Impacts on air quality and human health of prenol, a new second-generation biofuel used for terrestrial transport

L'utilisation de biocarburants de deuxième génération a considérablement augmenté en raison des impacts sur la qualité de l'air et le climat de la combustion des combustibles fossiles. Le prénol (3-méthyl-2-butène-1-ol) est considéré comme un biocarburant de deuxième génération prometteur. Il est produit à partir de biomasse lignocellulosique, comme la partie non comestible des épis de maïs, l'herbe ou le bois. Le rejet de ce composé organique volatil (COV) dans l'atmosphère est inévitable lors de son transport, de son stockage ainsi que sous forme de carburant imbrûlé provenant des moteurs de voiture. Malgré son origine biogénique, le prénol peut réagir avec les oxydants atmosphériques et contribuer à la formation de divers produits d'oxydation susceptibles de dégrader la qualité de l'air et d'avoir des effets néfastes sur la santé humaine.Les objectifs de ce travail étaient doubles : (i) étudier la réactivité atmosphérique du prénol et (ii) évaluer sa toxicité et celle de ses produits d’oxydation pour l'homme.Des expériences consacrées à l'étude des réactions entre le prénol et les oxydants atmosphériques (ozone, radicaux hydroxyles et radicaux nitrates) ont été réalisées dans deux chambres de simulation atmosphérique : CHARME (CHamber for the Atmospheric Reactivity and the Meterology of the Environment, Dunkerque, France) et THALAMOS (Thermally Regulated Atmospheric Simulation Chamber, Douai, France).Dans les deux chambres, les constantes de vitesse du prénol ont été déterminées à température ambiante (293 ± 2 K), en conditions sèches (HR < 2 %), à pression atmosphérique et en utilisant la méthode relative. La réaction d'ozonolyse a été réalisée en présence de 1,3,5-triméthylbenzène (piégeur de radicaux OH). Les valeurs moyennes obtenues sont les suivantes (en cm3 molécule-1 s-1) : kprénol+ O3 = (3,26 ± 0,33) × 10-16, kprénol+ OH = (1,48 ± 0,14) × 10-10 et kprénol+ NO3 = (3,00 ± 0,44) × 10-10. Ces constantes de vitesse ont permis de calculer les durées de vie atmosphériques du prénol pour ses réactions avec O3, OH et NO3, elles sont respectivement de 1,2, 1,8 et 0,5 heure, ce qui indique que ces trois oxydants sont d'importants puits de prénol dans l'atmosphère. Au-delà de la cinétique à température ambiante, la dépendance en température des constantes de vitesse pour la réaction du prénol avec l'ozone et les radicaux hydroxyles ont été étudiés dans THALAMOS permettant la détermination des équations d'Arrhenius correspondantes. La réaction entre le prénol et l'ozone présente une dépendance positive en température dans la plage 283-353 K, tandis que celle avec OH présente une dépendance négative dans la plage 273-353 K. Les produits d'oxydation observés en phase gazeuse, à température ambiante, pour la réaction du prénol avec les trois oxydants sont des composés carbonylés, principalement de l'acétone, du glycolaldéhyde et du formaldéhyde et un mécanisme chimique détaillé conduisant à ces composés a été proposé.De plus, cette étude montre que la réaction du prénol avec l'ozone et avec les radicaux nitrates produit des aérosols organiques secondaires (AOS) avec des rendements maximums de 3 % et 4 % respectivement, ce qui indique que ces réactions sont des sources mineures d’AOS dans l'atmosphère. À notre connaissance, ce travail est le premier à présenter une étude mécanistique détaillée ainsi que les équations d'Arrhenius pour la réaction du prénol avec l'ozone et les radicaux hydroxyles. De plus, c'est également le premier décrivant la formation d’AOS pour la réaction du prénol avec l’ozone et les radicaux NO3.Outre les investigations sur la réactivité atmosphérique, une première évaluation des effets toxicologiques du prénol et de ses produits d'ozonolyse en phases gazeuse et particulaire a été réalisée in vitro en couplant la chambre CHARME à un système Vitrocell™. La réponse de cultures de cellules pulmonaires humaines exposées à l’interface air-liquide a ainsi pu être caractérisée.