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Quotidien des Usines

À la chasse aux nanoparticules

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Publié le

Enquête La détection de nanoparticules dans l'air nécessite une instrumentation bien spécifique. Si des techniques ont été validées, certains paramètres clés demeurent difficiles à mesurer.

 

OÙ SONT-ELLES ?

 

Les nanoparticules, ce n'est pas cela qui manque. Dans un bureau (non-fumeur), on en comptera au moins 10 000 par centimètre cube d'air. Le chauffage par combustion, la circulation automobile et de multiples sources naturelles ou liées à l'activité de l'homme produisent des particules de taille comprise entre un et quelques centaines de nanomètres. La concentration est bien supérieure sur une piste d'aéroport, dans un atelier de soudure ou dans une boulangerie. Avec, évidemment, des risques potentiels pour la santé différents selon la composition chimique des particules. Tout cela n'a rien de nouveau. Sauf que se développe la production intentionnelle, à l'échelle industrielle, de nanoparticules (silice, oxyde de titane, carbone sous diverses formes, oxydes métalliques...) utilisées ensuite dans des domaines comme l'automobile, les cosmétiques, les peintures et les matériaux.

 

POURQUOI FAUT-IL LES DÉTECTER ?

 

Placées en suspension dans l'air, accidentellement ou non, pour former des aérosols, ces nanoparticules peuvent constituer un risque pour la santé des personnes qui entreraient en contact avec elles. Dans les ateliers qui les produisent, mais aussi dans les usines où elles vont être manipulées pour les intégrer dans des produits. « En l'absence de données sur la dangerosité, la seule stratégie à court terme pour respecter le principe de précaution est de faire tendre l'exposition vers zéro », affirme François Tardif, expert du domaine au CEA. Pour minimiser l'exposition, il faut être capable d'éliminer les nanoparticules dans l'air en les filtrant [lire page suivante] et de les détecter s'il y en a.

 

QUELS SONT LES PARAMÈTRES CLÉS ?

 

La mesure de la concentration en masse (en mg/cm3) est historiquement la plus répandue. Mais pour des nanoparticules de masse extrêmement faible, le paramètre n'est plus pertinent. La concentration en nombre de particules est considérée comme plus représentative des effets potentiels sur la santé. « La mesure de la concentration en nombre est la révolution en cours, en surveillance de la pollution comme en hygiène du travail », assure François Gensdarmes, le responsable du Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols, à l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire, l'IRSN. La répartition du nombre de particules en fonction de leur taille est un autre paramètre clé. Pour réaliser ces deux mesures, une pléiade d'instruments est apparue sur le marché, y compris récemment sous une forme portable. Pour les évaluer, l'Institut de recherche et de sécurité (INRS) a mis en place un banc de test, Caiman, qui produit des aérosols de compositions contrôlées. « Des concepteurs d'instruments viennent y tester leurs équipements. Notre installation est aussi mise à disposition du projet européen Nanodevice, qui développe des instruments de mesure de nanoparticules », indique Olivier Witschger, un spécialiste de la métrologie des aérosols à l'INRS.

 

QUE SAIT-ON MESURER AUJOURD'HUI ?

 

La mesure de la concentration en nombre est aujourd'hui maîtrisée. L'instrument le plus prisé est le compteur à noyau de condensation (CNC). Il condense une vapeur sur les particules ultra-fines, pour les faire grossir, jusqu'au moment où on peut les détecter et les compter par une méthode optique. « La preuve que le CNC est une méthode stabilisée ? Des laboratoires de métrologie en proposent l'étalonnage avec raccordement au système d'unités SI. Un projet de norme ISO sur l'étalonnage du CNC est en cours », affirme François Gensdarmes à l'IRSN. Le CNC a toutefois un inconvénient majeur : il perd l'information sur la taille des particules. Pour connaître la répartition en taille dans l'aérosol, il faut associer deux techniques. En amont, la sélection des particules en fonction de leur mobilité dans un champ électrique ; en aval un CNC pour compter les particules sélectionnées. Le SMPS, c'est son nom, est aujourd'hui l'outil de référence pour obtenir la distribution granulométrique dans un aérosol. La méthode est considérée comme fiable, même s'il reste des améliorations à apporter. Ainsi, l'incertitude de mesure sur la distribution en taille est mal connue. L'IRSN y travaille avec le Laboratoire national d'essais (LNE). « La difficulté est de comparer deux aérosols différents. En effet, la forme des particules a une influence sur la granulométrie mesurée », précise-t-on à l'IRSN.

Pour accéder à la nature chimique des particules, des techniques sophistiquées existent. Le CEA a adapté la TXRF (la fluorescence de rayons X), utilisée pour mesurer les impuretés sur les wafers (les galettes de silicium) en microélectronique, à l'analyse de nanoparticules déposées sur un filtre. La mesure est obtenue en deux minutes (au lieu de deux jours par analyse chimique). La société Nanobadge (filiale d'Alcen) va commercialiser des badges individuels qui détecteront une exposition aux nanoparticules, suivie d'une analyse par TXRF. Une autre technique, développée entre autres au CEA et commercialisée en France par Ivea, permet dans certaines conditions une analyse chimique à distance et en temps réel. Le Libs (Laser-induced breakdown spectroscopy) utilise un laser pour transformer la matière en plasma, dont les émissions analysées par spectroscopie livrent la signature chimique des éléments présents. L'Ineris a développé son propre instrument fondé sur le Libs. « Avec Météo France, nous préparons une version du Libs embarquée dans un avion. L'objectif est de surveiller la composition des panaches, qu'ils soient industriels... ou volcaniques », indique Émeric Fréjafon, responsable de l'activité nano à l'Ineris. L'instrument a déjà été testé dans un atelier de production de nanotubes de carbone. Une autre campagne d'essais surveillait la présence de métaux lourds dans les effluents gazeux d'une fonderie. « La limite du Libs réside dans la forte concentration de nanoparticules encore nécessaire aujourd'hui. Plus qu'à l'analyse en temps réel de l'air ambiant, la technique est bien adaptée au contrôle d'un procédé de production de nanoparticules, ou à l'analyse des dépôts sur un filtre », tempère François Tardif au CEA.

 

LES TECHNIQUES SONT-ELLES MAÎTRISÉES ?

 

Quand l'objectif est d'évaluer le risque encouru, la difficulté reste de détecter spécifiquement les nanoparticules pouvant être dangereuses, parmi les dizaines de milliers toujours en suspension dans chaque centimètre cube d'air. L'analyse chimique est un moyen de les « sortir » du bruit de fond ambiant. Mais la réaliser dans l'air et en temps réel, on l'a vu, n'est pas facile. Quant à l'autre paramètre clé qui caractérise l'activité des nanoparticules, la surface spécifique (en m2 par gramme), sa mesure demeure mal maîtrisée. La technique utilisée aujourd'hui en toxicologie ne convient pas pour les nanoparticules : pas assez de matière ! La technique de CDE, soit mesurer la quantité d'ions fixée par une nanoparticule dans un aérosol, est mieux adaptée et offre même une détection en continu. Il existe aujourd'hui des appareils portables. « Le problème est que les résultats des divers instruments ne sont pas toujours comparables. Et que l'on ne connaît pas bien le lien entre ce que l'on mesure, une surface active, et la surface spécifique effective », relève Olivier Witschger, à l'INRS. Des études en cours visent à clarifier ces points.

 

QUELS SONT LES DÉFIS À RELEVER ?

 

Sans attendre que les zones d'ombres s'éclaircissent, le principe de précaution impose de limiter les risques d'exposition. C'est le but des guides de prévention, tel celui édité par l'INRS, pour la manipulation des nanomatériaux dans les laboratoires. En l'absence de réglementations spécifiques, l'Ineris a élaboré un référentiel de certification portant sur la qualification des personnes aux postes de travail nano, et sur les techniques de protection. Concernant la mesure, l'INRS, avec le CEA et l'Ineris, vont publier un document qui propose une stratégie de mesure de l'exposition professionnelle aux aérosols. Mais de l'avis unanime, la lacune la plus flagrante se situe en amont : le manque de données toxicologiques qui permettraient d'évaluer les risques réellement encourus et d'établir des concentrations limites dans l'air. Le tout pour aboutir à des réglementations, en termes de techniques de mesure et de seuils à ne pas dépasser, pour chaque famille de nanoparticules. Un objectif à cinq ou dix ans.

VOUS ÊTES CONCERNÉS

Les producteurs de particules Les fabricants de matériaux composites Les industriels des cosmétiques et des peintures Les laboratoires de recherche Le travail des métaux

Arkema piste ses nanotubes

Arkema dispose d'une unité pilote industrielle de production de nanotubes de carbone, à Lacq (Pyrénées-Atlantiques). Elle peut produire en continu jusqu'à 400 tonnes par an. Le chimiste y a mis en place une démarche de prévention à l'exposition : sécurisation des postes, équipements de protection individuelle validés par des essais, campagne de mesures, validation d'outils... « La principale difficulté, quand on veut détecter la présence de nanoparticules dans l'air, est que l'on mesure aussi les particules "naturellement" présentes dans l'air ambiant », souligne Patrice Gaillard, le responsable de l'activité nanotubes chez Arkema. L'industriel a donc choisi de confiner deux zones sensibles du process dans des caissons ventilés. L'air est filtré en entrée et en sortie, et la détection de la présence de nanoparticules est obtenue par différence entre les deux mesures.

FILTRATION : TOUT N'EST PAS RÉGLÉ

Les matériaux fibreux de filtration s'avèrent désormais capables de lutter contre les nanoparticules. Mais la résistance de ces dernières au décolmatage et les risques de fuites ne sont toujours pas résolus.

Après un temps de controverse, il est désormais établi que les matériaux fibreux de filtration sont efficaces contre les nanoparticules. Les études expérimentales (à l'INRS, l'IRSN, l'École des mines de Nantes) ont vérifié que l'efficacité de la filtration augmente quand la taille de la particule diminue. Le minimum d'efficacité des matériaux fibreux concerne les particules entre environ 100 et 300 nanomètres. « Mais comme les filtres sont qualifiés dans ce domaine, et que certains sont vendus comme efficaces à 99,99 %, cela veut dire que la technologie est disponible pour filtrer les nanoparticules », affirme Nathalie Michielsen, un ingénieur-chercheur ayant mis au point un banc de test à l'IRSN. En revanche, le problème des fuites n'est pas résolu. Pire : dans un masque respiratoire, plus l'efficacité est grande, plus la résistance à l'écoulement de l'air à travers le filtre augmente les risques de fuite. Dans un système de ventilation collectif, le choix d'une filtration efficace n'est pas non plus sans conséquences. « Monter en gamme dans les filtres, c'est augmenter la perte de charge, et donc le coût énergétique de l'installation », souligne Laurence le Coq, la responsable du département systèmes énergétiques et environnement à l'École des mines de Nantes. Ce n'est pas tout. Les nanoparticules, en raison de leur taille et de leur surface spécifique, ont une furieuse tendance à colmater les filtres, et surtout à résister aux techniques de décolmatage (air comprimé à contre-courant) utilisées dans les dépoussiéreurs industriels. « On constate chez certains industriels que le système de ventilation est "bypassé" (contourné) ou "arrêté", regrette Dominique Thomas, responsable du groupe Safe (Sécurité, aérosols, filtration, explosion) du CNRS à Nancy. Des solutions alternatives sont à l'étude. Safe, avec l'INRS, cherche à remplacer le dépoussiéreur à filtre dans le traitement des fumées de métallisation (procédé de revêtement par projection de métal en fusion), qui contiennent beaucoup de particules ultrafines. À l'étude : une colonne de lavage de gaz (par liquide à contre-courant), des électrofiltres et un lit granulaire.

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