Pollution à l'ammoniac - Ammonia pollution

La répartition des particules causées par la pollution à l'ammoniac aux États-Unis

Le lichen Bryoria fuscescens qui est sensible à la pollution ammoniacale

La pollution par l' ammoniac est la pollution par l' ammoniac chimique (NH ₃ ) - un composé d' azote et d' hydrogène qui est un sous-produit de l'agriculture et de l'industrie. Les formes courantes incluent la pollution de l'air par le gaz ammoniac émis par les usines de lisier et d' engrais agricoles en décomposition , tandis que les sources naturelles incluent les mines de charbon en feu de Jharia , le lac Natron caustique et le guano des colonies d'oiseaux marins. L'ammoniac gazeux réagit avec d'autres polluants dans l'air pour former de fines particules de sels d' ammonium qui affectent la respiration humaine. Le gaz ammoniac peut également affecter la chimie du sol de la localité où il s'installe et va, par exemple, dégrader les conditions requises par la sphaigne et les bruyères des tourbières .

La détection de l'ammoniac est facilitée par l'utilisation de packs de filtres et de dénudeurs en tissu (un séparateur de gaz). Des techniques telles que l'imagerie satellitaire et l' analyse des eaux de pluie sont également utilisées. On ignore encore beaucoup de choses sur l'impact de la pollution à l'ammoniac, mais la hausse des taux d'émission préoccupe les scientifiques. Le niveau d'ammoniac dans l'atmosphère était plus de deux fois plus élevé en 2010 qu'en 1940. L'ammoniac est désormais reconnu par de nombreux pays comme un polluant majeur et certains ont commencé à prendre des mesures pour limiter leurs émissions.

Sources

Le tableau ci-dessous répertorie les sources de pollution par l'ammoniac et leur contribution en pourcentage aux émissions mondiales d'ammoniac. Les sources sont également classées comme anthropiques (issues de l'homme) ou naturelles.

La source	La description	Pourcentage des émissions mondiales	Taper
Agriculture	1. Les déchets d'élevage contiennent de grandes quantités d' azote parce que les agriculteurs utilisent des aliments riches en nutriments. Près de 80 % de cet azote se retrouve dans le fumier des animaux sous forme d' ammonium (NH ₄⁺ ) qui est transformé en ammoniac (NH ₃ ) par volatilisation : ${\ce {NH4+(aq) -> NH3(g) + H+(aq)}}$ Environ la moitié du NH ₄⁺ est convertie en gaz ammoniac, qui pénètre ensuite dans l'atmosphère ou se dissout dans le ruissellement. La volatilisation est augmentée dans les environnements humides, chauds et acides. 2. L' utilisation d' engrais artificiels tels que le lisier est fabriquée pour avoir une teneur élevée en éléments nutritifs. Cela inclut les composés à base d'azote comme l'ammonium (NH ₄⁺ ) qui, comme le fumier, est libéré sous forme d'ammoniac par volatilisation (dans l'atmosphère ou par ruissellement).	Plus de 70% (⅔ du bétail) (⅓ de l'engrais)	Anthropique
Océans	La décomposition des déchets dans l'océan libère de l'ammonium dans l'eau de mer. Les niveaux de surface peuvent le libérer dans l'atmosphère par volatilisation qui augmente avec les vagues agitées, les vents violents, l'acidité élevée et les températures élevées.	15%	Naturel
Feux de forêt	La combustion de la biomasse (matière organique) entraîne la libération de nombreux produits chimiques qui comprennent parfois de l'ammoniac. Une biomasse différente entraîne des émissions différentes. La combustion de la biomasse des forêts tropicales, comme le bassin amazonien , libère la plus grande quantité d'ammoniac.	dix%	Anthropique et naturel
Voitures	Les convertisseurs catalytiques dans les moteurs réduisent les émissions chimiques nocives, mais provoquent également la libération d'ammoniac en tant que sous-produit. Le fonctionnement d'un convertisseur catalytique à trois voies provoque cela. Les véhicules plus récents ont réduit les émissions d'ammoniac grâce à des modifications telles que la diminution des températures d'échappement et l'augmentation des rapports air/carburant.	< 2%	Anthropique
Processus industriels	Les usines de production peuvent rejeter de l'ammoniac comme sous-produit par combustion chimique ou dans les effluents.	< 2%	Anthropique
Autre	Les déchets humains, les déchets d'animaux sauvages et la décomposition contribuent tous aux émissions d'ammoniac par volatilisation.	< 1%	Anthropique et naturel

Effets

L'ammoniac diminue la biodiversité des écosystèmes terrestres et aquatiques et forme également des aérosols dans l'atmosphère qui peuvent entraîner des complications pour la santé humaine en cas d'inhalation.

Biodiversité

Les émissions d'ammoniac gazeux pénètrent dans le sol et l'eau de la Terre par le biais de dépôts humides et secs . L' ammoniac aqueux , une autre forme du composé, peut s'infiltrer directement dans le sol ou s'écouler dans les écosystèmes aquatiques. La pollution terrestre et aquatique par l'ammoniac diminue la biodiversité principalement par le processus de nitrification .

Effets terrestres

En milieu terrestre, l'ammoniac augmente l'acidité du sol (diminution du pH) et provoque l' eutrophisation (une surabondance de nutriments). Ces deux phénomènes résultent directement de la nitrification. Dans ce processus, l'ammoniac est converti en nitrate par des bactéries (généralement des genres Nitrosomonas et Nitrobacter ) effectuant la réaction en deux étapes suivante :

Étape 1 : L'ammoniac (NH ₃ ) est oxydé en nitrite (NO ₂⁻ ) par :

${\ce {NH3(aq) + O2(g) -> NO2- (aq) + 3H+(aq) + 2e-}}$

Étape 2 : Le nitrite (NO ₂⁻ ) est oxydé en nitrate (NO ₃⁻ )

${\ce {NO2- (aq) + H2O(l) -> NO3- (aq) + 2H+(aq) + 2e-}}$

Les produits de cette réaction comprennent des ions hydrogène (H ⁺ ) qui abaissent le pH du sol et entraînent une acidification. L'acidité accrue du sol dans l'écosystème entraîne une diminution de la protection contre les températures froides, la sécheresse, les maladies et les espèces envahissantes. L'autre produit, le nitrate (NO ₃⁻ ), est un élément nutritif clé pour la croissance des plantes. Cet excès de nitrate issu de la nitrification à l'ammoniac favorise les plantes nitrophiles (celles qui préfèrent les concentrations élevées en nitrates) et désavantage les autres. Par exemple, une augmentation des populations de plantes nitrophiles protège les autres plantes de la lumière solaire nécessaire. Les groupes de plantes sensibles tels que les lichens et les mousses sont particulièrement sensibles à la pollution par l'ammoniac et les habitats tels que les tourbières , les tourbières , les prairies , les landes et les forêts sont principalement touchés.

Effets aquatiques

Dans les milieux aquatiques, l'ammoniac provoque une demande en oxygène azoté, une eutrophisation et des changements dans la santé des poissons. La demande biologique azotée en oxygène (DBO) résulte directement de la nitrification (voir effets terrestres). L'oxygène dissous (O ₂ ) est utilisé dans la nitrification pour réagir avec NH ₃ . Cela se traduit par moins d'O ₂ disponible pour les organismes qui en dépendent. La nitrification libère également du nitrate qui conduit à l'eutrophisation comme en milieu terrestre. Les algues nitrophiles et les macrophytes créent de grandes proliférations dans les eaux stagnantes. Cela exerce un stress sur les ressources et peut également empoisonner indirectement les organismes par la formation d'algues toxiques. En revanche, l'ammoniac peut également nuire directement aux organismes à peau perméable s'ils l'absorbent. La mortalité des poissons et les changements dans la croissance des poissons, l'état des branchies, le poids des organes et les niveaux d'hématocrite (globules rouges) sont liés à l'exposition à l'ammoniac.

Santé humaine

L'ammoniac gazeux qui ne se dépose pas forme des aérosols en se combinant avec d'autres émissions telles que le dioxyde de soufre (SO ₂ ) et les oxydes d'azote (NO _X ). Les réactions atmosphériques entre le dioxyde de soufre, les oxydes d'azote, les produits intermédiaires et d'autres gaz finissent par entraîner la formation de nitrate d'ammonium (NH ₄ NO ₃ ) et de sulfate d'ammonium (NH ₄ HSO ₄ ) par les éléments suivants :

${\style d'affichage {\ce {NH3(g) + HNO3 (g) -> NH4NO3(g)}}}$

${\style d'affichage {\ce {NH3(g) + H2SO4 (g) -> NH4HSO4 (g)}}}$

Ces aérosols d' ammonium (NH ₄ ) résultants sont classés comme des particules fines (PM2,5 ou particules de moins de 2,5 microns). La petite taille des particules PM2,5 leur permet de pénétrer dans les poumons et la circulation sanguine par inhalation. Les particules d'ammonium peuvent alors provoquer des complications telles que l' asthme , le cancer du poumon , des problèmes cardiovasculaires, des malformations congénitales et une mort prématurée chez l'homme. Les PM2,5 d'ammonium plus petits peuvent également parcourir de plus grandes distances (100 à 1 000 km) par rapport à l'ammoniac n'ayant pas réagi (moins de 10 à 100 km) dans l'atmosphère. Certains pays comme la Chine se sont concentrés sur la réduction des émissions de SO ₂ et de NO _X , mais l'augmentation de la pollution par le NH ₃ entraîne toujours la formation de PM2,5 et réduit la qualité de l'air.

Techniques de surveillance

La pollution par l'ammoniac est le plus souvent mesurée par sa présence dans l'atmosphère. Il n'a pas de système de relais automatique comme pour les autres mesures de polluants comme le dioxyde de carbone ; par conséquent, les échantillons d'ammoniac doivent être collectés par d'autres méthodes, notamment des filtres, des denenders en tissu, l'imagerie satellitaire et l'analyse des eaux de pluie.

Packs de filtres

Les packs de filtres se composent d'une pompe à air équipée d'un filtre en téflon et en fibre de verre . La pompe aspire de l'air et les filtres éliminent les particules d'ammoniac. Le filtre en téflon et en fibre de verre est recouvert d'acide citrique qui réagit avec les particules d'ammoniac légèrement basiques. Cette réaction "colle" essentiellement l'ammoniac en place. Plus tard, le filtre est testé avec le réactif de Nessler (un indicateur d'ammoniac) et un spectrophotomètre lit la quantité d'ammoniac présente.

Denuders en tissu

Les dénudeurs de tissus fonctionnent par échantillonnage passif (aucune pompe n'est utilisée et la collecte dépend uniquement du débit d'air). Un tuyau équipé de filtres en tissu de chaque côté sert de tunnel pour la diffusion de l'air. Le tissu est enduit d' acide phosphorique qui attire le gaz ammoniac (une base). L'air circule à travers le tube et l'ammoniac adhère aux filtres qui peuvent ensuite être testés pour les concentrations de NH _{3 à l'} aide du réactif de Nessler et d'un spectrophotomètre.

Imagerie satellitaire

Les systèmes de satellites mesurent les signatures de gaz dans l'atmosphère au fil du temps. La signature de l'ammoniac est tracée donnant une estimation de sa prévalence dans l'air et où il est le plus concentré. La NASA utilise l'imagerie satellitaire pour surveiller les émissions d'ammoniac depuis 2008.

Analyse de l'eau de pluie

Des seaux de pluie sont collectés puis testés pour l'ammoniac en utilisant les techniques décrites ci-dessus. Ceci fournit la concentration de gaz ammoniac piégé dans la vapeur d'eau atmosphérique.

Règlements

Bien que l'ammoniac soit désormais reconnu comme un polluant atmosphérique potentiellement dangereux, seuls certains pays ont pris des mesures supplémentaires pour réduire leurs émissions. Les stratégies de réduction se concentrent principalement sur le contrôle des pratiques agricoles.

Politique

L' Union européenne a mis en place deux politiques depuis 1999 pour prévenir la pollution par l'ammoniac. Il s'agit notamment du protocole de Göteborg (1999) et de la directive sur la protection et la réduction intégrées de la pollution (1999). Les plafonds d' émission nationaux a également été mis en vigueur en 2001 par l'UE pour réduire encore NH ₃ émissions. Le protocole de Göteborg a été révisé en 2012 pour fixer de nouvelles limites plafonds plus strictes pour l'ammoniac jusqu'en 2020 et pour inclure tous les pays de l'UE-27. Le Royaume-Uni en particulier a annoncé son intention de réduire ses émissions de 16 % d'ici 2030, mais aucune nouvelle politique n'a été adoptée. D'autres pays comme la Chine et les États-Unis reconnaissent l'ammoniac comme un polluant, mais n'ont mis en place aucune politique pour le réglementer.

Stratégies de réduction

Les réglementations sur la pollution par l'ammoniac se concentrent principalement sur l'atténuation grâce à de meilleures pratiques agricoles. Un changement suggéré est de garder le fumier et les engrais dans de grands réservoirs de stockage pour empêcher le ruissellement et la volatilisation dans l'air. Une autre stratégie consiste à nourrir le bétail avec des aliments moins denses en protéines. Il en résulterait que moins de protéines azotées (y compris l'ammoniac) se retrouveraient dans le fumier. Une dernière idée consiste à utiliser moins d'engrais à base d' urée et d'ammonium qui sont susceptibles de se volatiliser en ammoniac.

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