Etude de la pollution de l’air

L’étude de la pollution de l’air ne peut se faire sans une connaissance granulométrique de ces particules en suspension. Les particules en suspension sont formées de matière solide ou soit de matière liquide excepté les gouttelettes d’eau. Ainsi, la mesure granulométrique des aérosols est basée sur plusieurs principes physiques différents. Les voies respiratoires permettent l’apport de l’oxygène à l’organisme mais apporte également les aérosols et les autres gaz présents dans l’air. L’inhalation est la principale voie d’entrée des particules dans le corps humain, celles-ci peuvent présenter un risque pour la santé. En effet, suivant leurs tailles, les particules peuvent pénétrer plus ou moins profondément dans le système respiratoire. Les plus petites d’entre elles, ne sont pas arrêtées par les mécanismes de filtration du corps humain. Elles peuvent atteindre les alvéoles.

Les impacts liés à la pollution particulaire de l’air sont devenus ces dernières années une préoccupation permanente pour les pouvoirs publics, les scientifiques et même la société civile. Ce qui, nous a conduits à choisir le thème intitulé «Optimisation d’un impacteur en cascade à huit étages en utilisant le langage Dev C++ ». Les problèmes causés par les particules en suspension dans l’air les ont placées sur des questions environnementales variées. Ces impacts sur la santé de l’homme en est une preuve évidente. Ainsi, il importe de savoir avec quel type d’air sommes-nous disposés à respirer dans notre quotidien. D’un point de vue métrologique, il convient donc de disposer d’échantillonneurs spécifiques et adaptés aux paramètres recherchés (concentration massique, taille, distribution dimensionnelle, composition chimique, etc.).

Généralités sur la pollution de l’air

La pollution atmosphérique résulte soit d’une modification quantitative de l’air, par hausse de la concentration dans l’air de certains constituants normaux, soit une modification qualitative de l’air due à l’introduction de composés anthropiques à ce milieu, soit encore, de la conjugaison de ces deux phénomènes.

Notions sur l’atmosphère

La structure verticale de l’atmosphère peut être décrite de plusieurs façons en fonction du choix du paramètre physico-chimique à étudier. La température sert le plus souvent à caractériser cette succession des couches. Ainsi, cette structure est décrite comme une superposition de quatre régions thermiques délimitées par des couches de transitions de faibles épaisseurs : la thermosphère, la mésosphère, la stratosphère et la troposphère. Dans la troposphère, la température décroit régulièrement à un taux moyen de 6°C par kilomètre, cette décroissance est variable suivant la saison et la latitude. La troposphère peut être divisée en deux régions, la troposphère libre et la couche limite. Ainsi, la couche limite est fortement affectée par les phénomènes de pollution [3]. Les aérosols émis dans l’atmosphère sont majoritairement situés dans la troposphère, et plus particulièrement dans la couche limite, à moins de 1,5km d’altitude.

Différents types des aérosols

Les aérosols atmosphériques sont, soit d’origine naturelle, soit le résultat de l’activité humaine. Les aérosols atmosphériques sont classiquement décrits selon leur origine. En somme, les aérosols présents dans l’atmosphère sont un mélange des aérosols anthropiques et naturels.

Aérosols naturels
La génération d’aérosols peut être d’origine naturelle. Les sources naturelles sont essentiellement constituées par les océans (embruns marins), l’érosion des sols, les volcans, les feux de forêts, les grains de pollen et les feux de brousse.

Aérosols terrigènes ou poussières
Ces aérosols proviennent des surfaces continentales telles que les déserts ou les sols nus. Ils sont injectés dans l’atmosphère par le soulèvement de particules au sol sous l’action du vent et les plus petites particules peuvent parcourir des distances supérieures aux milliers de kilomètres. Ces aérosols sont ceux qui se retrouvent en plus grande quantité dans l’atmosphère. Ils ont un impact important aux niveaux sanitaire et climatique [1].

Aérosols océaniques ou embruns
Les océans sont responsables de la production des aérosols marins qui sont connus sous le nom du « spray » océaniques. Ils sont produits dans les vagues déferlantes et sous l’action du vent lors de la formation des gouttelettes d’eau chargées de sels marins. Par évaporation, ces gouttelettes d’eau se transforment en cristaux solides. Ils sont formés par les vagues (embruns) et par l’évaporation de l’eau à la surface des océans les aérosols solubles [2].

Aérosols volcaniques
Les volcans projettent de façon discontinue des particules dans l’atmosphère. Deux types d’aérosols sont directement émis : les aérosols silicatés et les aérosols sulfatés. Les aérosols silicatés contiennent en grande proportion des métaux lourds tandis que les aérosols sulfatés résultent de la transformation des gaz volcaniques soufrés au contact de la vapeur d’eau qui refroidit et se condense. Ces aérosols sont principalement constitués de dioxyde de soufre émis par les éruptions volcaniques et rejetés dans la stratosphère.

Aérosols anthropiques
Les sources anthropiques sont très variées et sont constituées principalement par l’industrie, les transports, les combustions, l’incinération des déchets; etc… .

Composés organiques volatiles (COV)
Les COV regroupent une multitude de substances et ne correspondent pas à une définition très rigoureuse. Les hydrocarbures appartiennent aux COV. Ceci est sans doute dû au fait que l’on exprime souvent les COV en hydrocarbures totaux (notés HC), en équivalent méthane ou propane, ou par rapport à un autre hydrocarbure de référence. Il est fréquent de distinguer séparément le méthane (CH4) qui est un COV particulier, naturellement présent dans l’air, des autres COV pour lesquels on emploie alors la notation COVNM [5].

Produits Organiques Persistants (POP)
Ce sont des résidus industriels souvent toxiques, mutagènes et cancérigènes, qui interfèrent avec notre système hormonal et sexuel. La liste la plus communément admise est la suivante : Trichloréthylène (TRI), Trichloroéthane (TCE), Tetrachloroéthylène (PER), Dioxines et furanes (Diox), Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), Polychlorobiphényles (PCB) et Hexa chlorobenzène (HCB) [8]. Ils sont semi volatiles et circulent plus ou moins bien dans l’air, en fonction de la température de celui-ci : dans les endroits froids, leur volatilité est réduite et ils se concentrent donc dans les régions tempérées et polaires. Ils sont lipophiles, avec attirance forte pour les tissus adipeux où ils se concentrent généralement.

Chlorofluorocarbones
Les fréons sont largement répandus comme liquides réfrigérants dans la réfrigération et les climatiseurs, comme dissolvants dans les décapants, en particulier pour les cartes électroniques, en tant qu’agents de soufflage dans la production de mousse, et comme propulseurs en aérosols. Ils contiennent des atomes de fluor, des atomes de carbone et des atomes de chlore. Les cinq principaux chlorofluorocarbones incluent le CFC-11 (trichlorofluorométhane – CFCl3), CFC-12 (dichlorodifluorométhane – CF2Cl2), CFC-113 (trichlorotrifluoroéthane – C2F3Cl3), CFC-114 (dichlorotetrafluoroéthane – C2F4Cl2), et CFC-115(chloropentafluoroéthane – C2F5Cl) .

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LA POLLUTION DE L’AIR
I.1. Généralités sur la pollution de l’air
I.1.1. Notions sur l’atmosphère
I.1.2. Différents types des aérosols
I.1.2.1. Aérosols naturels
I.1.2.1.a. Aérosols terrigènes ou poussières
I.1.2.1.b. Aérosols océaniques ou embruns
I.1.2.1.c. Aérosols volcaniques
I.1.2.2. Aérosols anthropiques
I.1.2.2.1. Composés organiques volatiles
I.1.2.2.2. Produits Organiques Persistants
I.1.2.2.3. Chlorofluorocarbones
I.1.2.2.4. Métaux lourds
I.1.2.2.5. Carbone organique
I.1.2.2.5.a. Fraction primaire
I.1.2.2.5.b. Fraction secondaire
I.1.2.2.6. Carbone élémentaire
I.1.2.2.7. Sources de COV
I.1.3. Impacts de la pollution de l’air
I.1.3.1. Effets sur la santé
I.1.3.2. Effet sur l’environnement
I.1.3.3. Effet sur le climat
I.1.3.4. Effet de serre
I.1.3.5. Forçage radiatif
I.1.3.5.a. Effets radiatifs directs
I.1.3.5.b. Effets radiatifs semi-directs
I.1.3.5.c. Effets radiatifs indirects
I.2. Formation des aérosols
I.2.1. Principaux modes de formation
I.2.1.1. Nucléation
I.2.1.1.a. Nucléation homogène/hétérogène
I.2.1.1.b. Nucléation homo-moléculaire
I.2.1.2. Coagulation
I.2.1.3. Condensation / Evaporation
I.2.2. Composition des particules
I.2.2.1.a. Cas des espèces minérales
I.2.2.1.b. Cas des espèces organiques
I.2.3. Répartition
I.2.4. Dépôt
I.2.4.1.a. Dépôts secs
I.2.4.1.b. Dépôts humides
I.2.5. Formation d’AOS en phase aqueuse
I.2.6. Rapport de saturation
CHAPITRE II : THEORIE DE LA FILTRATION ET NOTIONS DE DIAMETRES EQUIVALENTS
II.1. Théorie de la filtration
II.1.1. Introduction
II.1.2. Types de filtres
II.1.3. Différents types de filtrations
II.1.3.1. Filtration stationnaire
II.1.4. Présentation des différentes méthodes de mesures
II.1.5. Mécanismes de capture en filtration
II.1.5.1.a. Capture inertielle
II.1.5.1.b. Diffusion brownienne
II.1.5.1.c. Capture par interception
II.1.5.1.d. Effet électrostatique
II.1.6. Dépôts des aérosols sur les filtres
II.1.7. Principe de fonctionnement
II.1.8. Caractéristiques physiques des filtres
II.1.8.1. Efficacité
II.1.8.2. Perte de charges
II.1.8.3. Grammage
II.1.8.4. Compacité
II.1.8.5. Diamètre de fibres
II.1.9. Variables influant sur l’efficacité de la filtration
II.1.9.1. Vitesse de filtration et débit d’air
II.1.9.2. Temps d’exposition du filtre
II.1.9.3. Etat de charges des particules
II.1.9.4. Nombre de Peclet
II.2. Notions de diamètres équivalents
II.2.1. Diamètre équivalent en volume
II.2.2. Diamètre équivalent en masse
II.2.3. Diamètres équivalents de Stokes
II.2.4. Diamètres équivalents géométriques
II.2.5. Diamètre médian
II.2.6. Diamètre aérodynamique
II.2.7. Diamètre de mobilité électrique
II.3. Force de traînée d’une particule
II.3.1. Régime d’écoulement
II.3.2. Nombre de Knudsen
II.3.3. Facteur de correction de Cunningham
II.3.4. Facteur de forme dynamique
CHAPITRE III: THEORIE DE L’IMPACTEUR
III.1. Théorie de l’impacteur
III.2. Description de l’impacteur en cascade
III.2.1. Principe de fonctionnement
III.2.2.Rebond de particules
III.2.3. Courbe d’efficacité
III.2.4.Mouvement Curviligne
III.2.4.1. Equations de mouvement d’une particule
III.2.5.Nombres adimensionnels
III.2.5.1.Nombre de Reynolds
III.2.5.2. Nombre de Stokes
III.3. Considérations et Procédure de conception
III.3.1. Description
III.3.1.1 Considérations de conception
III.3.1.2. Caractéristiques d’un étage d’impaction
III.3.1.3. Paramètres géométriques
III.3.1.4. Nombre de Reynolds de gicleur
III.3.1.5. Nombre de Reynolds de particules
III.3.1.6. Diamètre de coupure des étages d’impaction
III.4. Etalonnage de l’impacteur
III.5. Impacteurs à plusieurs jets
III.6. Procédure de conception
CHAPITRE VI : PROGRAMMATION ET PRESENTATION DES RESULTATS
IV.1. Introduction
IV.2. Outils mathématiques
IV.2.1. Fonction sigmoïde
IV.2.1.1. Propriétés graphique
IV.3. Programmation
IV.3.1. Algorithme
IV.3.2. Programme en Dev C++
IV.4. Résultats des différents étages
IV.4.1. Premier étage
IV.4.2. Deuxième Etage
IV.4.3. Troisième étage
IV.4.4. Quatrième étage
IV.4.5. Cinquième étage
IV.4.6. Sixième étage
IV.4.7. Septième étage
IV.4.8. Huitième étage
IV.5. Observation
IV.6. Interprétation des résultats
IV.7. Récapitulation des huit des courbes d’efficacité
IV.8. Conclusion
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
LISTE DES ANNEXES

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