Composés organiques volatiles

Pour les articles homonymes, voir COV.

Les composés organiques volatils, ou COV (VOC en anglais) sont composés de carbone et d’hydrogène pouvant facilement se trouver sous forme gazeuse dans l'atmosphère. Ils peuvent être d'origine anthropique (raffinage, évaporations de solvants organiques, imbrûlés...) ou naturelle (émissions par les plantes).

Définition

Il y a ambiguïté dans la définition des COV selon leur composition chimique et leur réactivité photochimique.

En Europe, l’article 2 de la directive 1999/13/CE du Conseil européen du 11 mars 1999^[1] définit les COV comme suit :

« tout composé organique ayant une pression de vapeur de 0,01 kPa ou plus à une température de 293,15 K^[2] ou ayant une volatilité correspondante dans les conditions d'utilisation particulières. […] »

— paragraphe 17

et précise que le terme composé organique désigne :

« tout composé contenant au moins l'élément carbone et un ou plusieurs des éléments suivants : hydrogène, halogènes, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote, à l'exception des oxydes de carbone et des carbonates et bicarbonates inorganiques ; »

— paragraphe 16

Au Québec, les hydrocarbures halogénés sont listés dans les 163 COV à ce jour^[3].

Les COV peuvent également être définis selon leur utilisation : solvant, dégraissant, dissolvant, conservation, agent de nettoyage, disperseur, etc.

Les COV sont des précurseurs, avec les oxydes d'azote, de l'ozone troposphérique. Ce sont donc des gaz à effet de serre. Leur caractère volatil leur permet de se propager plus ou moins loin de leur lieu d'émission. Ils peuvent donc avoir des impacts directs et indirects.

Selon le Conseil canadien des ministères en environnement (CCME), les composés suivants seraient exclus de la liste des COV dus à leur réactivité photochimique négligeable : acétone, méthane, éthane, trichlorométhane, chlorure de méthyle, PCTF (p-chlorotrifluorure de benzène), les CFC (chlorofluorocarbures), les fluorocarbures et les HCFC (hydrochlorofluorocarbures)^[4]. Cependant, en France, les chlorures de méthyle sont compris dans la liste des COV.

COV et santé

Effets indirects

En effet, les COV participent à des réactions photochimiques dans la basse atmosphère, causant ainsi l’augmentation de la concentration d’ozone dans la troposphère, étant un effet indirect sur la santé. La modification du cycle de Chapman due aux radicaux générés par les COV accentue la présence d’ozone dans l’atmosphère. Entre 1970 et 1990, la concentration en ozone troposphérique pour l’Europe est passée de 10 ppm à 50 ppm (ppm : particules par million), soit une augmentation de plus de 2,4% par année dans ces derniers 20 ans. Celle-ci est fortement liée à l’asthme autant chez les jeunes que chez les personnes âgées. Certains des COV sont en outre nocifs pour les espèces animales et végétales. L’ozone a également un effet sur les arbres feuillus, les plantes, les légumes et les fruits. Le climat est également modifié par la présence des gaz à effet de serre. Une augmentation de la température globale de la terre est induite par la présence croissante d’ozone, qui absorbe dans l’infrarouge 2000 fois plus que le dioxyde de carbone pour le rayonnement terrestre. Les COV sont également adsorbés sur différents solides (argiles et limons) ou transférés dans l’eau par aération, altérant ainsi la qualité de l’eau potable.

Effets directs

Les COV ont un impact direct sur la santé. Plusieurs normes de la qualité de l’air ont été établies dans le passé afin de protéger les humains face aux différents polluants atmosphériques pouvant nuire à la santé. Dans ce combat, l’exposition à des vapeurs de benzène fut associée directement à la leucémie. Puis, les effets cancérigènes du 1,3-Butadiène ont été apportés.

Il en vient alors difficile de déterminer des valeurs limites face au COV dans l’air ambiant, du à la complexité de la chimie entre ces molécules et les maladies contractées. Certains COV ont des effets directs sur le corps humain tel que le tétrahydrofurane s’attaquant au foie et aux nerfs; le trichloroéthylène nuisant au cœur et étant cancérogène; et les éthers de glycol à courte chaîne, possédant une toxicité spécifique à la moelle osseuse et aux testicules, étant tératogènes. L’impact des particules de poussières, du brouillard photochimique et des aérosols acides, les oxydes d’azote et de soufre, et le monoxyde de carbone, les métaux et les COV a été étudié par Bates (1995). Cependant, peu d'information sur les effets à long terme est disponible jusqu’à maintenant dû au manque de recul des études réalisées.

Les COV et des molécules associés sont cancérigènes. Une étude récente a confirmé ce risque ^[5] à partir d'une étude épidémiologique ayant porté en Rhône-Alpes sur 37 polluants (non réglementés pour la qualité de l’air ambiant et rarement mesurés). L'étude a montré que ces polluants tendent à diminuer; que l'exposition au formaldéhyde pourrait induire des irritations des yeux, du nez et de la gorge; et que l’exposition à certains COV (Chlorure de vinyle monomère, benzène, 1,3-butadiène, tétrachloroéthylène, acétaldéhyde, formaldéhyde et 1,2-dichloroéthane) augmente, faiblement, mais de manière statistiquement détectable.

Le perchloroéthylène, utilisé pour le nettoyage à sec, figure sur la liste des cancérogènes du groupe 2A du CIRC.

Sources anthropiques

Tous les procédés qui impliquent la manipulation et la production d'hydrocarbures à part en plein air émettent des COV. Un des principaux émetteurs est le raffinage de pétrole. Les solvants sont également producteurs de COV. (voir www.citepa.org)

Selon l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE), la provenance des COV varie selon l’industrialisation du pays et les moyens de transport utilisés. En 1985, l’Europe a rapporté que la nature des COV était selon l’ordre suivant : transport (42%), solvants industriels (18%), procédés chimiques (12%), déchets de l’agriculture (10%), solvants non-industriels (9%), combustion (5%) et de la chimie/pétrochimie (5%).

Le CITEPA a noté une forte diminution des COV dans l’air entre 1988 et 2004. En effet, une baisse de 2500 kt à 1300 kt a été observée pour la France. Le secteur du transport routier a enregistré la plus forte baisse globale d’émission. Les nombreuses réglementations environnementales mises sur pied depuis le depuis des années 1990 jusqu’au protocole de Kyōto (1997) a amené une pensée plus verte dans les industries automobiles et manufacturières en termes de pollution dégagée.

Les COV sont également une des causes de pollution intérieure, c'est-à-dire, la pollution de l'air à l'intérieur des bâtiments, lieux d'habitation, lieux publics et lieux de travail. Les sources sont alors généralement les peintures, colles et produits de traitement du bois par exemple. Certaines plantes auraient la capacité d'absorber plusieurs de ces polluants que l'on retrouve à l'intérieur et qui peuvent être mauvais pour la santé (voir plantes dépolluantes).

La démarche analytique

Lieu de prélèvement Le prélèvement de l’échantillon à analyser s’avère être différent selon le lieu, le mode, la durée, la fréquence et les conditions atmosphériques et climatiques. Toutes ces conditions auront une influence sur la fiabilité des résultats. Il faut donc prendre conscience de ces effets sur l’échantillon pris.

Le prélèvement à l’émission possède deux critères importants, soit la température et le taux d’humidité présent dans l’air. Puis, les paramètres physiques du lieu et de l’espace secondent, car l’accumulation sur une longue durée peut s’effectuer. Il est également possible de comparer deux sources d’émission du point de vue cinétique. Certains appareils d’échantillonnage tiennent compte du débit, de la température et de l’humidité, et sont enregistrées. Un prélèvement dans l’environnement est généralement plus faible qu’à l’émission et nécessite une étape de concentration importante afin de réduire le volume total. Cependant, une distinction s’avère entre l’environnement urbain et rural. Les paramètres de mesure sont différents (largeur des artères principales, emplacement des espaces verts et grandeurs, quantité de radiation solaire, etc.). Les COV contenus dans le milieu urbain représentent les activités anthropiques, le transport et les rejets industriels. Les polluants retrouvés dans le milieu rural sont plus de nature agricole, tels que les pesticides, l’atrazine ou les composés agissant sur les végétaux, SO₂ et O₃. Lors de prélèvement en milieu intérieur, il est important de tenir compte de l’hétérogénéité du milieu pouvant être expliqué par la formation de gradients verticaux. La concentration en COV dépend de l’activité des espaces fermés, mais également du débit de renouvellement de l’air. Il faut donc s’assurer que les valeurs limites d’exposition ne sont pas dépassées.

Types de prélèvement Différents types de prélèvement existent de nos jours afin de diminuer les erreurs d’échantillonnage, mais également l’introduction d’impuretés. On distingue deux modes de prélèvement : avec ou sans concentration.

Le prélèvement sans concentration peut se faire de différentes façons. Des sacs de plastiques faits de polymère fluoré, tels le Teflon, le Mylar, ou d’autres comme le polyéthylène possèdent une légèreté, une résistance et une étanchéité nécessaires à l’échantillonnage. Le sac est mis en dépression dans un caisson métallique, puis l’air est aspiré dans ce dernier. Il est réutilisable après lavage à l’air et en vérifiant l’absence de résidu. Un blanc d’analyse confirme un bon lavage. Ce mode nécessite l’apport d’un sac témoin, rempli d’air pur venant du laboratoire et suit le même trajet afin de déceler la contamination possible que le sac échantillonneur subit. Des ampoules de verre peuvent également être utilisées. Elles possèdent un volume entre 250 ml et 3 l, mais sont limitées dans leur domaine d’application par leur fragilité. Le remplissage s’effectue soit par circulation des gaz à l’intérieur, soit par aspiration à l’aide d’une pompe en aval ou par dépression, et la fermeture des deux robinets au même moment piège les gaz. Une purge de plus de dix fois le volume de l’ampoule est nécessaire. Des contenants métalliques, en acier inoxydable à la paroi interne polie et ayant subie une désactivation électrostatique afin de la rendre inerte, permettent l’accumulation de gros volumes (1L à quelques dizaines) à de hautes pressions. Le conditionnement s’effectue en mettant sous vide le contenant, et l’introduction d’air pur et la mise sous vide en plusieurs cycles permettent son nettoyage.

Le prélèvement avec concentration s’effectue par absorption des gaz dans un liquide ou par adsorption des gaz sur une phase solide. Cependant, ces modes nécessitent une connaissance de la capacité de piégeage des COV par la solution ou par l’absorbat, et ce, à une température donnée et un débit contrôlé.

L’absorption des COV se fait par barbotage de l’échantillon gazeux dans une solution absorbante ayant une affinité pour ces composés. Il est également possible que ceux-ci précipitent. Le temps de contact pour l’absorption et la capacité d’évaporation du solvant sont les principaux facteurs d’une bonne absorption. Un des avantages de cette technique est la multiplication des analyses pour un même échantillon afin d’obtenir des résultats valides. Il est possible d’appréhender les COV selon leur famille en jouant avec l’affinité du solvant et un volume important de gaz peut être géré à fort débit. Cependant, la contamination lors de la préparation et la présence d’aérosols en solution rendant l’échantillon prélevé non représentatif sont deux inconvénients de la technique par absorption. Des exemples d’absorbants sont le bisulfite de sodium (NaHSO₃) 4%, l’acide chlorhydrique 0.1N et le dinitrophénylhydrazine (DNPH).

La capacité d’adsorption est fonction des pores d’adsorbant. Il en existe une grande diversité, telle que les cartouches qui nécessitent une préparation et un conditionnement préalable. Également, le charbon actif, étant un dérivé de la carbonisation et de l’activation de la noix de coco, possède une grande surface spécifique. Il est surtout utilisé pour les composés polaires et il adsorbe l’eau. La désorption de ce dernier est alors difficile, surtout si l’humidité dépasse 50%. Le carbone noir graphitisé (Carbopack©) ne retient pas les composés de faible masse molaire (tel que l’eau, le méthane, le monoxyde et le dioxyde de carbone, etc.) et la température de désorption efficace est aux alentours de 400 °C. Les tamis moléculaires (Carbosieve©) peuvent également être utilisé pour les petites molécules, de un à quatre atomes de carbone. D’autres types d’adsorbant composés de polymères sont également sur le marché, comme les trappes Tenax TA, et sont utilisés pour isoler les composés sensibles à l’hydrolyse. L’utilisation de plus d’un adsorbant peut être effectuée pour permettre la séparation des composés et de leur matrice. Ces exemples d’adsorbants sont qualifiés de dynamiques, car une pression doit être exercée à l’un des embouts pour faire pénétrer l’échantillon. L’adsorption statique est un second type. Un bon exemple est la micro-extraction sur phase solide (SPME, de l’anglais solid-phase micro-extraction). Il suffit de placer la fibre de silice du bout d’une aiguille dans l’échantillon et un équilibre se crée entre la phase gazeuse et la fibre de silice. L’aiguille est alors injectée dans un chromatographe en phase gazeuse et les limites de détection sont de l’ordre des particules par trillion (ppt).

Perturbateurs / Interférents

Plusieurs composés présents dans l’air peuvent venir influencer la qualité de l’extraction et d’isolation des COV et avoir un effet sur l’analyse effectuée par la suite. La présence de particules et de poussières adsorbe les COV et change ainsi leurs propriétés physico-chimiques. L’eau est également un interférent, car sa condensation entraîne les produits polaires. D’autres facteurs comme la température (rayon infrarouge), l’ensoleillement (rayon ultraviolet) et les oxydants atmosphériques tels que l’ozone (O₃), les nitrites (NO₂) et les radicaux hydroxyles (OH•) ont un effet sur l’absorption et l’adsorption des COV.

Récupération, conservation et standardisation

Trois techniques de récupération des composés peuvent être exécutées : extraction par solvant (soxhlet), fluide supercritique (en amenant l’échantillon à son état supercritique, entre la phase liquide et la phase gazeuse) ou par désorption thermique des cartouches ou de l’adsorbant utilisé.

La conservation d’échantillon de COV peut être effectuée pour quelques jours sous des conditions normales. Cependant, elle ne peut dépasser plus de trois semaines. L’échantillon doit être tenu loin de la lumière et être réfrigéré.

La standardisation se fait en créant une atmosphère statique ou dynamique (à flux constant) et en y introduisant des composés stables et gazeux dans un volume connu, afin que la concentration de chaque composé présent puisse être calculée à des fins de quantification après analyse. L’azote est souvent utilisé comme gaz solvant dans la préparation de solutions étalons.

Les méthodes analytiques

La séparation des composés peut s’effectuer à l’aide des différentes méthodes chromatographiques disponibles sur le marché de nos jours. La chromatographique liquide à haute performance (HPLC) est utilisée lorsque l’échantillon gazeux est solvaté dans un liquide. Des détecteurs universels peuvent être utilisés comme l’absorption UV-vis, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) ou la réfractométrie différentielle, qui offre une limite de détection (LD) de 1ng. D’autre part, la fluorimétrie, l’électrochimie, la radioactivité et la conductimétrie servent à la détection plus spécifique de certains composés, dépendamment des propriétés de chacun face aux différents détecteurs offerts.

La chromatographie en phase gazeuse (GC) sert à séparer les composés présents dans l’échantillon et ils peuvent être détectés par conductivité thermique (DCT), comparaison entre la conductivité du gaz vecteur et le gaz en question, offrant des limites de détection de 1 à 10ng. Un second mode de détection universel est l’ionisation à la flamme (FID) offrant un LD de 2 à 4pg. Les détecteurs à capture d’électrons (DCE), ou thermoionique pour l’azote et le phosphore (DNP), peuvent être couplés à la GC pour une détection plus spécifique des composés.

Le jumelage de la spectrométrique de masse (MS) à la HPLC ou à la GC permet une identification structurale des composés, surtout si utilisé en mode MS/MS. La résonance magnétique nucléaire (RMN) reste limitée et pas très étudiée en recherche, mais pourrait être une technique d’identification structurale^[6].

Mesure en continu

Plusieurs pays dont la France possèdent des analyseurs en mesure continu afin de mesurer l'émission de COV hebdomadairement. Ceux-ci sont munis d'un détecteur à ionisation de flamme (FID). Deux types sont principalement utilisés, soit l'analyseur d'hydrocarbure totaux (HCT) et l'analyseur d'hydrocarbures totaux non-méthaniques (HCT/HCTNM). Le second permet de donner des mesures d'hydrocarbures totaux, de méthane et d'hydrocarures totaux non-méthaniques en alternance. Il possède un four catalytique (faisant la combustion des hydrocarbures en dioxyde de carbone) ou un adsorbant (tel que le charbon actif) permettant la séparation.

De nos jours

Le Canada et les États-Unis ont signé un accord en 1995 afin de diminuer le transport transfrontalier de l'ozone troposphérique, visant particulièrement les émissions de COV et d'oxyde d'azote. Les secteurs principalement touchés sont le sud de l'Ontario et du Québec, ainsi que la côte est américaine. Un rapport sur l'évolution de ce projet est émis chaque année. Le rapport de 2006 montre que la concentration (en ppb de carbone) a passé de 102 à 57ppb de C pour le Canada entre 1997 et 2004, et de 65 à 37ppb de C pour les États-Unis dans le même intervalle de temps. Ces mesures sont des moyennes annuelles prises à moins de 500km de la frontière^[7].

Environnement Canada et Environnement Québec suivent de près l'évolution des composés organiques volatils dans l'air. Ils sont tous deux munis d'unités mobiles mesurant le taux de COV.

À Montréal, le Réseau de surveillance sur la qualité de l'air (RSQA) possède 16 stations mesurant chacune différents paramètres de la qualité de l'air, dont 6 stations mesurent les COV. Les taux sont affichés quotidiennement sur leur site Internet^[8].

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Pollution
• Renouvellement de l'air intérieur
• Benzopyrène
• Risque cancérigène

Liens externes

• Méthode d'évaluation des émissions de COV
• Données COV de l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie

• Portail de la chimie