m3) en 1990.

L’augmentation s’est accéléré avec en moyenne sur les 20 dernières années + 2,4 % par an.

Cette production d’ozone a bien sûr un impact sur l’homme et sur le milieu naturel.

Le transfert de COV présents dans l’air vers les milieux aquatiques pose quelques

problèmes. En effet, la production d’eau potable peut être altérée par la présence des solvants

dans les eaux souterraines ou de surface. Les COV peuvent être adsorbés sur différents solides

(argiles, limons …) et réapparaître par désorption lente de manière chronique dans le milieu

naturel. [5] [18]


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1.2.1 La photo-oxydation

L’ozone est naturellement présent dans l’air et sous forme par combinaisons du

dioxygène et d’un atome d’oxygène provenant de la dissociation du dioxyde d’azote sous

l’effet d’un rayonnement (h ) de longueur d’onde inférieur à 400 nm. Le cycle est bouclé par

la réaction de monoxyde d’azote sur l’ozone précédemment produit (figure 1). La production

d’un fort taux d’ozone résulte d’une modification du cycle par la présence des COV. En effet,

il existe une chaine complexe de réactions photochimiques et radicalaires qui permet la

production de N02, à partir de NO. Cette dernière réaction est possible si des réactifs

radicalaires, oxydants puissants provenant de la dégradation de COV, sont présents. On

obtient alors un déséquilibre entre les concentrations d’ozone et d’oxygène présentes dans

l’air comme le montre la modification du cycle de Chapman présenté sur la figure 2. Ces

réactions photochimiques ont des cinétiques relativement lentes, de quelques heures à

quelques jours, des réactions radicalaires étant quant à elles rapides (instabilité et réactivité

forte des radicaux). Elles dépendent des conditions météorologiques locales. Le taux moyen

d’ozone est actuellement évalué à 30 ppb. On estime que la concentration moyenne d’ozone

dans l’air a doublé durant les cent dernières années. Des modèles mathématiques

tridimensionnels de quantification de la réactivité et de dispersion des COV dans

l’atmosphère sont proposés.

Dans le cas spécifique de composés halogénés émis, des réactions de dissociation sous

l’influence du rayonnement ultraviolet et visible peuvent avoir lieu. On obtient alors un

relargage de dichlore ou de dibrome dans l’atmosphère. [5] [19]

Figure 1 : Cycle de Chapman : formation-destruction

de l’ozone au sein de l’atmosphère. [20]


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Figure 2 : Modification du cycle de Chapman en présence de COV. [20]

1.2.2 Les effets sur la santé

L’ozone est connu depuis longtemps pour ses effets indésirables à haute concentration

sur les voies respiratoires et en particulier chez les sujets ayant des problèmes d’asthme.

L’EPA (Environmental Propection Agency, États–Unis) a récemment recommandé une

concentration standard d’ozone dans l’air inférieure à 50 ppb (30,5 μg/m3) en ozone durant 8

heures. L’OMS (Europe, Organisation Mondiale de la Santé) donne une concentration guide

de 76 à 100 ppb (46 à 61 μg/m3). [5]

1.2.3 Les effets sur l’environnement

Les dommages créés par l’ozone sur les feuillages ont été établis. Par contre, les effets

sur les mécanismes d’attaque des fonctions vitales des plantes et des arbres ne sont pas encore

bien compris. Le tableau 2 regroupe quelques données qualitatives sur l’effet de l’ozone, donc

indirectement des COV sur des espèces végétales. [18]


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Tableau 2 : Sensibilité d’espèces végétales à l’ozone.

Type

Sensibilité

Avoine

Blé

Betterave

Haricot

Pommes de terre

Carotte

Chou

Tomate

Radis

Pois

Abricotier

Fraisier

Tabac

Chêne des marais

Erable negundo

Pin

Chêne pédonculé

Erable à sucre

Hêtre

Sapin douglas

+++

+++

+

+++

+++

++

++

+++

+++

++

+

+

+++

++

++

++

+

+

+

+

On note aussi des effets importants sur les surfaces peintes, laquées ou vernies, sur les

plastiques et les caoutchoucs qui vieillissent plus rapidement.

1.2.4 Les effets sur le climat

L’ozone est aussi un gaz à effet de serre et va donc induire une augmentation de la

température globale de la terre. En effet, l’ozone absorbe dans l’Infrarouge avec un coefficient

2000 plus fois important, vis-à-vis du rayonnement par les sols, qu’une molécule de gaz

carbonique. La part relative de l’ozone dans l’effet de serre, sur l’ensemble de la planète, est

estimée à 18 %. [8]

2. Traitements des COV

Le problème des COV ayant été mis en évidence et une première approche d’inventaire,

bien qu’imparfaite, ayant été proposée, il convenait donc, pour satisfaire les divers

engagements internationaux, de mètre en œuvre des techniques et des moyens de réduction

des émissions polluantes. Il est bien évident qu’une action préventive sur le système polluant

ou sur le procédé rejetant des COV est certainement la démarche première s’inscrivant dans

l’approche générale des technologies propres. Cependant, il est parfois nécessaire d’avoir une

action curative sur les émissions gazeuses chargées en COV. Cette démarche, bien que moins

élégante, est très souvent requise du fait d’installations industrielles dé jà en activité (on ne

construit pas un atelier de fabrication tous les jours) et/ou du fait d’un verrou technologique.


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OKEKE (1995) propose un classement des techniques selon que les COV sont détruits ou

conservés. La figure 3 regroupe ces différentes techniques. De manière arbitraire, il est aussi

possible de classer d’une autre façon les procédés de purification de l’air chargé en COV

suivant trois groupes : les traitements-thermiques (incinération et condensation) aux quels il

faudrait ajouter les techniques à plasma, les procédés de transfert avec ou sans réactions

chimiques (adsorption, absorption, membranes) et enfin les systèmes biologiques (biofiltres

et biolaveurs). [5] [21]

Figure 3 : Organigramme simplifié de différents procédés

de traitement et de contrôle des COV

présents dans des émissions gazeuses.

2.1 Les traitements thermiques

L’incinération thermique a lieu entre 600 et 850 °C selon les types de COV et les

procédés mis en œuvre. Si leur concentration est insuffisante, le système ne peut être auto-

thermique. Il est nécessaire alors d’avoir un appoint en combustible. Il existe des procédés

avec préchauffage de gaz et/ou avec récupération de chaleur par échangeurs. Une efficacité

énergétique de 95 % est obtenue avec des systèmes de multi-étages. Ces épurateurs sont dits

récupératifs ou régénératifs selon le mode de valorisation d’énergie.

Régénérative Récupérative Biofiltre Transfert physique Lit fixe

Lit mobile Transfert avec réaction Percolant Régénérative Récupérative

Fludisée Biolaveur Lit fluidisé

COV

Récupération Destruction

Thermique Catalytique Biofiltration

Condensation Membrane

Absorption Adsorption


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L’incinération catalytique met en jeu des catalyseurs d’oxydation et des températures de

destruction plus faibles (370 < T < 480 °C). Une destruction optimale de 95 % est obtenue

pour des débits de 2 000 à 160 000 m3h-1 et des concentrations dans l’air comprises entre 100

et 2 000 ppm. Le système peut être équipé d’échangeurs permettant une récupération de

chaleur impliquant une valorisation du traitement et donc un coût global de fonctionnement

moindre. [21]

2.2 La condensation

En jouant sur la variation de la pression de vapeur saturante avec la température, il est

possible de condenser les COV présents dans l’air. Le système est utilisable pour les faibles

débits, et pour de fortes concentrations (> 5 000 ppm) d’un COV ayant une température

d’ébullition supérieure à 40 °C au moins. Les systèmes mis en œuvre comprennent des

échangeurs permettant de récupérer les condensats et donc de recycler les solvants. [5]

2.3 Les procédés avec transfert

L’absorption consiste à transférer les COV de l’air dans une phase liquide. Des efficacités

supérieures à 98 % sont obtenues avec des débits gazeux jusqu’à 160 000 m3h-1. Le lavage de

gaz s’effectue dans des colonnes garnies ou des tours d’aspersion. Les solutions de lavage

peuvent être de l’eau, des solutions oxydantes ou des huiles lourdes. En outre, les liquides

réactifs sont utilisables et permettent d’accélérer les transferts par réaction d’oxydation de

l’absorbât.

L’adsorption est le processus de transfert de la phase gazeuse sur un solide poreux. On

donne des domaines d’abattement optimaux pour des débits de 150 à 20 000 m3h-1 et des

concentrations en COV de 20 à 5 000 ppm. Il est classique de travailler en lit fixe et de faire

fonctionner alternativement deux lits d’adsorbants avec un système en régénération. Cette

régénération est généralement thermique par un fluide caloporteur (vapeur d’eau, gaz ou air

chaud) ou par chauffage intrinsèque du matériau (effet joule direct ou chauffage par induction

électromagnétique).Le charbon actif est le matériau le plus communément utilisé sous la

forme de grains, mais des supports à base de fibres de carbone activé, tissus ou feutre,

commencent à être mis en œuvre. Des polymères ou des zéolites peuvent également être

utilisés. Les zéolites sont le plus souvent mises en œuvre dans des roues concentratrices

(systèmes rotatifs d’adsorption et de désorption en continu par un faible débit de gaz chaud)

appliquées par exemple pour le traitement des émissions de cabines de peinture. [5]

2.4 Les techniques membranaires

L’utilisation de membranes semi-perméables fait partie des technologies émergentes.

L’efficacité de l’opération est fonction de la pression appliquée et de la sélectivité de la

membrane. Des systèmes de modules peuvent être mis en série. Les membranes sont les plus

souvent couplées avec d’autres techniques comme l’adsorption ou la condensation. [5]


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2.5 Les systèmes biologiques

Plus récemment, sont apparus sur le marché des procédés de traitements utilisant la

capacité des micro-organismes (bactérie, levures …) à dégrader des composés organiques

servant de substrat énergétique ou métabolique. Les cinétiques de dégradation sont

généralement lentes et demandent donc de grandes surfaces filtrantes. Cependant, des débits

importants à faibles concentration et à température ordinaire peuvent être traités par cette

technique faisant appel soit à des biofiltres soit à des biolaveurs soit à des filtres percolateurs.

Une gestion précise des installations est nécessaire en termes d’ensemencement des

garnissages, de préfiltration des gaz, d’humidification de l’air à traiter … [5]

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