Surveillance du dioxyde d'azote

Le dioxyde d'azote (NO₂) est un polluant de l'air critique formé lors de processus de combustion à haute température lorsque l'azote atmosphérique (N₂) réagit avec l'oxygène. En tant que principal sous-produit des émissions des véhicules, de la production d'énergie et des activités industrielles, le NO₂ joue un rôle central dans la pollution de l'air urbain. C'est un précurseur de l'ozone au niveau du sol (O₃) et des particules fines (PM₂.₅), qui contribuent tous deux aux maladies respiratoires et à la dégradation de l'environnement.

Réglementé par la Loi sur l'air propre en tant qu'un des six polluants de référence, le NO₂ est étroitement surveillé pour garantir le respect des normes de qualité de l'air. Son impact sur la qualité de l'air va au-delà des risques d'inhalation directe ; il contribue également à la formation de brouillard photochimique, aggravant les problèmes de santé pour les populations vulnérables, en particulier celles souffrant d'asthme ou de conditions respiratoires préexistantes.

Compte tenu de sa réactivité atmosphérique et de sa nature éphémère, une surveillance précise du NO₂ est essentielle pour la gestion de la qualité de l'air. Des techniques de mesure avancées, y compris des analyseurs par chimiluminescence, la spectroscopie optique et des capteurs électrochimiques, permettent une détection précise et une conformité réglementaire. Cet article traite du dioxyde d'azote (NO₂) dans l'air, de ses sources, des niveaux autorisés dans l'air ambiant, des impacts sur la santé et l'environnement, des mesures correctives possibles, de la nécessité de moniteurs de NO₂, et des différentes méthodes de surveillance du NO₂. Il fournit une compréhension complète d'un facteur critique dans la qualité de l'air.

Le dioxyde d'azote (NO₂) est un gaz toxique et hautement réactif qui appartient à la famille des oxydes d'azote (NOₓ). C'est un gaz brun rougeâtre avec une odeur piquante et âcre, et il est plus lourd que l'air, ce qui en fait un polluant atmosphérique significatif, en particulier dans les environnements urbains. Le NO₂ se forme principalement lors des processus de combustion à haute température, où l'azote (N₂) dans l'air réagit avec l'oxygène (O₂). Les principales sources d'émissions de NO₂ comprennent les échappements de véhicules, les centrales électriques, les installations industrielles et la combustion de biomasse.

Caractéristiques des gaz

• État physique : Gaz brun rougeâtre dans des conditions ambiantes ; existe en équilibre avec le tétraoxyde de dinitrogène (N₂O₄) à des températures plus basses.
• Odeur : Forte, piquante et âcre.
• Densité : Plus lourd que l'air, permettant son accumulation dans les zones basses.
• Risques pour la santé : Mortel s'il est inhalé à haute concentration ; provoque une irritation respiratoire sévère et des lésions pulmonaires.
• Réactivité : Les oxydants peuvent intensifier les incendies et réagir avec des matériaux combustibles.
• Réaction à l'eau : Forme de l'acide nitrique (HNO₃) lorsqu'il est combiné avec de l'eau, contribuant aux pluies acides.
• Stabilité : Stocké sous forme de gaz sous pression, avec un risque d'explosion s'il est chauffé.
• Autres noms : Dioxyde d'azote, NO₂, oxyde d'azote, peroxide d'azote, tétraoxyde de dinitrogène, et nitrito.
• Numéro CAS : 10102-44-0.

• L'expression "oxydes d'azote" (NOx) fait référence à la fois au dioxyde d'azote (NO2) et au monoxyde d'azote (NO).
• Le monoxyde d'azote (NO) est un gaz incolore et l'un des principaux oxydes d'azote.
• Le dioxyde d'azote (NO2) est un gaz brun-rouge avec une odeur unique et acide. C'est l'un des plusieurs oxydes d'azote.

Monoxyde d'azote : Le monoxyde d'azote (NO), souvent connu sous le nom de monoxyde d'azote, est un gaz incolore et hautement réactif, ainsi qu'un polluant de l'air majeur. Il se compose d'un atome d'azote lié à un atome d'oxygène. En raison d'un électron imparié, il est très réactif et s'oxyde rapidement en NO₂ dans des conditions atmosphériques.

Dioxyde d'azote :Le dioxyde d'azote (NO2) est un polluant de l'air critique souligné par des lignes directrices sur la qualité de l'air comme celles de l'Organisation mondiale de la santé. Le NO2 est un gaz acide brun-rouge avec une odeur âcre, se dissout dans l'eau et agit comme un fort oxydant et corrosif. Il se forme par l'oxydation du monoxyde d'azote (NO) dans les gaz d'échappement de combustion et dans l'atmosphère. Le gaz NO2 lui-même n'est pas inflammable. Cependant, il peut accélérer la combustion de matériaux combustibles.
 

Dioxyde d'azote dans l'atmosphère :

Le dioxyde d'azote (NO₂) joue un rôle crucial dans la chimie atmosphérique et la qualité de l'air. Il est principalement introduit dans l'atmosphère par le biais de processus de combustion, tels que les émissions des véhicules, les activités industrielles et la production d'électricité. Une fois émis, le NO₂ subit des réactions photochimiques complexes, contribuant à la formation d'ozone (O₃), à la génération de particules fines (PM₂.₅) et aux dépôts acides.

Parmi les composés azotés libérés lors de la combustion, 10 % est du NO2, tandis que 90 % est du NO. Une fois libéré dans l'atmosphère, le dioxyde d'azote peut se combiner avec d'autres produits chimiques atmosphériques pour générer des pluies acides, nuisant aux écosystèmes et aux monuments, structures et sites culturels construits par l'homme. Les oxydes d'azote, y compris le NO₂, produisent des particules de nitrate qui provoquent du brouillard et une visibilité réduite. Des niveaux élevés de NO₂ peuvent causer des dommages environnementaux, y compris la pollution par les nutriments dans les eaux côtières.

Chimie atmosphérique du NO₂

À la lumière du soleil, le NO₂ participe au cycle photolytique, influençant la production d'ozone :

• NO2​+hν→NO+O   (longueur d'onde < 400 nm)
• O+O2→O3

Cette réaction entraîne la formation d'ozone troposphérique, un élément clé du smog, en particulier dans les zones urbaines à forte densité de véhicules. Le NO₂ réagit également avec des radicaux hydroxyles (OH•) et des composés organiques volatils (COV) pour produire des polluants secondaires tels que les nitrates de peroxyacétyle (PAN), qui contribuent au transport de pollution à longue distance.

La chimie atmosphérique dans les zones où les émissions des véhicules sont une source prédominante suit généralement la tendance donnée ci-dessous :

• Il y a souvent une concentration plus élevée de NO2 pendant les heures de pointe du trafic.
• La concentration d'O3 augmente pendant la journée à mesure que la lumière du soleil monte, tandis que la concentration de NO2 diminue. Cela se produit parce que le NO₂ subit une photolyse à la lumière du soleil, initiant des réactions qui conduisent à la formation d'ozone (O₃) en présence de composés organiques volatils (COV).
• En fin de soirée, les concentrations de NO2 s'accumulent car aucune lumière du soleil ne convertit le NO2.

Transformation et dépôt

• Le NO₂ réagit avec l'eau (H₂O) pour former de l'acide nitrique (HNO₃), un composant majeur des pluies acides, qui dégrade le sol, endommage la végétation et acidifie les corps d'eau.
• Il peut se combiner avec de l'ammoniac (NH₃) et d'autres composés pour former des aérosols secondaires, augmentant les concentrations de PM₂.₅, qui posent de graves risques pour la santé.
• Le NO₂ a une courte durée de vie atmosphérique (de quelques heures à un jour) avant d'être éliminé par des dépôts humides et secs, affectant la qualité de l'air locale et régionale.

NO₂ is prevalent in the environment in small quantities, but due to our excessive use of resources and other activities, nitrogen dioxide levels are rising to a dangerous level. Some of the common Natural and man-made sources of NO₂ are listed below:

• Vehicle Emissions – The most significant source of NO₂ pollution, mainly from cars, trucks, and buses.
• Industrial Activities – The second-largest contributor, including manufacturing and heavy industries.
• Power Plants & Thermal Stations – Burning coal, oil, or gas releases NO₂ into the air.
• Wastewater Treatment Plants – Combustion equipment such as boilers, generators, or flares at treatment facilities can emit NOₓ.
• Petroleum Refining – NO₂ is released during oil extraction and refining.
• Pulp and Paper Industry – Some chemical processes used in paper production emit NO₂.
• Diesel-Powered Equipment – Construction and farming machinery using diesel fuel produce NO₂.
• Agriculture – Fermentation in silos releases NO₂, particularly in enclosed storage.
• Chemical Industry – NO₂ is used in polymer production to prevent unwanted reactions and in chemical synthesis for making nitrates, rocket fuel, and even flour bleach.
• Indoor Sources – Gas stoves and kerosene heaters can generate harmful NO₂ levels inside homes.

Did you know this? In 2020, human-made sources in the U.S. emitted 7.64 million short tons of nitrogen oxides (down from 15 million short tons per year in 2011), mainly from burning fuels.

Voici les concentrations de seuil décrivant la qualité de l'air en fonction des concentrations de dioxyde d'azote pour différents pays. Selon les Normes nationales de qualité de l'air ambiant (NAAQS) de l'Inde, la norme de 24 heures pour le NO₂ est de 80 µg/m³.

[Source : Indice national de qualité de l'air ambiant, CPCB (octobre 2014)]

L'Organisation mondiale de la santé (OMS) a mis à jour ses recommandations sur la qualité de l'air pour mieux protéger la santé publique. La nouvelle directive sur le NO2 est fixée à 10 µg/m³ comme moyenne annuelle, marquant une réduction significative de 30 µg/m³ par rapport à la directive précédente établie en 2005. Cette mise à jour souligne l'engagement de l'OMS à améliorer les normes mondiales de qualité de l'air pour protéger la santé publique.

Le tableau ci-dessous représentera les Directives de qualité de l'air intérieur et extérieur de l'OMS pour le NO2

Source - Bibliothèque nationale de médecine 

Limites d'exposition en milieu de travail pour le NO2

• OSHA : La limite d'exposition légale autorisée dans l'air (PEL) est de 5 ppm, ne devant pas être dépassée à tout moment.
• NIOSH : La limite d'exposition recommandée dans l'air est de 1 ppm, qui ne doit pas être dépassée à tout moment.
• ACGIH : La limite d'exposition recommandée dans l'air est de 3 ppm en moyenne sur une période de travail de 8 heures, et de 5 ppm comme STEL (limite d'exposition à court terme).

*Le dioxyde d'azote peut provoquer des mutations. Tout contact avec ce produit chimique doit être réduit au niveau le plus bas possible.

(Source - Fiche de données sur les substances dangereuses)

L'action préventive majeure est de surveiller les niveaux de NO₂, pour lesquels nos moniteurs de qualité de l'air Oizom sont très efficaces. En dehors de cela, certaines méthodes préventives pourraient nous aider à rester en sécurité contre les effets respiratoires de ce gaz :

• Les véhicules avec de faibles taux d'émission peuvent nous aider à limiter la production de NO₂.
• Les carburants alternatifs, tels que les piles à hydrogène et les véhicules électriques, peuvent aider à réduire les émissions de NO₂.
• Évitez la congestion routière. Améliorez l'efficacité des moteurs. Respirer un air aussi pollué au quotidien entraîne également des effets sur la santé à long terme.
• Faites une promenade, utilisez des vélos, les transports en commun ou le covoiturage chaque fois que possible.
• Respirer un air aussi pollué au quotidien entraîne également des effets sur la santé à long terme.
• De plus, limitez les activités en extérieur et fermez les fenêtres et les aérations pendant les périodes de forte pollution de l'air.
• Les industries peuvent utiliser des brûleurs à faibles NOx, en particulier des chaudières industrielles et de services publics, pour réduire les émissions de NOx.
• Les installations de fabrication d'engrais peuvent mettre en œuvre des systèmes de contrôle des émissions pour capturer et traiter les émissions de NOₓ avant leur libération.
• Un environnement confiné est utilisé pour créer des engrais et traiter les gaz produits à l'intérieur.
• Une étude a révélé que la plante de la famille des Lauraceae, l'espèce Glutinosa, réduit les NOx dans l'atmosphère et peut être plantée près des sources d'émissions de NOx (autoroutes et routes).

Source - NAQI selon CBCB. Valeurs moyennes sur 2 heures.

Il existe plusieurs méthodes de surveillance bien établies pour le NO2, dont certaines ne mesurent que le NO2, tandis que d'autres peuvent également mesurer le NO et/ou le NOx. La chimiluminescence, la spectroscopie à décalage de phase atténuée par cavité (CAPS), les semi-conducteurs et l'électrochimie sont différents principes de fonctionnement pour la surveillance des oxydes d'azote dans l'environnement ambiant.

La chimiluminescence pour la surveillance du NOx est la méthode conventionnelle la plus couramment utilisée pour mesurer les niveaux de NOx dans l'air. Elle est basée sur une réaction chimiluminescente entre l'oxyde nitrique (NO) et l'ozone (O3). Dans le moniteur de NOx, l'atmosphère est aspirée dans deux chemins. Dans le premier chemin, le NO2 dans l'échantillon est réduit quantitativement en NO à l'aide d'un convertisseur. Ce NO2 converti et le NO dans l'air réagissent avec l'ozone (produit à l'aide d'un générateur d'ozone) pour générer du NO2 activé. Pendant la conversion, l'énergie lumineuse à une longueur d'onde spécifique est proportionnelle à la quantité de NO+NO2 dans l'échantillon d'air. Dans le second chemin, l'air réagit directement avec O3, c'est-à-dire sans passer par le réacteur, et l'énergie lumineuse produite est directement proportionnelle au NO présent dans l'air. L'intensité lumineuse est mesurée et enregistrée photométriquement depuis les deux chemins. Le signal du second chemin est la quantité de NO présente dans l'échantillon d'air, tandis que la différence électronique des deux chemins est la quantité de NO2 présente dans l'échantillon d'air.

Ce principe est largement utilisé pour la mesure continue du NO et du NOₓ. Le NO₂ est mesuré après conversion catalytique en NO.

La spectroscopie à décalage de phase atténuée par cavité (CAPS) pour la surveillance du NO2 - Le moniteur de NO2 fonctionnant selon le principe CAPS fonctionne comme un spectromètre d'absorption optique qui mesure directement le NO2. La mesure est effectuée dans une cellule optique contrôlée en température contenant des miroirs hautement réfléchissants des deux côtés pour fournir une longueur de chemin optique étendue, une diode électroluminescente (LED) émettant de la lumière UV bleue centrée à 450 nm et un détecteur à photodiode sous vide. Le NO2 présent dans l'air aspiré dans le moniteur de NO2 provoque un décalage de phase dans le signal reçu par un photodétecteur proportionnel à la concentration de NO2.

Méthode électrochimique pour la surveillance du NOx -Les moniteurs de NOx fonctionnant sur le principe électrochimique sont opérés sur la base de la diffusion du gaz cible à travers une membrane jusqu'à une électrode de détection électrochimique, produisant des signaux électriques proportionnels aux concentrations de NO2 et de NO, respectivement. Cela permet une mesure précise même à faibles concentrations de NOx, ce qui est essentiel dans la surveillance du NO2 et du NO pour l'air ambiant.

[Source : https://docs.smartcitizen.me/Components/sensors/Electrochemical%20Sensors/]

Capteurs à oxyde métallique à état solide

Les capteurs à oxyde métallique sont une technologie de capteur proéminente pour mesurer les concentrations de gaz NOx. Les capteurs à oxyde métallique se composent d'éléments capteurs à oxyde métallique chauffants et semi-conducteurs. Le chauffage chauffe la surface de l'élément capteur à 300°-500°C, lui permettant de détecter les gaz par une réaction chimique sur sa surface. Cette réaction modifie la conductivité électrique de l'élément capteur, qui peut être mesurée à l'aide d'un circuit externe pour déterminer le niveau de gaz observé.

Système DOAS (Spectroscopie d'Absorption Optique Différentielle)

Le système de Spectroscopie d'Absorption Optique Différentielle (DOAS) fonctionne en mesurant l'absorption de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques alors qu'elle passe à travers une colonne d'air. Il se compose d'un émetteur, d'un récepteur et d'un analyseur. L'émetteur projette de la lumière, y compris des longueurs d'onde visibles, ultraviolettes et infrarouges, sur un chemin de plusieurs centaines de mètres. La quantité de lumière absorbée est corrélée à la concentration de polluants, selon la loi de Beer-Lambert.

Le récepteur capture la lumière transmise et l'oriente vers l'analyseur. L'analyseur utilise un spectromètre pour diviser la lumière en bandes de longueur d'onde étroites et compare les données d'absorption avec des spectres de référence. Ce système fournit des mesures de polluants à haute précision en temps réel, ce qui le rend efficace pour surveiller la qualité de l'air sur de grandes distances.

Comparaison des techniques de surveillance

Oizom fournit une gamme de modules de capteurs de dioxyde d'azote (NO2) et de monoxyde d'azote (NO) pour surveiller les niveaux variés de NO2 et de NO en fonction de vos besoins. Nos capteurs mesurent avec précision le NO2 et le NO dans des conditions ambiantes, détectant des concentrations en ppb/ppm. Ce capteur surveille le dioxyde d'azote et le monoxyde d'azote en temps réel. Ce capteur est intégré dans un boîtier en métal et des électroniques de support à très faible bruit, le rendant compact et fiable. Cela permet une détection précise des gaz même à des concentrations très faibles dans l'atmosphère. Ce capteur fonctionne selon le principe de travail électrochimique pour mesurer la qualité de l'air environnemental.

Ce capteur subit une calibration en utilisant des gaz et des outils standards pour garantir une haute sensibilité et précision. Chaque capteur de gaz est calibré avec des vérifications de zéro et d'étendue dans un laboratoire contrôlé, conformément à la section 12.2 du Manuel d'Assurance Qualité de l'EPA des États-Unis pour les Systèmes de Mesure de la Pollution de l'Air Volume II. La calibration est effectuée en utilisant des normes de gaz traçables NIST pour des performances fiables.

Le module de capteur NO2 et NO est intégré dans des systèmes de surveillance de la qualité de l'air extérieur tels que Polludrone, AQBot et Odosense. Il est idéal pour la surveillance de campus, les villes intelligentes, les industries, les stations de traitement des eaux usées, les routes, les projets de recherche et les évaluations d'impact environnemental. En utilisant ce module de capteur, les utilisateurs peuvent s'assurer qu'ils reçoivent des données précises et en temps réel sur les niveaux de NO2 et de NO, aidant à la surveillance et à la gestion efficaces de la qualité de l'air dans divers environnements.

1. Compact : Nos capteurs sont petits et faciles à installer, parfaits pour une utilisation dans n'importe quel espace, ce qui les rend idéaux pour la surveillance de la qualité de l'air portable. Les capteurs de NO2 et de NO sont pré-calibrés et peuvent être rapidement remplacés en quelques minutes en retirant et en remplaçant l'ancien capteur par un nouveau.
2. Durable : Les capteurs de NO2 et de NO ont une longue durée de vie d'environ deux ans.
3. Efficacité Énergétique : Il n'est pas nécessaire de s'inquiéter de la consommation d'énergie car nos capteurs sont non seulement précis mais aussi écoénergétiques. Alimentés par seulement 3.3 à 5V pour une performance efficace et fiable !
4. Technologie de capteur interne : Oizom applique des algorithmes avancés de traitement des données pour compenser les effets de la température et de l'humidité sur la sortie du capteur. L'algorithme est conçu pour se mettre à jour automatiquement en fonction des conditions météorologiques et des changements saisonniers, supprimant leur influence sur la performance du capteur. Les algorithmes avancés compensent également l'effet des gaz cross-sensibles.
5. Électronique ultra-basse bruit : Le design du module capteur est crucial pour des mesures précises. Chaque capteur est logé dans un boîtier métallique avec une électronique ultra-basse bruit et un PCB de base. Le boîtier métallique protège le capteur et l'électronique des interférences électromagnétiques, prévenant ainsi les fausses lectures.
6. Conforme RoHS : Nos capteurs sont conformes aux critères RoHS pour la restriction des substances dangereuses dans les dispositifs électriques et électroniques.

• Le NO2 et le NO sont des polluants majeurs des émissions des véhicules et de la production d'énergie, entraînant une mauvaise qualité de l'air dans presque toutes les régions urbaines.
• Le NOx, en plus d'affecter la santé humaine et l'environnement lui-même, a le potentiel de produire des « polluants secondaires » tels que l'ozone, le smog, l'acide nitrique et les particules, qui ont des effets néfastes sur la santé et l'environnement.
• Lorsqu'il est inhalé, le NOx cause des dommages aux tissus pulmonaires et réduit le fonctionnement du système respiratoire, rendant les enfants, les personnes souffrant de maladies pulmonaires telles que l'asthme et les personnes qui travaillent ou exercent à l'extérieur plus sensibles aux impacts négatifs sur la santé.
• La surveillance du NOx est un moyen efficace de prévenir l'accumulation de niveaux élevés de NOx. Elle aide à détecter des concentrations élevées de NOₓ dans l'air ambiant et alerte les utilisateurs lorsque les niveaux de polluants dépassent des seuils définis.

La surveillance en temps réel des niveaux de NOx aide à calculer l'indice de qualité de l'air, qui est utilisé pour émettre des avis de santé et formuler un plan d'action pour respecter les normes.