Oxyde d'azote

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Les oxydes d'azote sont des formes oxydées de l'azote. NO et NO2 sont généralement désignés par le terme générique « NOx ».

Ils sont une source croissante de la pollution de l'air : ils contribuent à l'effet de serre et au dérèglement climatique et ils sont acidifiants et eutrophisants ; devenus la principale source des pluies acides (alors que la pollution soufrée à régressé) et de l'acidification des eaux douces.

Les oxydes d'azote[1]
Degré d'oxydation Formule brute Nom
+5 N2O5 pentaoxyde de diazote
+4 NO2 (*)
et son dimère associé[2] :
N2O4
dioxyde d'azote

tétraoxyde de diazote
+3 N2O3 trioxyde de diazote
+2 NO monoxyde d'azote
+1 N2O monoxyde de diazote
(protoxyde d'azote)

(*) à l’état gazeux, les deux composés sont en équilibre[3] : \mathrm{\ 2\ NO_2 \rightleftharpoons \ N_2O_4}

Les oxydes d'azote et l'effet de serre[modifier | modifier le code]

Le protoxyde d'azote N2O est un puissant gaz à effet de serre.

Le dioxyde d'azote NO2 intervient dans la formation des oxydants photochimiques (ozone troposphérique, qui peut avoir significativement augmenté là où les UV sont plus intenses en raison du trou de la couche d'ozone[4]) et par effet indirect dans l'accroissement de l'effet de serre[5].

Les oxydes d'azote et la pollution atmosphérique[modifier | modifier le code]

Il est important de distinguer polluants atmosphériques et gaz à effet de serre.

Le protoxyde d'azote N2O est un gaz à effet de serre.

Parmi les oxydes d’azote, les principaux polluants atmosphériques sont NO, NO2 ce sont eux qui sont analysés par les réseaux de surveillance de la qualité de l’air ; la somme de ces deux polluants (et parfois du NO3[réf. nécessaire]) est encore regroupée sous le terme de NOx :

NOx = NO + NO2[5],[6]. Leurs émissions sont exprimées en équivalent NO2[7] (ou équivalent-NO2)[8].

NO est un gaz incolore, NO2 est un gaz brun-rougeâtre.

Les NOx sont des précurseurs importants pour la formation des pluies acides[9], des aérosols secondaires et, lorsqu'ils se combinent à des composés organiques volatils, d'oxydants photochimiques (ozone troposphérique[10], smog estival)[11],[8].

Les NOx sont aussi des précurseurs intervenant dans la formation de nitrates atmosphériques (rapidement solubilisés dans les eaux météoritiques (qui sont alors rendues à la fois acidifiantes et eutrophisantes) selon la réaction NO2 + O3 → NO3 + 02[12]. Parce que l'un des isotopes de l'oxygène (δ(17)O, n'est pas positionnés au hasard dans la molécule d'Ozone mais préférentiellement au niveau de l'atome surnuméraire, des analyses isotopiques pourraient permettre de mieux comprendre ce processus qui est essentiellement nocturne, se déroulant après que de l'ozone (O3) ait été formé le jour sous l'action des UV solaires)[12],[13].

Origine de la pollution[modifier | modifier le code]

Les NOx proviennent essentiellement de la combustion des combustibles fossiles et de quelques procédés industriels (production d'acide nitrique, fabrication d'engrais, traitement de surfaces, etc.).

Ils sont principalement formés dans les chambres de combustion et ont trois origines (mécanismes décrits sous forme simplifiée) :

origine thermique 
N2 (air) + O2 → 2 NO lorsque la température excède 1 400 °C
origine combustible 
R-NH2 (azote combiné du combustible [par ex. le bois[14]]) + O2 → NO + ... si N combiné dans le combustible
NO prompt 
N2 + CHHCN + N puis NO après différentes étapes même à plus basse température

Le NO se transforme en présence d'oxygène en NO2 (de 0,5 à 10 %) dans le foyer. Cette réaction se poursuit lentement dans l'atmosphère et explique, dans le cas des villes à forte circulation, la couleur brunâtre des couches d'air pollué situées à quelques centaines de mètres d'altitude (action conjointe des poussières) »[5].

Les NOx contribuent à l'odeur caractéristique de l'air urbain pollué par la circulation[15].

Effets[modifier | modifier le code]

Sur la santé[modifier | modifier le code]

« Le NO2 est toxique (40 fois plus que le CO, 4 fois plus que le NO). Il pénètre profondément dans les poumons.
Les pics de concentrations sont plus nocifs qu'une même dose sur une longue période. Le NO est un gaz irritant pour les bronches, il réduit le pouvoir oxygénateur du sang .»[5].

Ces molécules pénètrent facilement les bronchioles, affectent la respiration et provoquent une hyperréactivité des bronches chez les asthmatiques, ainsi qu'une vulnérabilité accrue des bronches aux microbes, au moins chez les enfants[16].

Sur l’environnement[modifier | modifier le code]

Comme signalé plus haut, le dioxyde d'azote NO2 intervient dans la formation d'oxydants photochimiques (ozone troposphérique) et par effet indirect dans l'accroissement de l'effet de serre.

NO et NO2 contribuent au phénomène de pluies acides. Les polluants dangereux des pluies acides sont les acides forts[17].

L’oxydation du NO produit par les combustions peut se poursuivre dans l’atmosphère pour former du NO2 :
\mathrm{2\ NO(g) + \ O_2(g) \to \ 2\ NO_2(g)}
Le NO2 réagit avec l’eau pour donner une solution aqueuse d’acide nitrique « H3O+(aqueux) + NO3(aqueux) » et du monoxyde d’azote NO :
\mathrm{3\ NO_2(g) + 3\ H_2O(l) \to \ 2\ H_3O^+(aq) +\ 2 \ NO_3^-(aq) +\ NO(g)}
  • (g) = gaz ;
  • (l) = liquide ;
  • (aq) = aqueux, ion hydraté = ion qui a fixé un certain nombre de molécules d'eau.

Seuil[modifier | modifier le code]

L'OMS recommande de ne pas dépasser :

  • 400 microgrammes/m3 de moyenne sur 1 heure,
  • 150 microgrammes/m3 de moyenne horaire sur 24 heures[18].

Métrologie[modifier | modifier le code]

Les analyses se font généralement par chimiluminescence (qui est aussi la méthode de référence européenne), via la mesure du rayonnement produit par la réaction chimique des molécules de monoxyde d'azote et d'ozone produit par un générateur haute tension.

Pour effectuer cette mesure, les gaz passent par un four de conversion, qui transforme NO et NO2 en NO (à haute température, les gaz sont ionisés, et ont tendance à perdre des électrons, et les molécules à perdre des atomes).

Réglementations[modifier | modifier le code]

Diverses règlementations européennes à nationales existent, visant à respecter des conventions ou traités internationaux dont le Protocole de Göteborg et une Convention de la Commission Économique pour l‟Europe des Nations Unies (CEE-NU) relative à la pollution atmosphérique transfrontalière à longue distance.

Dans l'Union européenne, les État-membres doivent[19] périodiquement communiquer un inventaire des émissions du pays pour les NOx (ainsi que pour SO2, COVNM et NH3, dans un format identique à celui retenu par la convention sur la pollution atmosphérique transfrontalière[20]).

Sources et devenir[modifier | modifier le code]

Généralités[modifier | modifier le code]

La combustion des combustibles fossiles et de la biomasse dans les foyers fixes d'une part, et des combustibles gazeux et liquides dans les moteurs thermiques, d'autre part, génère des émissions d'oxydes d'azote (NOx)[21].

Les principaux émetteurs de NOx sont le transport routier (d'où une politique de réduction au moyen de pots catalytiques par exemple) et les grandes installations de combustion (centrales thermiques, chauffages...). Volcans, orages, feux de forêts contribuent aussi aux émissions de NOx[5]. Dans l'atmosphère, les éclairs produisent des NOx. Avec les NO et NO2 produits par la combustion de combustible fossile ou de la biomasse, ils peuvent s'associer à l'eau et produire de l'acide nitrique HNO3, l'un des responsables des pluies acides (détails dans la section traitant des effets sur l'environnement).

Le NO2 se rencontre encore à l'intérieur des locaux où fonctionnent des appareils au gaz tels que gazinières, chauffe-eau[18].

Les NOx sont également produits lors de la combustion du bois. Ces oxydes d'azote ne proviennent pratiquement pas de l'oxydation de l'azote (diazote) de l'air (origine thermique), mais de celle de l'azote contenu dans le bois sous forme d'amines et de protéines nécessaires à la croissance de l'arbre (origine combustible)[14],[22]. À noter que, en raison du taux d’azote contenu naturellement dans le bois, les émissions d’oxydes d’azote sont plus importantes pour des installations de combustion de la biomasse que pour des chaudières au fioul ou au gaz[23],[24].

Dans les années 2000, les véhicules sont devenus responsables de près de 60 % des émissions de NOx[18].

En 2007, la Chine est le premier pays émetteur d'oxydes d'azote[25].

Réduction des émissions de NOx des moteurs des véhicules automobiles[modifier | modifier le code]

Le pot catalytique a diminué les émissions des voitures (depuis 1993 en France), mais avec un impact atténué par une forte croissance du trafic, du nombre de véhicules, et par la durée de renouvellement du parc de véhicules. Les pots et filtres catalytiques sont efficaces mais consomment des métaux « précieux » et rares éventuellement toxiques (dont métaux du groupe du platine), et en perdent dans l'environnement. De plus, en Europe, où pour des raisons fiscales le taux de moteurs Diesel (non catalysés) est très élevé, ce type de véhicules produit l'essentiel du NOx. Une étude de l'UE a conclu en 1990, que 15 % des émissions de NOx étaient dues au transport maritime. À ce rythme elles représenteront 23 % des émissions en 2010[26].> . En France, pays où le taux de diesel est le plus élevé, le transport routier était en 2010 responsable d'environ 55 % des émissions de NOx selon le CITEPA[27], ce qui en fait un des premiers responsables de la pollution routière.

Réduction des émissions de NOx des installations de combustion[modifier | modifier le code]

Généralités[modifier | modifier le code]

Deux types de techniques existent : les techniques dites primaires (action sur la combustion) et les techniques dites secondaires (action sur l'effluent gazeux).
Les techniques primaires
Elles limitent les émissions en intervenant sur la combustion. On citera les brûleurs « bas-NOx »[28], la recirculation des gaz de combustion, l'injection étagée du combustible et/ou de l'air de combustion[29]. L'efficacité de ces techniques s'échelonne entre 20 et 60 % (dans le cas où l'on combinerait plusieurs techniques primaires).
Les techniques secondaires
Elles permettent d'obtenir des taux de réduction beaucoup plus importants. Les deux procédés qui se sont réellement imposés sur le marché sont :
- la technologie SNCR (Selective Non Catalytic Reduction), réduction non catalytique des NOx, qui permet un abattement d’au moins 50 % du flux de polluant, par l’injection d’urée ou d'ammoniac en une zone ciblée des fumées,
- la technologie SCR (Selective Catalytic Reduction), réduction catalytique des NOx, qui permet un abattement d’au moins 80 % du flux de polluant, par une réaction chimique catalytique, le catalyseur étant régénéré périodiquement[30],[31].

Cas du bois énergie[modifier | modifier le code]

Le bois énergie étant plus émetteur de NOx que les combustibles fossiles de type gaz naturel et fioul[32], son développement, dans le cadre de la promotion des énergies renouvelables, joue un rôle prépondérant par rapport aux autres énergies dans l’évolution des émissions de NOx[33].

Suisse[modifier | modifier le code]

La combustion du bois « dans des installations de chauffage ordinaires - sans filtres coûteux - produit des polluants atmosphériques locaux additionnels, surtout de la poussière fine et des oxydes d’azote »[34]. Les services cantonaux de l'énergie et de l'environnement, dans une information sur les chaudières bois à chargement automatique (granulés et plaquettes), signalent qu'« une chaudière à bois émet bien davantage de particules fines (PM10) et d'oxydes d'azote (NOx) qu'une chaudière à mazout »[24].

L'institut Paul Scherrer préconise la conversion du bois énergie en gaz naturel de synthèse pour réduire ces émissions[34].

Émissions de particules PM10 et d'oxydes d'azote (NOx) de systèmes de chauffage actuels
Émissions de PM10 et de NOx (NO + NO2) de systèmes de chauffage actuels en Suisse.
Émissions directes. Autres émissions = émissions sur la chaîne de production[35].
France[modifier | modifier le code]

La combustion de la biomasse a un impact sur la pollution atmosphérique, qui doit être réduite conformément aux engagements nationaux d’amélioration de la qualité de l’air. Une étude, réalisée pour le compte de l’ADEME par le CITEPA et « Énergies Demain »[36], évalue les conditions techniques et économiques d’un développement maîtrisé de la biomasse énergie permettant de respecter conjointement les engagements pris pour atténuer le réchauffement climatique et améliorer la qualité de l’air. Sur la vingtaine de polluants atmosphériques étudiés, les NOx sont les seuls polluants pour lesquels une augmentation des émissions à l’horizon 2020 est observée dans les résultats des simulations[33]. Le texte suivant est extrait de cette étude :

« La problématique des émissions de NOx reste à surveiller attentivement et à contrôler, même si la biomasse ne représente en 2005 que 2 % des émissions nationales. Non seulement la France ne respecte pas certaines concentrations limites dans l’environnement mais de plus elle a beaucoup de difficultés en ce qui concerne le respect de son plafond d’émissions de NOx (que ce soit celui de 2010 ou celui en préparation pour 2020). La rénovation du parc d’appareils domestiques conduit à des émissions de NOx supérieures par rapport à la situation existante. Le bois étant plus émetteur de NOx que les combustibles fossiles de type gaz naturel et fioul, la mise en place de « de-NOx »[37] sur des installations de puissances importantes pourrait être étudiée au cas par cas afin de limiter les émissions de NOx. Selon les scénarios considérés, le surcoût annuel d’investissement pour équiper toutes les nouvelles chaufferies biomasse de système de traitement des NOx est évalué entre 52 millions d’euros (système non catalytique ou SNCR, permettant une réduction de 2 à 6 % des émissions entre 2005 et 2020) et 280 millions d’euros (système catalytique ou SCR, permettant une réduction de 6 à 11 % des émissions entre 2005 et 2020). »[38].

Comparaison du facteur d'émission de NOx du chauffage au bois[39]
avec les autres types de carburant
(secteur domestique, année 2005 - synthèse 2009)[40]
Bois énergie Houille Fioul domestique Gaz naturel
NOx (g/GJ sortant) 126 72 60 58
Les facteurs d’émission des appareils sont exprimés en g/GJ (masse de NOx émise par unité d’énergie sortante (gigajoule (GJ)).

Effet du dioxyde de titane (TiO2)[modifier | modifier le code]

À Dinan, en France, 2 500 m2 de chaussée ont été construits en incorporant à un enrobé poreux classique un « coulis à base de ciment » contenant du dioxyde de titane, traité chimiquement, qui aide à détruire les NOx, mais cela revient à tripler le coût total.

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Atkins, Peter & Jones, Loretta (1998) Chimie : molécules, matière, métamorphoses, Traduction de la 3e édition américaine, De Boeck Université (ISBN 2-7445-0028-3).
  • Angenault, Jacques (1995) La Chimie, dictionnaire encyclopédique, 2e éd., Dunod (ISBN 2-10-002497-3).
  • Bernard, Maurice (1994) Cours de chimie minérale, 2e éd., Dunod (ISBN 2-10-002067-6).
  • Savarino J, Bhattacharya SK, Morin S, Baroni M, Doussin JF. (2008) The NO+O3 reaction: a triple oxygen isotope perspective on the reaction dynamics and atmospheric implications for the transfer of the ozone isotope anomaly ; J Chem Phys. mai 2008 21; 128(19):194303.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  • Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article intitulé « NOx » (voir la liste des auteurs).
  1. Peter Atkins, Loretta Jones, op. cit., p. 773.
  2. Jacques Angenault, op. cit, p. 48.
  3. Maurice Bernard, op. cit, p. 222.
  4. Tang X, Wilson SR, Solomon KR, Shao M, Madronich S (2011) Changes in air quality and tropospheric composition due to depletion of stratospheric ozone and interactions with climate. Photochem Photobiol Sci. 2011 Feb; 10(2):280-91. Epub 2011 Jan 20
  5. a, b, c, d et e Oxydes d'azote - NOx, sur le site du CITEPA.
  6. Les différents polluants et leur évolution, sur le site d'Airparif.
  7. Arrêté du 11/08/99, INERIS.
  8. a et b Oxydes d'azote (NOx), sur le site de l'OFEV.
  9. Processus détaillé dans les effets sur l'environnement
  10. Voir l'effet de serre
  11. Pollution photochimique, sur le site du CITEPA.
  12. a et b Berhanu TA, Savarino J, Bhattacharya SK, Vicars WC () (17)O excess transfer during the NO2 + O3 → NO3 + O2 reaction. ; J Chem Phys. 2012 Jan 28;136(4):044311. doi: 10.1063/1.3666852.. résumé
  13. Measurement of the 17O-excess (Δ17O) of tropospheric ozone using a nitrite-coated filter. Vicars WC, Bhattacharya SK, Erbland J, Savarino J. Rapid Commun Mass Spectrom. 2012 May 30; 26(10):1219-31.
  14. a et b ([PDF], 11 pages) Épuration des polluants issus de la combustion domestique du bois document du CSTB - p. 218 (archivé par Internet Archive).
  15. [[PDF] Les pics de pollution dans la basse atmosphère, p. 4, Académie de Nice.
  16. [PDF] La politique économique environnementale, p. 37, École des mines de Douai.
  17. Peter Atkins, Loretta Jones, op. cit., p. 534.
  18. a, b et c Oxyde d’azote (NOx), Dictionnaire Environnement.
  19. Directive européenne 2001/81/CE du 23 octobre 2001 relative aux Plafonds d‟Émissions Nationaux (NEC)
  20. CITEPA, Inventaire des émissions dans l'air en France, Format UNECE, 2012 (voir préambule, p11/244)
  21. Combustion et Émissions de NOx Journée d'études annuelle du CITEPA (2004).
  22. [PDF] La combustion du bois et ses impacts sur la qualité de l'air, p. 12, sur le site appa.asso.fr
  23. Energie-bois : se chauffer sainement, Medieco (Ingénierie et édition d'écologie médicale), cf. la section « Réduire les émissions des polluants ».
  24. a et b Chaudière - pompe à chaleur (cf. la section « Bois (chargement automatique) »), sur la page Choisir un mode de chauffage - Services cantonaux suisses de l'énergie et de l'environnement.
  25. Michel Temman, « Victime de ses rejets, Tokyo aide Pékin à se mettre au vert », dans Libération du 16/04/2007, [lire en ligne]
  26. Bulletin ADIT Juillet 2007
  27. Geneviève De Lacour, , Le transport routier responsable de 55 % des émissions de NOx ; Journal de l'environnement, brève du 14/06/2012
  28. Les émissions de NOx de ces brûleurs sont inférieures à la réglementation la plus sévère du moment ; cette limite évolue régulièrement.
  29. Réduction des NOx - traitement primaire : adapter la combustion (Energie Plus).
  30. [PDF] Étude Émissions : Chaudières Biomasse, DRIRE d'Île-de-France - Cf. les pages 23 à 31 et la conclusion pages 39, 40. Pour ce qui concerne plus spécialement les technologies de réduction des NOx, voir pages 22, 23 et l'Annexe 5 page 51 (extraits de la page web : Techniques de réduction des émissions de NOx du CITEPA).
  31. Réduction des NOx - traitement des fumées : réduction sélective non catalytique ou catalytique (Energie Plus).
  32. Voir les sections « Sources et devenir - Généralités » et « France » .
  33. a et b Source : [PDF] Synthèse des émissions nationales de polluants atmosphériques - Secteur biomasse énergie, p. 44, 54 ; ce dossier est téléchargeable sur le site de l'ADEME : Évaluation prospective 2020-2050 de la contribution du secteur biomasse énergie aux émissions nationales de polluants atmosphériques.
  34. a et b Le bois - un agent énergétique multiforme ; article original : le document ([PDF]) de l'Institut Paul Scherrer (avril 2006).
  35. Voir ([PDF]) : la version en anglais de l'original en allemand (p. 3) et la légende de ce tableau pour « Autres émissions ».
  36. Énergies Demain.
  37. de-NOx, ou DeNOx : systèmes de réduction des oxydes d'azote.
  38. Des extraits de cette étude sont disponibles sur la page web : Chauffage automatique au bois - (Nord-Picardie Bois).
  39. Tout type d’appareil confondu : foyers ouverts et fermés, poêles, cuisinières et chaudières (appareils anciens et récents).
  40. Source : [PDF] Le Bois énergie et la qualité de l’air (synthèse 2009), page 11 (Ministère de l’écologie).

Articles connexes[modifier | modifier le code]