La surveillance de la qualité de l'air désigne la mesure systématique des polluants de l'air ambiant afin de pouvoir évaluer l'exposition des récepteurs vulnérables (par exemple, les personnes, les animaux, les plantes et les œuvres d'art) sur la base de normes et de lignes directrices dérivées des effets observés, et/ou établir la source de la pollution de l'air (analyse causale).

Les concentrations de polluants dans l'air ambiant sont influencées par la variance spatiale ou temporelle des émissions de substances dangereuses et la dynamique de leur dispersion dans l'air. En conséquence, des variations quotidiennes et annuelles marquées des concentrations se produisent. Il est pratiquement impossible de déterminer de manière unifiée toutes ces différentes variations de la qualité de l'air (en langage statistique, la population des états de qualité de l'air). Ainsi, les mesures de concentrations de polluants dans l'air ambiant ont toujours le caractère d'échantillons spatiaux ou temporels aléatoires.

Planification des mesures

La première étape de la planification de la mesure consiste à formuler le but de la mesure aussi précisément que possible. Les questions importantes et les domaines d'opération pour la surveillance de la qualité de l'air comprennent :

Mesure de surface :

• détermination représentative de l'exposition dans une zone (surveillance générale de l'air)
• mesure représentative de la pollution préexistante dans la zone d'une installation projetée (permis, TA Luft (Instruction technique, air))
• avertissement de smog (smog hivernal, fortes concentrations d'ozone)
• mesures dans les points chauds de la pollution de l'air pour estimer l'exposition maximale des récepteurs (EU-NO₂ directive, mesures dans les canyons de rue, conformément à la loi fédérale allemande sur le contrôle des immissions)
• vérifier les résultats des mesures de réduction de la pollution et les tendances dans le temps
• mesures de dépistage
• investigations scientifiques - par exemple, le transport de la pollution atmosphérique, les conversions chimiques, l'étalonnage des calculs de dispersion.

Mesure de l'installation :

• mesures en réponse à des réclamations
• détermination des sources d'émissions, analyse causale
• mesures en cas d'incendies et de rejets accidentels
• vérifier le succès des mesures de réduction
• surveiller les émissions fugitives des usines.

L'objectif de la planification de la mesure est d'utiliser des procédures de mesure et d'évaluation adéquates pour répondre à des questions spécifiques avec une certitude suffisante et au moindre coût possible.

Un exemple des paramètres à utiliser pour la planification des mesures est présenté dans le tableau 1, en relation avec une évaluation de la pollution de l'air dans la zone d'une installation industrielle projetée. Reconnaissant que les exigences formelles varient selon la juridiction, il convient de noter qu'une référence spécifique est faite ici aux procédures d'autorisation allemandes pour les installations industrielles.

Tableau 1. Paramètres pour la planification des mesures lors de la mesure des concentrations de pollution de l'air ambiant (avec exemple d'application)

L'exemple du tableau 1 montre le cas d'un réseau de mesure qui est censé surveiller la qualité de l'air dans une zone spécifique de la manière la plus représentative possible, pour comparer avec des limites de qualité de l'air désignées. L'idée sous-jacente à cette approche est qu'un choix aléatoire de sites de mesure est effectué afin de couvrir également des emplacements dans une zone avec une qualité de l'air variable (par exemple, des zones de vie, des rues, des zones industrielles, des parcs, des centres-villes, des banlieues). Cette approche peut s'avérer très coûteuse sur de grandes surfaces en raison du nombre de sites de mesure nécessaires.

Une autre conception d'un réseau de mesure part donc de sites de mesure sélectionnés de manière représentative. Si des mesures de différentes qualités de l'air sont effectuées dans les endroits les plus importants et que la durée pendant laquelle les objets protégés restent dans ces «microenvironnements» est connue, l'exposition peut alors être déterminée. Cette approche peut être étendue à d'autres microenvironnements (par exemple, pièces intérieures, voitures) afin d'estimer l'exposition totale. La modélisation de la diffusion ou les mesures de criblage peuvent aider à choisir les bons sites de mesure.

Une troisième approche consiste à mesurer aux points d'exposition présumée la plus élevée (par exemple, pour le NO₂ et benzène dans les canyons de rue). Si les normes d'évaluation sont respectées sur ce site, il est suffisamment probable que ce sera également le cas pour tous les autres sites. Cette approche, en se concentrant sur les points critiques, nécessite relativement peu de sites de mesure, mais ceux-ci doivent être choisis avec un soin particulier. Cette méthode particulière risque de surestimer l'exposition réelle.

Les paramètres de durée de mesure, d'évaluation des données de mesure et de fréquence de mesure sont essentiellement donnés dans la définition des normes d'évaluation (limites) et du niveau de certitude souhaité des résultats. Les limites de seuil et les conditions périphériques à prendre en compte dans la planification des mesures sont liées. En utilisant des procédures de mesure en continu, une résolution temporellement presque transparente peut être obtenue. Mais cela n'est nécessaire que pour surveiller les valeurs maximales et/ou pour les avertissements de smog ; pour le suivi des valeurs moyennes annuelles, par exemple, des mesures discontinues suffisent.

La section suivante est consacrée à la description des capacités des procédures de mesure et du contrôle qualité en tant que paramètre supplémentaire important pour la planification des mesures.

Assurance qualité

Les mesures des concentrations de polluants dans l'air ambiant peuvent être coûteuses à réaliser et les résultats peuvent affecter des décisions importantes avec de graves implications économiques ou écologiques. Par conséquent, les mesures d'assurance qualité font partie intégrante du processus de mesure. Deux domaines doivent ici être distingués.

Mesures axées sur la procédure

Chaque procédure de mesure complète se compose de plusieurs étapes : échantillonnage, préparation de l'échantillon et nettoyage ; séparation, détection (étape analytique finale); et la collecte et l'évaluation des données. Dans certains cas, en particulier avec la mesure continue de gaz inorganiques, certaines étapes de la procédure peuvent être omises (par exemple, la séparation). Il convient de s'efforcer de respecter intégralement les procédures lors de la réalisation des mesures. Des procédures normalisées et donc documentées de manière exhaustive doivent être suivies, sous la forme de normes DIN/ISO, de normes CEN ou de directives VDI.

Mesures axées sur l'utilisateur

L'utilisation d'équipements et de procédures normalisés et éprouvés pour la mesure de la concentration de polluants dans l'air ambiant ne peut à elle seule garantir une qualité acceptable si l'utilisateur n'emploie pas de méthodes adéquates de contrôle de la qualité. Les séries de normes DIN/EN/ISO 9000 (Normes de gestion de la qualité et d'assurance qualité), EN 45000 (qui définit les exigences pour les laboratoires d'essais) et le Guide ISO 25 (Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d'étalonnage et d'essais) sont importantes pour les utilisateurs. mesures ciblées pour assurer la qualité.

Les aspects importants des mesures de contrôle de la qualité des utilisateurs comprennent :

• acceptation et mise en pratique du contenu des mesures au sens des bonnes pratiques de laboratoire (BPL)
• entretien correct des équipements de mesure, mesures qualifiées pour éliminer les perturbations et assurer les réparations
• effectuer des étalonnages et des vérifications régulières pour s'assurer du bon fonctionnement
• réalisation d'essais interlaboratoires.

Procédures de mesure

Procédures de mesure pour les gaz inorganiques

Il existe une multitude de procédures de mesure pour la large gamme de gaz inorganiques. Nous différencierons les méthodes manuelles des méthodes automatiques.

Procédures manuelles

Dans le cas des procédures de mesure manuelles pour les gaz inorganiques, la substance à mesurer est normalement adsorbée lors de l'échantillonnage dans une solution ou un matériau solide. Dans la plupart des cas, une détermination photométrique est effectuée après une réaction colorée appropriée. Plusieurs procédures de mesure manuelles ont une importance particulière en tant que procédures de référence. En raison du coût relativement élevé du personnel, ces procédures manuelles ne sont que rarement utilisées pour les mesures sur le terrain aujourd'hui, lorsque des procédures automatiques alternatives sont disponibles. Les procédures les plus importantes sont brièvement décrites dans le tableau 2.

Tableau 2. Procédures de mesure manuelle des gaz inorganiques

DL = limite de détection ; s = écart type ; rél. s = s relatif.

Une variante d'échantillonnage spéciale, utilisée principalement dans le cadre de procédures de mesure manuelles, est le tube de séparation par diffusion (dénudeur). La technique du dénudeur vise à séparer les phases gazeuse et particulaire en utilisant leurs différentes vitesses de diffusion. Ainsi, il est souvent utilisé sur des problèmes de séparation difficiles (par exemple, ammoniac et composés d'ammonium ; oxydes d'azote, acide nitrique et nitrates ; oxydes de soufre, acide sulfurique et sulfates ou halogénures/halogénures d'hydrogène). Dans la technique classique du dénudeur, l'air de test est aspiré à travers un tube en verre avec un revêtement spécial, en fonction du ou des matériaux à collecter. La technique du dénudeur a été développée dans de nombreuses variantes et également partiellement automatisée. Il a considérablement élargi les possibilités d'échantillonnage différencié, mais, selon les variantes, il peut être très laborieux et sa bonne utilisation nécessite une grande expérience.

Procédures automatisées

Il existe de nombreux moniteurs de mesure en continu différents sur le marché pour le dioxyde de soufre, les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone et l'ozone. Ils sont pour la plupart utilisés notamment dans les réseaux de mesure. Les caractéristiques les plus importantes des méthodes individuelles sont rassemblées dans le tableau 3.

Tableau 3. Procédures de mesure automatisées pour les gaz inorganiques

Il convient de souligner ici que toutes les procédures de mesure automatiques basées sur des principes physico-chimiques doivent être étalonnées à l'aide de procédures de référence (manuelles). Étant donné que les équipements automatiques des réseaux de mesure fonctionnent souvent pendant de longues périodes (par exemple, plusieurs semaines) sans surveillance humaine directe, il est indispensable que leur bon fonctionnement soit régulièrement et automatiquement vérifié. Cela se fait généralement à l'aide de gaz zéro et d'essai qui peuvent être produits par plusieurs méthodes (préparation de l'air ambiant ; bouteilles de gaz sous pression ; perméation ; diffusion ; dilution statique et dynamique).

Procédures de mesure des polluants atmosphériques poussiéreux et de leur composition

Parmi les polluants atmosphériques particulaires, les retombées de poussière et les particules en suspension (MPS) sont différenciées. Les chutes de poussière sont constituées de particules plus grosses, qui tombent au sol en raison de leur taille et de leur épaisseur. Les SPM comprennent la fraction particulaire qui est dispersée dans l'atmosphère de manière quasi-stable et quasi-homogène et reste donc en suspension pendant un certain temps.

Mesure des particules en suspension et des composés métalliques dans les SPM

Comme c'est le cas pour les mesures des polluants atmosphériques gazeux, les procédures de mesure continues et discontinues des MPS peuvent être différenciées. En règle générale, les SPM sont d'abord séparés sur des filtres en fibre de verre ou à membrane. Il s'ensuit une détermination gravimétrique ou radiométrique. En fonction de l'échantillonnage, une distinction peut être faite entre une procédure pour mesurer la SPM totale sans fractionnement selon la taille des particules et une procédure de fractionnement pour mesurer les poussières fines.

Les avantages et les inconvénients des mesures de poussières en suspension fractionnées sont contestés au niveau international. En Allemagne, par exemple, tous les seuils et normes d'évaluation sont basés sur le total des particules en suspension. Cela signifie que, pour la plupart, seules les mesures SPM totales sont effectuées. Aux États-Unis, au contraire, la procédure dite PM-10 (matière particulaire £ 10μm) est très courante. Dans cette procédure, seules les particules d'un diamètre aérodynamique jusqu'à 10 μm sont incluses (portion d'inclusion de 50 %), qui sont inhalables et peuvent pénétrer dans les poumons. Il est prévu d'introduire le procédé PM-10 dans l'Union européenne comme procédé de référence. Le coût des mesures SPM fractionnées est considérablement plus élevé que celui de la mesure de la poussière totale en suspension, car les appareils de mesure doivent être équipés de têtes d'échantillonnage spéciales, de construction coûteuse, qui nécessitent une maintenance coûteuse. Le tableau 4 contient des détails sur les procédures de mesure SPM les plus importantes.

Tableau 4. Procédures de mesure des particules en suspension (MPS)

Récemment, des changeurs de filtres automatiques ont également été développés qui contiennent un plus grand nombre de filtres et les fournissent à l'échantillonneur, l'un après l'autre, à des intervalles de temps. Les filtres exposés sont stockés dans un magasin. Les limites de détection pour les procédures de filtrage se situent entre 5 et 10 μg/m³ de poussière, en règle générale.

Enfin, la procédure de fumée noire pour les mesures SPM doit être mentionnée. Venant de Grande-Bretagne, il a été intégré dans les directives de l'UE pour le SO₂ et la poussière en suspension. Dans cette procédure, le noircissement du filtre revêtu est mesuré avec un photomètre reflex après l'échantillonnage. Les valeurs de fumée noire ainsi obtenues par photométrie sont converties en unités gravimétriques (μg/m³) à l'aide d'une courbe d'étalonnage. Cette fonction d'étalonnage dépendant fortement de la composition de la poussière, notamment de sa teneur en suie, la conversion en unités gravimétriques est problématique.

Aujourd'hui, les composés métalliques sont souvent déterminés en routine dans les échantillons d'immission de poussières en suspension. En général, la collecte des poussières en suspension sur les filtres est suivie d'une dissolution chimique des poussières séparées, car les étapes analytiques finales les plus courantes supposent la conversion des composés métalliques et métalloïdes en solution aqueuse. En pratique, les méthodes les plus importantes sont de loin la spectroscopie d'absorption atomique (AAS) et la spectroscopie avec excitation plasma (ICP-OES). D'autres procédures pour déterminer les composés métalliques dans la poussière en suspension sont l'analyse par fluorescence X, la polarographie et l'analyse par activation neutronique. Bien que les composés métalliques soient mesurés depuis plus d'une décennie maintenant en tant que composant des MPS dans l'air extérieur sur certains sites de mesure, d'importantes questions restent sans réponse. Ainsi le prélèvement classique par séparation des poussières en suspension sur des filtres suppose que la séparation des composés de métaux lourds sur le filtre est complète. Cependant, des indications antérieures ont été trouvées dans la littérature remettant cela en question. Les résultats sont très hétérogènes.

Un autre problème réside dans le fait que différentes formes de composés, ou des composés uniques des éléments respectifs, ne peuvent pas être distingués dans l'analyse des composés métalliques dans la poussière en suspension en utilisant les procédures de mesure conventionnelles. Alors que dans de nombreux cas des déterminations totales adéquates peuvent être faites, une différenciation plus approfondie serait souhaitable avec certains métaux particulièrement cancérigènes (As, Cd, Cr, Ni, Co, Be). Il existe souvent de grandes différences dans les effets cancérigènes des éléments et de leurs composés individuels (par exemple, les composés du chrome aux niveaux d'oxydation III et VI - seuls ceux du niveau VI sont cancérigènes). Dans de tels cas, une mesure spécifique des composés individuels (analyse des espèces) serait souhaitable. Malgré l'importance de ce problème, seules les premières tentatives d'analyse des espèces sont faites dans la technique de mesure.

Mesure des chutes de poussière et des composés métalliques dans les chutes de poussière

Deux méthodes fondamentalement différentes sont utilisées pour collecter les chutes de poussière :

• échantillonnage dans des récipients collecteurs

• échantillonnage sur des surfaces adhésives.

Une procédure populaire pour mesurer les chutes de poussière (poussière déposée) est la procédure dite de Bergerhoff. Dans cette procédure, la totalité des précipitations atmosphériques (dépôts secs et humides) est collectée pendant 30 ± 2 jours dans des récipients à environ 1.5 à 2.0 mètres au-dessus du sol (dépôts en vrac). Ensuite, les récipients collecteurs sont amenés au laboratoire et préparés (filtrés, eau évaporée, séchés, pesés). Le résultat est calculé sur la base de la surface du récipient collecteur et du temps d'exposition en grammes par mètre carré et par jour (g/m²ré). La limite de détection relative est de 0.035 g/m²d.

Des procédures supplémentaires pour collecter les chutes de poussière comprennent le dispositif Liesegang-Löbner et des méthodes qui collectent la poussière déposée sur des feuilles adhésives.

Tous les résultats de mesure des chutes de poussière sont des valeurs relatives qui dépendent de l'appareil utilisé, car la séparation de la poussière est influencée par les conditions d'écoulement au niveau de l'appareil et d'autres paramètres. Les différences dans les valeurs de mesure obtenues avec les différentes procédures peuvent atteindre 50 %.

La composition de la poussière déposée, telle que la teneur en plomb, cadmium et autres composés métalliques, est également importante. Les procédures analytiques utilisées pour cela sont fondamentalement les mêmes que celles utilisées pour les poussières en suspension.

Mesure de matériaux spéciaux sous forme de poussière

Les matériaux spéciaux sous forme de poussière comprennent l'amiante et la suie. La collecte des fibres en tant que polluants de l'air est importante puisque l'amiante a été classé comme matériau cancérigène confirmé. Les fibres d'un diamètre D ≤ 3 μm et d'une longueur L ≥ 5 μm, où L:D ≥ 3, sont considérées comme cancérigènes. Les procédés de mesure des matériaux fibreux consistent à compter au microscope les fibres qui ont été séparées sur des filtres. Seules les procédures de microscopie électronique peuvent être envisagées pour les mesures de l'air extérieur. Les fibres sont séparées sur des filtres poreux recouverts d'or. Avant l'évaluation au microscope électronique à balayage, l'échantillon est débarrassé des substances organiques par incinération au plasma directement sur le filtre. Les fibres sont comptées sur une partie de la surface du filtre, choisies au hasard et classées par géométrie et type de fibre. À l'aide de l'analyse par rayons X à dispersion d'énergie (EDXA), les fibres d'amiante, les fibres de sulfate de calcium et d'autres fibres inorganiques peuvent être différenciées sur la base de la composition élémentaire. L'ensemble de la procédure est extrêmement coûteux et nécessite le plus grand soin pour obtenir des résultats fiables.

La suie sous forme de particules émises par les moteurs diesel est devenue pertinente puisque la suie diesel a également été classée cancérigène. En raison de sa composition changeante et complexe et du fait que divers constituants sont également émis par d'autres sources, il n'existe pas de procédure de mesure spécifique aux suies diesel. Néanmoins, pour dire quelque chose de concret sur les concentrations dans l'air ambiant, la suie est classiquement définie comme du carbone élémentaire, faisant partie du carbone total. Elle est mesurée après prélèvement et une étape d'extraction et/ou désorption thermique. La détermination de la teneur en carbone s'ensuit par combustion dans un courant d'oxygène et titrage coulométrique ou détection IR non dispersive du dioxyde de carbone formé au cours du processus.

Le soi-disant éthalomètre et le capteur d'aérosol photoélectrique sont également utilisés pour mesurer la suie, en principe.

Mesurer les dépôts humides

Avec les dépôts secs, les dépôts humides sous la pluie, la neige, le brouillard et la rosée constituent le moyen le plus important par lequel des matières nocives pénètrent dans le sol, l'eau ou les surfaces végétales depuis l'air.

Afin de bien distinguer le dépôt humide sous la pluie et la neige (le brouillard et la rosée posent des problèmes particuliers) de la mesure du dépôt total (dépôt massif, voir section « Mesure des retombées de poussières et de composés métalliques » ci-dessus) et du dépôt sec, des capteurs de pluie, dont l'ouverture de collecte est couverte lorsqu'il n'y a pas de pluie (échantillonneur humide uniquement), sont utilisés pour l'échantillonnage. Avec les capteurs de pluie, qui fonctionnent principalement sur le principe des changements de conductivité, le couvercle s'ouvre lorsqu'il commence à pleuvoir et se referme lorsque la pluie s'arrête.

Les échantillons sont transférés à travers un entonnoir (zone ouverte d'environ 500 cm² et plus) dans un récipient de collecte obscurci et si possible isolé (en verre ou en polyéthylène pour les composants inorganiques uniquement).

En général, l'analyse de l'eau collectée pour les composants inorganiques peut être effectuée sans préparation d'échantillon. L'eau doit être centrifugée ou filtrée si elle est visiblement trouble. La conductivité, le pH et les anions importants (NO₃ ^- , SO₄ ^2- , Cl^-) et des cations (Ca²⁺K⁺, Mg²⁺, N / A⁺, NH₄ ⁺ et ainsi de suite) sont systématiquement mesurés. Composés traces instables et états intermédiaires comme H₂O₂ ou ASS₃ ^- sont également mesurés à des fins de recherche.

Pour l'analyse, on utilise des procédures généralement disponibles pour les solutions aqueuses telles que la conductométrie pour la conductivité, les électrodes pour les valeurs de pH, la spectroscopie d'adsorption atomique pour les cations (voir la section "Mesure de matériaux spéciaux sous forme de poussière", ci-dessus) et, de plus en plus, la chromatographie par échange d'ions. avec détection de conductivité pour les anions.

Les composés organiques sont extraits de l'eau de pluie avec, par exemple, du dichlorométhane, ou soufflés avec de l'argon et adsorbés avec des tubes Tenax (uniquement des matériaux très volatils). Les matériaux sont ensuite soumis à une analyse par chromatographie en phase gazeuse (voir « Procédures de mesure des polluants organiques de l'air », ci-dessous).

Les dépôts secs sont directement corrélés aux concentrations dans l'air ambiant. Les différences de concentration des matières nocives en suspension dans l'air dans la pluie sont cependant relativement faibles, de sorte que pour mesurer les dépôts humides, des réseaux de mesure à larges mailles sont adéquats. Citons par exemple le réseau de mesure européen EMEP, dans lequel l'entrée d'ions sulfate et nitrate, certains cations et les valeurs de pH des précipitations sont recueillies dans environ 90 stations. Il existe également de vastes réseaux de mesure en Amérique du Nord.

Procédures de mesure optique longue distance

Alors que les procédures décrites jusqu'à présent capturent la pollution de l'air en un point, les procédures de mesure optique à longue distance mesurent de manière intégrée sur des trajets lumineux de plusieurs kilomètres ou déterminent la distribution spatiale. Ils utilisent les caractéristiques d'absorption des gaz de l'atmosphère dans le domaine spectral UV, visible ou IR et sont basés sur la loi de Lambert-Beer, selon laquelle le produit du trajet lumineux et de la concentration est proportionnel à l'extinction mesurée. Si l'émetteur et le récepteur de l'installation de mesure modifient la longueur d'onde, plusieurs composants peuvent être mesurés en parallèle ou séquentiellement avec un seul appareil.

En pratique, les systèmes de mesure identifiés dans le tableau 5 jouent le rôle le plus important.

Tableau 5. Procédures de mesure longue distance

LIDAR = détection et télémétrie de la lumière ; DIAL = LIDAR à absorption différentielle.

Procédures de mesure des polluants atmosphériques organiques

La mesure de la pollution de l'air contenant des composants organiques est compliquée principalement par la gamme de matériaux dans cette classe de composés. Plusieurs centaines de composants individuels aux caractéristiques toxicologiques, chimiques et physiques très différentes sont couverts sous le titre général «polluants organiques de l'air» dans les registres d'émissions et les plans de qualité de l'air des zones congestionnées.

En raison notamment des grandes différences d'impact potentiel, la collecte de composants individuels pertinents a de plus en plus remplacé les procédures de sommation précédemment utilisées (par exemple, détecteur à ionisation de flamme, procédure de carbone total), dont les résultats ne peuvent pas être évalués toxicologiquement. La méthode FID a cependant gardé une certaine importance dans le cadre d'une courte colonne de séparation pour séparer le méthane, peu réactif photochimiquement, et pour collecter les composés organiques volatils précurseurs (COV) pour la formation de photo-oxydants.

La nécessité fréquente de séparer les mélanges complexes des composés organiques en composants individuels pertinents fait de leur mesure pratiquement un exercice de chromatographie appliquée. Les procédures chromatographiques sont les méthodes de choix lorsque les composés organiques sont suffisamment stables, thermiquement et chimiquement. Pour les matériaux organiques avec des groupes fonctionnels réactifs, des procédures distinctes qui utilisent les caractéristiques physiques ou les réactions chimiques des groupes fonctionnels pour la détection continuent de tenir leur terrain.

Les exemples incluent l'utilisation d'amines pour convertir les aldéhydes en hydrazones, avec une mesure photométrique ultérieure; dérivation avec la 2,4-dinitrophénylhydrazine et séparation de la 2,4-hydrazone qui est formée ; ou former des colorants azoïques avec p-nitroaniline pour la détection des phénols et des crésols.

Parmi les procédures chromatographiques, la chromatographie en phase gazeuse (GC) et la chromatographie liquide à haute pression (HPLC) sont les plus fréquemment utilisées pour séparer les mélanges souvent complexes. Pour la chromatographie en phase gazeuse, des colonnes de séparation de diamètres très étroits (environ 0.2 à 0.3 mm et environ 30 à 100 m de long), appelées colonnes capillaires à haute résolution (HRGC), sont presque exclusivement utilisées aujourd'hui. Une série de détecteurs sont disponibles pour trouver les composants individuels après la colonne de séparation, tels que le FID mentionné ci-dessus, l'ECD (détecteur de capture d'électrons, spécifiquement pour les substituts électrophiles tels que l'halogène), le PID (détecteur de photo-ionisation, qui est particulièrement sensible aux hydrocarbures aromatiques et autres systèmes d'électrons p), et le NPD (détecteur thermoionique spécifique aux composés azotés et phosphorés). La HPLC utilise des détecteurs à flux spéciaux qui, par exemple, sont conçus comme la cuvette à flux d'un spectromètre UV.

L'utilisation d'un spectromètre de masse comme détecteur est particulièrement efficace, mais aussi particulièrement coûteuse. Une identification vraiment certaine, en particulier avec des mélanges inconnus de composés, n'est souvent possible que par le spectre de masse du composé organique. L'information qualitative du soi-disant temps de rétention (temps pendant lequel le matériau reste dans la colonne) contenue dans le chromatogramme avec des détecteurs conventionnels est complétée par la détection spécifique des composants individuels par des fragmentogrammes de masse à haute sensibilité de détection.

L'échantillonnage doit être considéré avant l'analyse proprement dite. Le choix de la méthode d'échantillonnage est déterminé principalement par la volatilité, mais aussi par la plage de concentration attendue, la polarité et la stabilité chimique. De plus, avec les composés non volatils, il faut choisir entre les mesures de concentration et de dépôt.

Le tableau 6 donne un aperçu des procédures courantes de surveillance de l'air pour l'enrichissement actif et l'analyse chromatographique des composés organiques, avec des exemples d'applications.

Tableau 6. Aperçu des procédures courantes de mesure chromatographique de la qualité de l'air des composés organiques (avec exemples d'applications)

GC = chromatographie en phase gazeuse ; GCMS = GC/spectroscopie de masse ; FID = détecteur à ionisation de flamme ; HRGC/ECD = GC/ECD haute résolution ; ECD = détecteur à capture d'électrons ; HPLC = chromatographie liquide à haute performance. PID = détecteur à photo-ionisation.

Les mesures de dépôt de composés organiques à faible volatilité (par exemple, dibenzodioxines et dibenzofuranes (PCDD/PCDF), hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)) gagnent en importance du point de vue de l'impact environnemental. Étant donné que la nourriture est la principale source d'absorption humaine, les matières en suspension dans l'air transférées sur les plantes alimentaires sont d'une grande importance. Il existe cependant des preuves que le transfert de matière par dépôt de particules est moins important que le dépôt sec de composés quasi gazeux.

Pour mesurer le dépôt total, des dispositifs normalisés de précipitation de poussière sont utilisés (par exemple, la procédure de Bergerhoff), qui ont été légèrement modifiés par assombrissement comme protection contre l'entrée d'une forte lumière. Des problèmes techniques importants de mesure, tels que la remise en suspension de particules déjà séparées, l'évaporation ou une éventuelle décomposition photolytique, sont désormais systématiquement étudiés afin d'améliorer les procédures d'échantillonnage moins qu'optimales pour les composés organiques.

Enquêtes olfactométriques

Les enquêtes d'immission olfactométriques sont utilisées dans la surveillance pour quantifier les plaintes d'odeurs et pour déterminer la pollution de base dans les procédures d'autorisation. Ils servent principalement à évaluer si les odeurs existantes ou anticipées doivent être classées comme significatives.

En principe, trois approches méthodologiques peuvent être différenciées :

• mesure de la concentration d'émission (nombre d'unités d'odeur) avec un olfactomètre et modélisation ultérieure de la dispersion

• mesure de composants individuels (par exemple, NH₃) ou des mélanges de composés (par exemple, chromatographie en phase gazeuse des gaz des décharges), s'ils caractérisent adéquatement l'odeur

• déterminations des odeurs au moyen d'inspections.

La première possibilité combine la mesure des émissions avec la modélisation et, à proprement parler, ne peut être classée sous le terme de surveillance de la qualité de l'air. Dans la troisième méthode, le nez humain est utilisé comme détecteur avec une précision considérablement réduite par rapport aux méthodes physico-chimiques.

Les détails des inspections, des plans de mesure et de l'évaluation des résultats figurent, par exemple, dans les réglementations de protection de l'environnement de certains États allemands.

Procédures de mesure de dépistage

Des procédures de mesures simplifiées sont parfois utilisées pour les études préparatoires (screening). Les exemples incluent les échantillonneurs passifs, les tubes à essai et les procédures biologiques. Avec les échantillonneurs passifs (diffusifs), le matériau à tester est collecté par des processus fluides tels que la diffusion, la perméation ou l'adsorption dans des formes simples de collecteurs (tubes, plaques) et enrichi de filtres imprégnés, de mailles ou d'autres supports d'adsorption. L'échantillonnage dit actif (aspiration de l'air de l'échantillon à travers une pompe) ne se produit donc pas. La quantité de matière enrichie, déterminée analytiquement selon un temps d'exposition défini, est convertie en unités de concentration sur la base de lois physiques (par exemple de diffusion) à l'aide du temps de collecte et des paramètres géométriques du collecteur. La méthodologie est issue du domaine de la santé au travail (prélèvement individuel) et de la mesure de l'air intérieur, mais elle est de plus en plus utilisée pour les mesures de concentration de polluants dans l'air ambiant. Un aperçu peut être trouvé dans Brown 1993.

Les tubes détecteurs sont souvent utilisés pour l'échantillonnage et l'analyse préparatoire rapide des gaz. Un certain volume d'air de test est aspiré à travers un tube en verre rempli d'un réactif adsorbant correspondant à l'objectif du test. Le contenu du tube change de couleur en fonction de la concentration du matériau à déterminer présent dans l'air d'essai. Les petits tubes à essai sont souvent utilisés dans le domaine de la surveillance du lieu de travail ou comme procédure rapide en cas d'accidents, tels que les incendies. Ils ne sont pas utilisés pour les mesures courantes de concentration de polluants dans l'air ambiant en raison de limites de détection généralement trop élevées et d'une sélectivité trop limitée. Des tubes de test de détecteur sont disponibles pour de nombreux matériaux dans différentes plages de concentration.

Parmi les procédures biologiques, deux méthodes sont devenues acceptées dans la surveillance de routine. Avec la procédure standardisée d'exposition au lichen, le taux de mortalité du lichen est déterminé sur une durée d'exposition de 300 jours. Dans une autre procédure, l'herbe des pâturages français est exposée pendant 14 ± 1 jours. Ensuite, la quantité de croissance est déterminée. Les deux procédures servent de déterminations sommaires des effets de la concentration des polluants atmosphériques.

Réseaux de surveillance de la qualité de l'air

Partout dans le monde, les types les plus variés de réseaux de qualité de l'air sont utilisés. Il convient de distinguer les réseaux de mesure, constitués de stations de mesure automatiques pilotées par ordinateur (conteneurs de mesure), et les réseaux de mesure virtuels, qui définissent uniquement les emplacements de mesure pour différents types de mesures de concentration de polluants atmosphériques sous la forme d'une grille prédéfinie. Les tâches et les conceptions des réseaux de mesure ont été discutées ci-dessus.

Réseaux de surveillance continue

Les réseaux de mesure fonctionnant en continu sont basés sur des stations de mesure automatiques et servent principalement à la surveillance de la qualité de l'air dans les zones urbaines. Les polluants atmosphériques tels que le dioxyde de soufre (SO₂), poussière, monoxyde d'azote (NO), dioxyde d'azote (NO₂), monoxyde de carbone (CO), ozone (O₃), et dans une certaine mesure également la somme des hydrocarbures (méthane libre, C_nH_m) ou des composants organiques individuels (par exemple, benzène, toluène, xylènes). De plus, selon les besoins, des paramètres météorologiques tels que la direction du vent, la vitesse du vent, la température de l'air, l'humidité relative, les précipitations, le rayonnement global ou le bilan radiatif sont inclus.

L'équipement de mesure utilisé dans les stations de mesure se compose généralement d'un analyseur, d'une unité d'étalonnage et d'une électronique de commande et de pilotage, qui surveille l'ensemble de l'équipement de mesure et contient une interface normalisée pour la collecte des données. En plus des valeurs de mesure, l'équipement de mesure fournit des signaux dits d'état sur les erreurs et l'état de fonctionnement. Le calibrage des appareils est vérifié automatiquement par ordinateur à intervalles réguliers.

En règle générale, les stations de mesure sont reliées par des lignes de données fixes, des connexions commutées ou d'autres systèmes de transfert de données à un ordinateur (ordinateur de processus, poste de travail ou PC, selon l'étendue du système) dans lequel les résultats de mesure sont saisis, traités et affiché. Les ordinateurs du réseau de mesure et, si nécessaire, du personnel spécialement formé surveillent en permanence si les différents seuils sont dépassés. De cette manière, les situations critiques de qualité de l'air peuvent être reconnues à tout moment. Ceci est très important, en particulier pour surveiller les situations critiques de smog en hiver et en été (photo-oxydants) et pour l'information publique actuelle.

Réseaux de mesure pour mesures d'échantillons aléatoires

Au-delà du réseau de mesure télémétrique, d'autres systèmes de mesure pour la surveillance de la qualité de l'air sont utilisés à des degrés divers. Les exemples incluent des réseaux de mesure (parfois partiellement automatisés) pour déterminer :

• dépôt de poussière et ses composants
• poussières en suspension (SPM) et ses composants
• hydrocarbures et hydrocarbures chlorés
• matières organiques peu volatiles (dioxines, furanes, biphényles polychlorés).

Une série de substances ainsi mesurées ont été classées cancérigènes, comme les composés du cadmium, les HAP ou le benzène. Leur suivi est donc particulièrement important.

Pour donner un exemple de programme complet, le tableau 7 résume la surveillance de la qualité de l'air qui est systématiquement menée en Rhénanie-du-Nord-Westphalie, qui, avec 18 millions d'habitants, est le Land le plus peuplé d'Allemagne.

Tableau 7. Surveillance systématique de la qualité de l'air en Rhénanie-du-Nord-Westphalie (Allemagne)

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