Quels sont les impacts environnementaux du catalyseur ?

Face au nombre croissant de véhicules motorisés et pour limiter la pollution de l’air, depuis la fin des années 1990, de nombreux pays ont rendu un élément catalyseur obligatoire pour les moteurs à essence et/ou diesel. Cependant les véhicules sont toujours plus nombreux, et ils parcourent des distances croissantes, et certains polluants ne sont pas traités par les catalyseurs.
Enfin, il semble que certains pots catalytiques vieillissent mal et puissent perdre une partie de leur contenu dans l’environnement. Outre que ces métaux sont précieux, ils peuvent polluer.

Impacts positifs : Les pots catalysés ont permis de diminuer les émissions de 3 polluants monoxyde de carbone (CO, toxique), oxydes d’azote (précurseurs de l’ozone) ainsi que des hydrocarbures imbrûlés (polluants et parfois mutagènes et cancérogènes), et indirectement du plomb (en favorisant les carburants sans plomb)

Limites du système : La catalyseur ne résout pas tous les problèmes de pollution des gaz d’échappement, et elle en crée de nouveaux.

1. Le catalyseur n’est efficace qu’au dessus d’environ 400 °C, température qui n’est généralement atteinte qu’après 10 à 15 kilomètres de conduite. Or, c’est au démarrage que les émissions de gaz toxiques sont les plus importantes.
2. Des polluants majeurs ne sont pas traités : la température de fonctionnement du catalyseur à trois voies provoque une réaction parasite qui crée du N₂O, un puissant gaz à effet de serre, et il ne traite pas le CO₂. Ce sont donc deux gaz à effet de serre qui sont produits et/ou non traités.
3. Remplacement du plomb : le plomb utilisé pour relever l’indice d’octane a été remplacé car il détruit les pots catalytiques et pour ses inconvénients graves (le plomb est non dégradable, et facteur de saturnisme). Mais le benzène et certains métaux lourds (ex : Manganèse en l’additif sur les véhicules qui ne supportent pas les carburants sans plomb) qui ont remplacé le plomb comme « anti-détonants » (une grande partie du benzène a été aujourd’hui remplacée par des alcools qui ont des propriétés anti-détonantes similaires) posent d’autres problèmes écologiques et sanitaires (le benzène est cancérogène), et ils sont de plus en plus présents dans l’air et l’environnement urbain et aux abords des routes à fort trafic.
4. Nouvelle pollution par les métaux précieux : Selon des études citées par la revue scientifique américaine Environmental Science and Technology – paradoxalement – les métaux lourds des pots catalytiques polluent déjà l’environnement, localement et jusque dans les neiges et les glaces polaires. (100 fois plus de retombées dans les zones polaires avec très forte augmentation en deux décennies). Les pots sont soumis à un flux corrosif et encrassant, à de fréquentes variations de température et de pression, à des chocs thermiques et aux vibrations, ce qui explique qu’une part des métaux lourds utilisés soient peu à peu arrachés de leur support et expulsés avec les gaz d’échappement.
   Les pots catalytiques pour automobiles sont apparus vers 1975 aux USA et fin des années 1980 en Europe de l’Ouest. Ils émettent des quantités croissantes de platine, rhodium et de palladium, par exemple détectées dans l’herbe des prairies bordant des routes, dans l’urine des habitants de Rome, ce qui laisse penser que nous y sommes exposés. Ces métaux autrefois rares dans notre environnement sont maintenant communément trouvés dans la poussière des routes des pays riches, à des taux parfois plus élevées que dans le minerai de platine (source : Pr. Claude Boutron).
   Pollution locale et globale :Contrairement aux principaux gaz d’échappement, les métaux lourds ne sont ni biodégradables ni dégradables. Ils ne peuvent qu’être stockés éventuellement provisoirement dans les sols, sédiments ou végétaux. Ce phénomèe est récent et peu étudié : on ignore encore s’ils peuvent être fortement bioaccumulés dans les chaînes alimentaires. Une étude a dosé le platine, le rhodium et le palladium de carottes de glace et de neige prélevées au centre du Groenland ; Les taux de platine, rhodium et palladium se sont montrés jusqu’à 100 fois plus élevés dans la neige tombée au milieu des années 1990 que dans la glace datant d’il y a 7000 à 8000 ans, avec une brutale augmentation ces dernières années qui laisse penser que la catalyse serait en cause.
   Des analyses sont en cours pour voir si l’Antarctique et l’Hémisphère-Sud sont également touchés, bien que beaucoup moins industrialisés et peuplés.
   L’origine de cette pollution semble avérée et incontestable, car le rapport d’abondance du platine et du rhodium mesuré dans la neige récente du Groenland est le même que celui mesuré directement à la sortie de pots d’échappement catalytiques. Ces métaux circulent donc déjà de manière aéroportée jusqu’en Arctique.
   Selon une étude allemande publiée en 2001, le platine était jusqu’en 1998 plus présent que le rhodium, et sa présence augmente plus vite en Allemagne que celle du rhodium dans l’air ambiant et dans les poussières, et ce depuis l’introduction de pots catalytiques automobiles en 1988. Les analyses montrent une forte et régulière augmentation des teneurs ambiantes de ces métaux sur 10 ans (de 1988 à 1998). Plus précisément, les teneurs de l’air en ces matériaux étaient 46 fois plus élevées en 1998 qu’en 1988 pour le Platine et 27 fois pour le Rhodium, et on peut supposer qu’ils ont encore augmenté depuis étant donné la multiplication du nombre des pots catalytiques. Les taux considérés par métaux restaient en 1998 pour le platine (147 pg/m³ en moyenne, avec un maximum de 246 pg/m³ en 1998) au-dessous de la valeur guide de 15000 pg/m³ (concentration à partir de laquelle un risque appréciable pour la santé est reconnu, selon les données épidémiologiques disponibles (étude d’employés d’usines produisant ou utilisant des catalyseurs), mais ces études sont rares, elles ne concernaient pas les très petites particules et n’ont pas étudié si des effets synergiques étaient possibles entre catalyseurs, ou avec d’autres polluants, ou en terme d’impacts secondaires via la photochimie par exemple.
5. Pollution par l’Osmium (faiblement présent comme catalyseur ou comme impureté dans les platinoïdes catalytiques ; à raison de 600 à 700 ppt pour les pots catalytiques anciens et beaucoup moins probablement pour les derniers modèles) pour les nouveaux modèles). Ce métal rare est volatile sous sa forme oxydée, qui est par ailleurs très toxique.
   – Un faible pourcentage de cet osmium est perdu sous forme particulaire (expulsé avec les gaz d’échappement, déposé sur les routes et éventuellement lessivé par les pluies).
   – Une autre partie, probablement beaucoup plus importante est perdue sous forme gazeuse. En laboratoire, la volatilité de l’oxyde d’osmium (OsO4(g>) se montre élevée ; assez pour que près de 95% de l’Osmium des pots catalytiques soit vaporisé et dispersé dans l’air, faisant des automobiles contemporaines (des années 2000-2009) la première source majeure et planétaire de pollution en Osmium non radiogénique. Ce sont de 3 pico-grammes d’osmium/m2 à 126 pico-grammes/m2 (qui peuvent être émis dans de grandes agglomérations telles que New-York City) qui pourraient ainsi être déposés annuellement, surtout aux abords des réseaux routiers les plus circulants. Ces dépôts sont importants si on les compare par exemple aux 1 pg d’Osmium/m2/an déposé via les poussières d’origine naturelle (érosion du sol, volcanisme, météorites..). Cet osmium n’est pas biodégradable, et s’ajoute à celui provenant des rares autres sources anthropiques déjà inventoriées et on en trouve déjà des quantités significatives dans les eaux et sédiments. On ignore son temps moyen de vie dans l’air ou l’eau, mais comme c’est une molécule très réactive (hyperoxydant), on suppose que sa forme vapeur (la plus toxique) a une relativement faible durée de vie. On ne connait pas son cycle dans les compartiments vivants des écosystèmes (chaine alimentaire), mais on mesure déjà une accumulation dans les sédiments. Par exemple, les métaux sédimentés dans le Saanich Inlet, un fjord anoxique de la Cote Ouest du Canada ont été étudiés pour fabriquer la courbe en 187Os/I88Os caractérisant certains évènement géotectoniques et climatiques des paléo-océans (du Cénozoïque, et pour partie du Mézosoïque). Les quantités d’osmium y sont faibles, probablement en raison de la faiblesse de l’enrichissement du fjord en osmium marin, mais on s’est aperçu que les couches récentes de sédiments contiennent une faible quantité d’Osmium (55-60 ppt dont la composition isotopique ne reflète pas celle de l’océan actuel mais évoque un apport local en Osmium non-radiogénique (détritique et/ou dissous). La comparaison qualitative (isotopique) et quantitative de cet osmium avec celui qui est conservé dans les couches stratigraphiques plus anciennes et préanthropiques laisse penser que cet Osmium non-radiogénique est d’origine humaine, et plus particulièrement automobile, car on trouve aussi dans les sédiments superficiels de ce fjord du plomb tétra-éthyl issu des carburants automobiles (des années 1930 à 1980). La signature isotopique de ce plomb démontre que ce fjord est fortement affecté pas les retombées de plomb atmosphérique originaire du parc automobile nord-Américain⁾.
   -L’osmium des catalyseurs passe effectivement en phase vapeur aux températures de fonctionnement des pots d’échappement : Une expérience a consisté à chauffer l’élément catalytique d’un pot d’échappement dans un four durant 330 h (délai correspondant à environ un an d’utilisation à raison d’une heure/jour, à 400 ° C, soit la température la plus basse pour que le catalyseur fonctionne). À cette température, 75% à 95% de l’osmium quitte le substrat catalytique pour passer dans l’air sous forme gazeuse (OSO4). Or la température dans un pot catalytique dépasse souvent 500 °C et peut atteindre 1100 ° C. L’auteur suppose donc qu’en usage normal, près de 100 % de l’osmium présent dans le catalyseur pourrait être perdu dans l’air.
   – Une étude isotopique récente a montré que cette contamination était déjà largement planétaire pour les neiges et eaux de pluies, mais aussi des eaux marines superficielles par de l’osmium anthropogénique

(source : wikipedia)