ADEME Nano-Indus

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« Les particules fines émises par la métallurgie :
Caractérisation physico-chimique et processus de formation ».

Projet financé par l’ADEME (Cortea) – convention n°1181C0089.

L’objectif général de ce projet est de contribuer à améliorer notre connaissance des nanoparticules émises par la métallurgie, des précurseurs de ces particules et de leur comportement vis-à-vis de « fluides biologiques » (bioaccessibilité).

  • Présentation du projet
  • Objectifs de l’étude
  • Description du site industriel étudié
  • Structuration et phasage du projet
  • Tâche 2 : Etude préliminaire et implantation de la plate-forme instrumentée
  • Tâche 3 : Prélèvements et Mesures à l’émission
  • Tâche 4 : Campagne d’observations intensives en champ proche
  • Tâche 6 : Compilation et Analyse des résultats

Présentation du projet

Résumé du Projet :

L’industrie manufacturière concoure pour près de 30% aux émissions de particules primaires de PM2.5 (CITEPA, 2010), fraction de la matière particulaire atmosphérique communément appelée « particules fines ». Ces particules fines intègrent les nanoparticules qui représentent en fait la grande majorité (en nombre) des aérosols atmosphériques. Les émissions de nanoparticules secondaires issues des gaz co-émis (nucléation, puis grossissement par condensation), de même que l’évolution en champ proche de ces aérosols primaires et secondaires (moins de 1000m de l’émissaire) sont encore mal connues.

Dans ce cadre, le projet Nano-Indus vise à améliorer nos connaissances sur les émissions de polluants industriels, de leurs précurseurs et les formations et transformations de ces composés en champ proche de la source en situation réelle, c’est-à-dire durant un fonctionnement normal du procédé de fabrication. Il propose la caractérisation de la phase particulaire et gazeuse sur le site d’une industrie caractéristique de la région Dunkerquoise, par la combinaison de mesures à la source (cheminées) et dans l’environnement immédiat des ateliers (moins de 1000m, soit en champ proche). Ces dernières feront notamment l’objet d’une campagne en continu de quelques semaines, dite « campagne intensive ».

Ce projet fédère autour des industriels « Vale Manganèse France » et « LECES » un consortium de scientifiques issus des organismes suivants :

Objectif de l’étude

L’objectif du projet Nano-Indus est de répondre aux 4 questions suivantes :

Q1: Dans quelle mesure les réactions chimiques et transformations physiques au sein des panaches modifient-elles les particules fines émises ?
Q2: Dans quelle mesure ces évolutions peuvent-elle être reliées à la nature et à la concentration des gaz co-émis ?
Q3: A l’échelle individuelle les particules « exportées » sont elles proches (morphologie, composition chimique) des particules émises?
Q4: La bioaccessibilité des particules fines diffère-t-elle selon le point de collecte (cheminée/environnement)?

 

Le projet permettra notamment de :

  1. Apprécier les différences éventuelles entre ateliers
  2. Etablir l’évolution de ces émissions entre la cheminée et la limite du site industriel
  3. Documenter la part prise par les émissions diffuses
  4. Renseigner les processus à l’origine des évolutions constatées
  5. Estimer la bioaccessibilité des composés potentiellement toxiques présents au sein des particules fines
  6. Proposer une méthodologie transposable à l’étude d’autres activités industrielles

Description du site industriel étudié

Vale est une société internationale, avec un effectif de plus de 100 000 employés, dont le siège social est au Brésil. Il s’agit d’une société minière qui extrait et produit des minerais. L’unité située à Dunkerque est spécialisée dans la production de ferromanganèse (Vale Manganèse France). Cet alliage de fer et de manganèse est utilisé en aciérie afin d’améliorer la qualité mécanique de l’acier.

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Localisation géographique de l’industriel VMF sur le littoral dunkerquois (Google Map)

Le choix du site industriel retenu, l‘usine VMF de Grande-Synthe, près de Dunkerque, repose sur le fait qu’elle intègre un atelier de formation d‘agglomération de minerai et de coke, suivi d‘un procédé électrochimique de fabrication d‘alliages de fer et de manganèse (Fe-Mn) par fusion-réduction, suffisamment répandus dans ce secteur d‘activité pour que les résultats soient aisément transposables. L‘usine est de taille limitée, ne comportant qu‘un seul atelier d‘agglomération et un four unique, ce qui réduit le nombre d‘émissions canalisées et simplifie le système étudié par rapport à un grand complexe métallurgique.

Structuration et phasage du projet

Le Projet Nano-Indus est structuré en 6 tâches principales décrites dans l’organigramme ci-dessous :

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Le phasage du projet sera le suivant :

  • Tâche 1 : Octobre 2011 – Septembre 2013
  • Tâche 2 : Octobre 2011 – Avril 2012
  • Tâche 3 : Avril 2012 – Octobre 2012
  • Tâche 4 : Avril 2012 – Janvier 2013
  • Tâche 5 : Octobre 2012 – Juillet 2013
  • Tâche 6 : Août 2012 – Mai 2013

Tâche 2 : Etude préliminaire et implantation de la plate-forme instrumentée

Les objectifs de la pré-campagne étaient de valider l’implantation de la plate-forme instrumentée utilisée lors de la campagne intensive, d’identifier les espèces gazeuses susceptibles d’être mesurées dans cet environnement et d’évaluer leurs concentrations.
Deux journées de prélèvements ont été réalisées : le 25 janvier et le 1er février 2012, correspondant respectivement à des directions de vents locaux sud-ouest et nord-est :

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Quelques exemples des installations de cette pré-campagne :

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Les résultats obtenus lors de ces 2 jours de pré-campagne ont permis de valider la position définitive de la plateforme instrumentée en tant que site récepteur des émissions industrielles ciblées. Par ailleurs, les analyses chimiques réalisés (COV et métaux lourds) ont validé la méthodologie d’échantillonnage et d’analyse qui sera adoptée lors de la campagne intensive de prélèvement en mai-juin 2012.

Tâche 3 : Prélèvements et mesures à l’émission

Les mesures et échantillonnages ont été réalisés aux niveaux des trois cheminées les plus émissives en matière particulaire du site :

 

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Cheminée dite « cuisson » de l’atelier d’agglomération.

 

Cheminée dite « refroidissement » de l’atelier d’agglomération.

 

Cheminée rejetant les émissions de la halle de coulée.

Trois campagnes de mesures et d’échantillonnage, d’une durée de 3 jours chacune, ont été réalisées : En juin, juillet septembre 2012.

La matière particulaire et la phase gazeuse ont été échantillonnées de la manière suivante :

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Tâche 4 : Campagne d’observations intensives en champ proche

Une campagne d’observations intensives a été réalisée du 15 mai au 15 juin 2012, dont le principal objectif était la caractérisation de la masse d’air en champ proche de l’usine. En fonction des conditions météorologiques, il a été possible par vent de Nord-Est de capter les panaches venant des cheminées, détectés et suivis en continu à l’aide du LIDAR.

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Site instrumenté de la campagne d’observations intensives. Camion hébergeant l’A-ToF-MS de l’Université de Cork

 

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 Système de prélèvement isocinétique de la matière particulaire par impaction en cascade LIDAR déployé durant la campagne

 

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Vue d’ensemble de la plate-forme instrumentée.

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Mise en place du SODAR sur site.

Les différents instruments déployés durant cette campagne intensive sont présentés dans le tableau suivant :

 

Espèces/paramètres visées

Matériel

Résolution temporelle

Partenaire

Phase particulaire

Particules non-réfractaires (organiques dont HAP, inorganiques majeurs) de 50 nm à 1 µm : concentrations massiques, distribution en taille In Situ

HR-ToF-AMS

» 5 min (continu)

EMD-DCE

Particules réfractaires (métaux, ions majeurs) de 100 nm à 3 µm, In Situ

A-ToF-MS

» 5 min (continu)

University College Cork (Irlande) – UCC

Particules de 5 nm à 3 µm : distribution en taille et en nombre In Situ

SMPS

» 5 min (continu)

LPCA

PM2.5 : concentrations massiques In Situ

Jauge beta

» 1h (continu)

EMD-DCE

Carbone élémentaire (EC) et carbone organique (OC)

Préleveur Partisol (filtres)

» 24h (continu)

EMD-DCE

Echantillonnages spécifiques aux tests de bioaccessibilité

Impacteur en cascade sur 13 étages (filtres) et 3 barboteurs en série (solutions)

» 24h (ponctuel)

EMD-DCE

Morphologie et analyse élémentaire des particules individuelles en mode automatique

Impacteur en cascade 3 étages

» 20min (ponctuel)

LPCA

Phase gazeuse

Espèces gazeuses d’affinités protoniques supérieures à celle de l’eau (alcènes, alcools, esters, cétones, aldéhydes, nitriles, etc.)

PTR-MS

» 5 min (continu)

PC2A

Alcanes (C9-C16) et aldéhydes (C9-C11) lourds

Préleveur automatisé (cartouches d’adsorbants)

» 2h

(continu)

EMD-DCE

SO2, NOx, O3, CO

Analyseurs automatiques

» 5 min (continu)

LPCA

Dynamique atmosphérique

Suivi du panache, hauteur de la Couche Limite Atmosphérique (CLA)

LIDAR aérosols

» 5 min (continu)

LPCA

Turbulence, vitesse et direction du vent au sein de la CLA

Anémomètre ultrasonique

» 5 min (continu)

LPCA

Pression, température, humidité relative

Station météo

» 5 min (continu)

LPCA

Tableau 3 : Synthèse des mesures réalisées lors de la campagne en champ proche.

Tâche 6 : Compilation et Analyse des résultats

Les premiers résultats obtenus lors de la Campagne Intensive de mai-juin 2012 ont été présentés lors du 28ème Congrès Français sur les Aérosols (CFA 2013) qui s’est déroulé à Paris les 23 et 24 janvier dernier. La présentation, sous forme d’affiche, avait pour titre : Caractérisation chimique et granulométrique de particules fines prélevées en proximité de zone industrielle en lien avec la dynamique atmosphérique, par Ari Setyan, V. Riffault, S. Mbengue, H. Marris, P. Flament, L. Y. Alleman, K. Deboudt, J. Arndt, R. Healy, J. Wenger, T. Leonardis, C. Schoemacker, P. Dewalle, N. Locoge, F. Cazier, P. Augustin, M. Fourmentin et H. Delbarre.

La publication des résultats du projet s’est poursuivie en mai avec la Conférence donnée par Alodie BLONDEL (Groupe « Aérosols » du LPCA) à Bruxelles dans le cadre du symposium annuel de l’European Federation of Clean Air and Environmental Protection Associations (EFCA).

Du 1er au 6 septembre 2013 s’est tenue l’European Aerosol Conference 2013 (EAC 2013) à Prague, au cours de laquelle plusieurs communications (orales et par voie d’affiches) ont concerné le Projet NANO-INDUS:

Jovanna ARNDT (University College Cork): Composition and Source Identification of Ambient Single Particles during the NANO-INDUS 2012 Campaign in Dunkirk, France.

Ari SETYAN (LPCA/ULCO et Mines de Douai): Characterization of fine particles in the near-field of a metallurgy plant: Overview of the NANO-INDUS project.

Saliou MBENGUE (Mines de Douai): Trace elements bioaccessibility in fine and ultrafine particles from the industrial area of Dunkirk (France) during the NANO-INDUS project.

Saliou MBENGUE (Mines de Douai): Size distributed metallic elements in submicron and ultrafine atmospheric particles from urban and industrial areas: a source assessment.

Enfin les résultats du Projet NANO-INDUS ont également été présentés par Ari SETYAN (ULCO/LPCA et Mines de Douai), lors de la 32ème Conférence annuelle de l’American Association for Aerosol Research à Portland, Oregon, du 30 septembre au 4 octobre 2013: Characterization and Near-Field Evolution of Fine Particles Emitted by a Metallurgy Plant: Results of the NANO-INDUS Project.