Surveillance de l'oxyde d'azote

Le saviez-vous ? L'azote (N) est un élément fondamental qui constitue environ 78 % de l'atmosphère terrestre. Lorsque deux atomes d'azote se lient, ils forment du gaz azoté (N₂), un gaz stable et inerte essentiel à la vie sur Terre. Cependant, dans des conditions de haute température, comme celles qui se produisent lors de la combustion de combustibles fossiles, l'azote se combine avec l'oxygène pour former des oxydes d'azote (NOx). Les oxydes d'azote les plus courants sont le monoxyde d'azote (NO) et le dioxyde d'azote (NO₂). Le dioxyde d'azote, en particulier, est un polluant atmosphérique important connu pour nuire à la santé humaine et à l'environnement.

Le monoxyde d'azote (NO) se forme naturellement par des impacts de foudre et des processus microbiens dans le sol. Pourtant, ses principaux contributeurs sont les processus de combustion, tels que les moteurs de véhicules, les fours industriels et les centrales électriques, où l'azote de l'air réagit avec l'oxygène sous une chaleur extrême. Bien que le NO joue des rôles biologiques importants dans le corps humain, il n'est pas émis directement par la respiration humaine. Le NO ne nous affecte pas sous sa forme naturelle. 

Cet article explore en profondeur les oxydes d'azote, couvrant leurs sources principales, les concentrations d'air ambiant autorisées, les impacts sur la santé humaine et les écosystèmes, les mesures correctives pour réduire les émissions, l'importance de surveiller les niveaux de NO, et un aperçu des méthodes de surveillance efficaces du NO. Comprendre les oxydes d'azote nous aide à gérer et à améliorer la qualité de l'air, protégeant ainsi notre santé et l'environnement.

• L'expression "oxydes d'azote" (NOx) se réfère 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-roux avec une odeur unique et acide. C'est l'un des plusieurs oxydes d'azote.

Oxyde Nitrique : Le monoxyde d'azote (NO), souvent connu sous le nom d'oxyde nitrique, est un gaz incolore avec une odeur forte et sucrée et un polluant atmosphérique dangereux. Il se compose d'un atome d'azote lié à un atome d'oxygène. En raison d'un électron non apparié, il est très réactif et donc rapidement oxydé (dans les quelques minutes) en NO2. 

Dioxyde d'azote : Le dioxyde d'azote (NO2) est un polluant atmosphérique critique mis en évidence par des directives de qualité de l'air comme celles de l'Organisation mondiale de la santé. Le NO2 est un gaz acide brun-roux avec une odeur forte, il se dissout dans l'eau et agit comme un oxydant puissant et corrosif. Il se forme lorsque l'oxyde nitrique (NO) s'oxyde lors de la combustion, comme dans les moteurs diesel et les centrales électriques brûlant du charbon, du pétrole, du gaz, du bois ou des déchets. Le gaz NO2 lui-même n'est pas inflammable. Cependant, il peut accélérer la combustion de matériaux combustibles.

Oxyde nitrique (NO) dans l'atmosphère

C'est un gaz incolore et hautement réactif présent naturellement dans l'atmosphère terrestre. Bien qu'il soit naturellement formé par des éclairs et des processus microbiens dans le sol, sa principale source atmosphérique est la combustion, en particulier des véhicules, de la production d'énergie et des processus industriels. En raison de son électron non apparié, l'oxyde nitrique s'oxyde rapidement, généralement en quelques minutes, pour former du dioxyde d'azote (NO₂), un polluant secondaire nocif. Cette transformation rapide contribue de manière significative à la pollution de l'air urbain, à la formation de smog et à la dynamique de la chimie atmosphérique, y compris la formation d'ozone troposphérique. 

Le NO atmosphérique affecte également indirectement les écosystèmes en conduisant à la pluie acide, à l'acidification du sol et à un déséquilibre nutritif, ce qui a un impact négatif sur la biodiversité et la santé de la végétation. Il est donc essentiel de surveiller l'oxyde nitrique dans l'atmosphère, non seulement pour évaluer la qualité de l'air immédiate mais aussi pour prédire et gérer la formation de polluants secondaires. Une mesure et une gestion efficaces du NO aident à atténuer ses impacts environnementaux et sur la santé, favorisant des écosystèmes plus sains et une meilleure santé publique.

L'oxyde nitrique provient principalement des processus de combustion impliquant des températures élevées, mais les sources naturelles contribuent également de manière significative :

Sources anthropiques (Créées par l'homme) :

• Émissions de véhicules : Les moteurs à combustion interne, en particulier les véhicules à essence et diesel, émettent de grandes quantités de NO en raison des réactions à haute température entre l'azote et l'oxygène de l'atmosphère.
• Combustion industrielle : Les centrales électriques, les usines de ciment, les incinérateurs de déchets et les chaudières industrielles génèrent d'importantes émissions de NO par le biais de processus de combustion, principalement via l'oxydation thermique (mécanisme de Zeldovich).
• Combustion de combustibles : La combustion de combustibles contenant de l'azote organique (par exemple, le charbon et la biomasse) conduit à l'émission directe de NO par la formation de NO à partir du combustible.

Sources naturelles :

• Foudre : La formation naturelle d'oxydes d'azote, y compris le NO, se produit notamment lors d'événements de foudre. Une seule frappe de foudre, atteignant des températures allant jusqu'à 30 000 kelvins (~53 540 °F), facilite des réactions convertissant l'azote et l'oxygène atmosphériques directement en NO. Des frappes de foudre frappent la Terre environ 100 fois par seconde dans le monde, et ces événements contribuent de manière significative aux niveaux ambiants de NO.
• Processus biogéniques : L'activité microbienne du sol (nitrification et dénitrification) et les feux de forêt produisent de faibles mais mesurables quantités de NO.

À l'échelle mondiale, les normes réglementairestraitent généralement les oxydes d'azote collectivement comme NOx (y compris NO et NO₂). Plus précisément, pour le monoxyde d'azote (NO), les normes sont souvent implicites dans des limites NOx plus larges plutôt qu'établies séparément, car NO se convertit rapidement en NO₂ dans l'atmosphère.

Ci-dessous se trouvent les concentrations de rupture décrivant la qualité de l'air en fonction des concentrations de dioxyde d'azote pour différents pays. En Inde, les niveaux quotidiens de NO2 allant jusqu'à 80 µg/m3 sont considérés comme satisfaisants. 

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

L'Organisation mondiale de la santé (OMS) a mis à jour ses directives sur la qualité de l'air pour mieux protéger la santé publique. La nouvelle directive sur le NO2 est fixée à 10 µg/m³ en 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 professionnelle pour le NO2

• OSHA : La limite légale d'exposition autorisée dans l'air (PEL) est de 5 ppm, à ne pas dépasser 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 en tant que STEL (limite d'exposition à court terme). 

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

(Source - Fiche d'information sur les substances dangereuses)

Bien que l'oxyde nitrique lui-même ne soit pas considéré comme directement nocif à des concentrations ambiantes typiques, son oxydation atmosphérique rapide en dioxyde d'azote (NO₂) a de sérieuses implications tant pour la santé humaine que pour les écosystèmes environnementaux :

Impacts sur la santé humaine :

• Préoccupations respiratoires : Bien que le NO seul ait des effets respiratoires directs minimes, il se transforme rapidement en NO₂, qui peut irriter les voies respiratoires, aggraver l'asthme et réduire la fonction pulmonaire.
• Polluants secondaires : Le NO joue un rôle clé dans la formation photochimique d'ozone au niveau du sol (O₃), un irritant respiratoire lié aux maladies respiratoires chroniques, aux problèmes cardiovasculaires et aux effets négatifs sur la santé.

Impacts environnementaux :

• Formation de pluie acide : Les produits d'oxydation du NO, principalement l'acide nitrique (HNO₃), contribuent à la déposition acide, entraînant l'acidification des sols, des écosystèmes d'eau douce et des forêts. Cette acidification perturbe le cycle des nutriments, diminue la biodiversité et affecte négativement la productivité des écosystèmes.
• Perte d'écosystème et de biodiversité : L'exposition prolongée aux oxydes d'azote altère les écosystèmes terrestres et aquatiques, facilitant l'eutrophisation, la réduction de la biodiversité et la dégradation des habitats.
• Formation d'ozone troposphérique : La conversion du NO en NO₂ catalyse des réactions produisant de l'ozone troposphérique, nuisant à la végétation, réduisant les rendements des cultures et contribuant au changement climatique mondial.

Étant donné ces impacts, une surveillance précise et continue des concentrations de NO est essentielle pour informer des mesures de contrôle de la pollution efficaces, le respect des réglementations et une gestion environnementale proactive.

L'action préventive majeure est de surveiller les niveaux de NO, 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 face aux effets respiratoires de ce gaz :

Mettre en œuvre des technologies de contrôle de la combustion :

Optimiser les processus de combustion en ajustant les rapports air-carburant, en maintenant des températures de brûleur optimales et en améliorant l'efficacité de la combustion pour réduire significativement la formation de NO.

Utilisation de systèmes de réduction des NOx (SCR et SNCR) :

Déployer les technologies de réduction catalytique sélective (SCR) et de réduction non catalytique sélective (SNCR) dans les chaudières industrielles et les centrales électriques pour réduire chimiquement le NO émis en azote inoffensif (N₂).

Transition vers des combustibles plus propres et des énergies renouvelables :

Encourager un passage à des combustibles plus propres (par exemple, gaz naturel) ou à des sources d'énergie renouvelables (solaire, éolien) pour réduire les émissions de NO issues de la combustion de combustibles fossiles.

Améliorer les normes d'émission des véhicules :

Adopter des systèmes avancés de traitement des gaz d'échappement, y compris des catalyseurs, dans les véhicules pour réduire efficacement les émissions de NO, tout en promouvant le transport électrique et hybride.

Surveillance régulière et application des réglementations :

Effectuer une surveillance régulière du NO pour garantir une stricte conformité aux réglementations environnementales, permettant des actions correctives en temps voulu et des réductions durables des émissions de NO.

Il existe plusieurs méthodes de surveillance bien établies pour le NO2, certaines d'entre elles ne pouvant mesurer que le NO2, tandis que d'autres peuvent également mesurer le NO et/ou le NOx. La chimiluminescence, la spectroscopie par déplacement 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. 

Chimiluminescence pour la surveillance du NOx est la méthode conventionnelle la plus couramment utilisée pour mesurer les niveaux de NOx dans l'air. Elle repose 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 en utilisant un générateur d'ozone) pour générer du NO2 activé. Au cours de 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 deuxième 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 à partir des deux chemins. Le signal du deuxième 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 utilisé pour la mesure continue de la concentration des oxydes d'azote (NOx : NO + NO2), NO, NO2 et ammoniac (NH3) dans les gaz échantillons.

[Source : https://www.researchgate.net/figure/Typical-chemiluminescence-analyzer_fig2_10689913]

Figure - Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur de gaz utilisant la méthode de chimiluminescence.

Source- https://www.horiba.com/int/process-and-environmental/measuring-principles/chemiluminescence/ 

La spectroscopie par déplacement de phase atténuée par cavité (CAPS) pour la surveillance du NO2 - Le moniteur de NO2 fonctionnant selon le principe CAPS opère comme un spectromètre d'absorption optique qui mesure directement le NO2. La mesure est effectuée dans une cellule optique à température contrôlée contenant des miroirs hautement réfléchissants de chaque côté pour fournir une grande longueur de chemin optique, une diode électroluminescente (DEL) bleue émettant de la lumière ultraviolette 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 dioxyde d'azote et de l'oxyde nitrique dans le capteur respectif, produisant des signaux électriques proportionnels à la concentration de NO2 et de NO, respectivement. Cela permet une mesure précise même des faibles concentrations de NOx, ce qui est essentiel dans la surveillance du NO2 et du NO pour l'air ambiant. 

[Source : Documentation des capteurs iSCAPE]

Capteurs à oxyde métallique à état solide

Les capteurs à oxyde métallique sont une technologie de capteur prédominante pour mesurer les concentrations de gaz NOx. Les capteurs à oxyde métallique se composent d'éléments de détection en oxyde métallique chauffant et semi-conducteur. Le chauffage chauffe la surface de l'élément de détection à 300°-500°C, ce qui lui permet de détecter les gaz via une réaction chimique sur sa surface. Cette réaction modifie la conductivité électrique de l'élément de détection, 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 lorsqu'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 parcours de plusieurs centaines de mètres. La quantité de lumière absorbée est corrélée à la concentration de polluants, sur la base de la loi de Beer-Lambert.

Le récepteur capture la lumière transmise et la dirige 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 processus permet la détection et la quantification simultanées de plusieurs gaz en analysant leurs caractéristiques d'absorption uniques.

Ce système fournit des mesures de polluants à haute précision en temps réel, ce qui le rend efficace pour la surveillance de la qualité de l'air sur de grandes distances.

Fig - Illustration d'une unité émettrice de spectroscopie d'absorption optique différentielle

Source-(https://www.qld.gov.au/environment/management/monitoring/air/air-monitoring/measuring/measuring-pollutants)

Comparaison des techniques de surveillance

Oizom propose une gamme de modules de capteurs de dioxyde d'azote (NO2) et de monoxyde d'azote (NO) pour surveiller les niveaux variables 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 ultra-basse 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 fonctionnement électrochimique pour mesurer la qualité de l'air environnemental.

Ce capteur subit une calibration 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 réalisée en utilisant des normes de gaz traçables par le NIST pour une performance fiable.

Le module de capteur NO2 et NO est intégré dans des systèmes de surveillance de la qualité de l'air extérieur comme Polludrone, Pollusense, AQBot et Odosense. Il est idéal pour la surveillance des campus, les villes intelligentes, les industries, les stations d'épuration, 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, facilitant la surveillance et 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 portable de la qualité de l'air. Les capteurs de NO2 et de NO sont pré-calibrés et peuvent être rapidement remplacés en quelques minutes en retirant l'ancien capteur et en le remplaçant par un nouveau. 
2. Durable : Les capteurs de NO2 et de NO ont une longue durée de vie de presque deux ans.
3. Énergie Efficace : Il n'est pas nécessaire de s'inquiéter de la consommation d'énergie car nos capteurs sont non seulement précis mais aussi écoénergétiques. Alimentés simplement avec 3.3 à 5V pour des performances efficaces et fiables !
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, éliminant leur influence sur la performance du capteur. Les algorithmes avancés compensent également l'effet des gaz croisants sensibles.
5. Électroniques à Ultra-Basse Noise : La conception du module de capteur est cruciale pour des mesures précises. Chaque capteur est logé dans un boîtier métallique avec des électroniques à ultra-basse noise et un PCB de base. Le boîtier métallique protège le capteur et les électroniques des interférences électromagnétiques, empêchant des lectures erronées.
6. Conforme RoHS : Nos capteurs sont conformes aux critères RoHS pour la restriction des substances dangereuses dans les appareils 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 au tissu pulmonaire et une réduction du fonctionnement du système respiratoire, rendant les enfants, les personnes atteintes de maladies pulmonaires telles que l'asthme, et les personnes qui travaillent ou font de l'exercice à l'extérieur plus susceptibles aux effets néfastes sur la santé.
• La surveillance du NOx est un moyen efficace de prévenir l'accumulation de niveaux élevés de NOx. Elle aide à détecter la quantité de NOx que nous respirons et nous alerte lorsqu'un certain niveau est dépassé.
• 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.