PLUIES ACIDES: COMMENT ELLES SE FORMENT, COMPOSITION, RÉACTIONS ET EFFETS - ENVIRONNEMENT - 2025

Les pluies acides sont des précipitations humides ou sèches de substances qui génèrent un pH inférieur à 5,6. Ces précipitations peuvent être humides (diluées dans l'eau de pluie) ou sèches (dépôts de particules ou d'aérosols).

Le terme «pluie acide» a été proposé pour la première fois par le chercheur anglais Robert Angus Smith en 1850, au milieu de la révolution industrielle. Les acides les plus abondants qui se forment dans l'atmosphère sont nitriques et sulfuriques par oxydation de polluants naturels ou artificiels.

Carte des pluies acides. Source: Alfredsito94

Les polluants les plus importants sont les oxydes: NO2, NO3, SO2, dont les sources naturelles sont les éruptions volcaniques, les incendies de forêt et la dégradation bactérienne. Les sources artificielles sont les émissions de gaz résultant de la combustion de combustibles fossiles (activité industrielle et trafic automobile).

Les pluies acides ont des effets négatifs sur l'environnement tels que l'acidification des sols et des eaux, affectant les êtres vivants, y compris les humains. De plus, les sols et l'eau sont contaminés par des métaux lourds et l'eutrophisation se produit dans les plans d'eau.

Au niveau de la végétation, des dommages directs aux feuilles se produisent et la croissance des plantes est affectée. De plus, l'acidification du sol immobilise les nutriments et affecte les mycorhizes (champignons du sol). De même, les bâtiments, machines, monuments et œuvres d'art exposés aux éléments sont sérieusement oxydés ou érodés par l'effet des acides précipités.

Pour remédier à l'effet des pluies acides, certaines mesures essentielles peuvent être prises comme la protection des monuments et la correction de l'acidification des sols et des eaux. Cependant, la solution de base pour les pluies acides est de réduire l'émission dans l'atmosphère de composés chimiques qui sont les précurseurs de la formation d'acide.

Comment se forment les pluies acides?

Brouillard acide dû aux émissions de SO2 de la raffinerie PDVSA à Curaçao. Source: HdeK

Précurseurs chimiques

Le phénomène des pluies acides commence par l'émission dans l'atmosphère de composés chimiques précurseurs de la formation d'acides. Ces composés peuvent être émis par des sources naturelles ou artificielles.

Les sources naturelles comprennent les éruptions volcaniques, les incendies de végétation et les émissions océaniques. Comme les sources artificielles agissent les émissions industrielles, les émissions des véhicules à moteur à combustion ou la combustion des déchets.

Ces sources émettent divers composés susceptibles de générer des acides dans l'atmosphère. Cependant, les plus importants sont les oxydes d'azote et les oxydes de soufre.

Les oxydes d'azote sont connus sous le nom de NOx et comprennent le dioxyde d'azote (NO2) et l'oxyde nitreux (NO). Pour sa part, l'oxyde de soufre est du SO2 ou du dioxyde de soufre.

Processus troposphérique et acides produits

Le phénomène des pluies acides se produit dans la troposphère (zone atmosphérique qui va de la surface terrestre à une hauteur de 16 km).

Dans la troposphère, les courants atmosphériques peuvent transporter ces composés sur n'importe quelle partie de la planète, ce qui en fait un problème mondial. Dans ce processus, les oxydes d'azote et de soufre interagissent avec d'autres composés pour former respectivement de l'acide nitrique et de l'acide sulfurique.

Support de réaction

Les réactions chimiques peuvent être effectuées soit sur des particules solides en suspension, soit dans des gouttes d'eau en suspension.

L'acide nitrique se forme principalement en phase gazeuse, en raison de sa faible solubilité dans l'eau. Pour sa part, l'acide sulfurique est plus soluble dans l'eau, étant le principal constituant des pluies acides.

Acide nitrique

Pour la formation d'acide nitrique (HNO3), les oxydes d'azote réagissent avec l'eau, avec des radicaux tels que OH (dans une moindre mesure avec HO2 et CH3O2), ou avec l'ozone troposphérique (O3).

Acide sulfurique

Dans le cas de la production d'acide sulfurique (H2SO4), les radicaux OH, HO2, CH3O2, eau et ozone participent également. De plus, il peut être formé en réagissant avec du peroxyde d'hydrogène (H2O2) et divers oxydes métalliques.

Acide carbonique

Le H2CO3 est formé par la réaction photochimique du dioxyde de carbone avec l'eau atmosphérique.

Acide chlorhydrique

Le HCl ne représente que 2% des pluies acides et son précurseur est le chlorure de méthyle (ClCH3). Ce composé provient des océans et est oxydé par les radicaux OH pour former de l'acide chlorhydrique.

Précipitation

Une fois que les composés acides (acide nitrique ou acide sulfurique, et dans une moindre mesure acide chlorhydrique) se sont formés, ils précipiteront.

La précipitation peut se faire par dépôt des particules en suspension dans lesquelles la réaction d'acidification a eu lieu en phase gazeuse. Une autre façon est que l'eau condensée précipite sous la pluie là où les acides se sont formés.

Composition

L'acidité naturelle de la pluie est proche d'un pH de 5,6, bien que dans certaines zones non contaminées des valeurs de 5. Ces faibles valeurs de pH ont été associées à la présence d'acides d'origine naturelle.

On considère qu'en fonction du niveau de pH, la pluie peut être classée en:

a) Légèrement acide (pH compris entre 4,7 et 5,6)

b) Acide moyen (pH compris entre 4,3 et 4,7)

c) Fortement acide (pH inférieur ou égal à 4,3).

Si la pluie a une concentration> 1,3 mg / L pour les nitrates et> 3 mg / L pour les sulfates, la contamination est considérée comme élevée.

Les pluies acides se composent dans plus des deux tiers des cas de la présence d'acide sulfurique, suivi en abondance d'acide nitrique. Les autres composants qui peuvent contribuer à l'acidité de la pluie sont l'acide chlorhydrique et l'acide carbonique.

Réactions chimiques des pluies acides

Formation d'acide sulfurique (H2SO4)

La production d'acide sulfurique peut avoir lieu en phase gazeuse ou en phase liquide.

Phase gazeuse

Seulement 3 à 4% du SO2 est oxydé en phase gazeuse pour produire de l'acide sulfurique. Il existe de nombreuses voies de formation d'acide sulfurique à partir de précurseurs gazeux, ici la réaction du SO2 avec l'ozone troposphérique est montrée.

La réaction se déroule en deux étapes:

1.- Le dioxyde de soufre réagit avec l'ozone troposphérique, générant du trioxyde de soufre et libérant de l'oxygène.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- Ensuite, le trioxyde de soufre s'oxyde avec de la vapeur d'eau et produit de l'acide sulfurique.

SO3 + H2O = H2SO4

Phase liquide

Dans les gouttes d'eau qui formeront la pluie, l'acide sulfurique peut être produit de plusieurs manières:

1.- Le SO2 se dissout dans l'eau générant de l'acide sulfureux, et celui-ci est oxydé par le peroxyde d'hydrogène:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.- Mécanisme photocatalytique: Dans ce cas, les particules d'oxyde métallique (fer, zinc, titane) sont activées grâce à l'action de la lumière du soleil (activation photochimique) et oxydent le SO2 générant de l'acide sulfurique.

Formation d'acide nitrique (HNO3)

L'ozone troposphérique O3 produit la transformation du NO2 en HNO3 dans un processus en trois étapes:

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2

2.- NO3 + NO2 = N2O5

3.- N2O5 + H2O = 2HNO3

Effets sur l'environnement

Effet des pluies acides dans une forêt des montagnes de Jizera en République tchèque. Source: Lovecz

L'acidification des sols et ses effets sur la végétation

L'effet des pluies acides sur le sol varie en fonction de sa composition. Par exemple, les sols d'origine calcaire, basaltique et ignée ont une plus grande capacité à neutraliser l'acidité.

De leur côté, les sols riches en quartz comme matériau inerte ne sont pas capables de réguler la teneur en acide. Ainsi, dans les sols où les pluies acides augmentent l'acidité, des ions métalliques toxiques pour les plantes et les animaux sont libérés et emportés.

Un cas pertinent est la dissolution des aluminosilicates, qui libèrent des ions aluminium très nocifs pour la végétation.

En général, l'acidité du sol diminue la disponibilité des nutriments pour les plantes. De plus, il favorise la libération et le lavage du calcium, ce qui provoque des carences chez les plantes.

Effet sur les aquifères et la santé humaine

Dans la plupart des cas, les pluies acides n'ont pas un aspect ou un goût différent de la pluie normale et ne créent pas de sensations sur la peau. Ses effets sur la santé humaine sont indirects et il cause rarement des dommages cutanés dus à une acidité extrême.

L'un des problèmes des pluies acides est qu'en abaissant les valeurs de pH en dessous de 5, les métaux lourds sont libérés et emportés. Ces polluants tels que l'aluminium et le cadmium peuvent pénétrer dans les aquifères souterrains.

Si l'eau de ces aquifères contaminés passe dans des puits utilisés pour la consommation humaine, cela peut causer de graves dommages à la santé.

Détérioration des bâtiments, monuments et matériaux

Gargouille endommagée par les pluies acides. Source: Nino Barbieri

Pierres de type calcaire

Les constructions, monuments et sculptures en calcaire ou en marbre sont gravement affectés par les pluies acides. C'est assez grave, car de nombreux bâtiments historiques et œuvres d'art sont construits avec ces matériaux.

Dans le cas du calcaire, les pluies acides provoquent la dissolution du calcaire et la recristallisation de la calcite. Cette recristallisation produit des tons blanchâtres en surface.

Dans le cas particulier de la pluie avec de l'acide sulfurique, le phénomène de sulfatation se produit. Grâce à ce processus, la surface de la roche est transformée en gypse et du CO2 est libéré.

Le marbre, bien que plus résistant, est également affecté par les pluies acides. Dans ce cas, l'exfoliation de la pierre se produit, c'est pourquoi des couches superficielles de celle-ci se détachent.

Autres matériaux non corrosifs

Dans certains bâtiments, la détérioration structurelle est mineure, mais aussi avec des effets négatifs. Par exemple, les dépôts d'acide sec rendent les murs sales, augmentant ainsi les coûts d'entretien.

Les métaux

Les pluies acides provoquent la corrosion des métaux en raison du phénomène d'oxydation. Cela entraîne d'énormes pertes économiques, car les structures, les équipements, les machines et les véhicules comportant des pièces métalliques sont gravement affectés.

Flore et faune

Poisson tué par les pluies acides. Source: United States Fish and Wildlife Service.

Les pluies acides modifient l'équilibre naturel des écosystèmes aquatiques et terrestres.

Plantes et animaux dans les plans d'eau lentiques

Les plans d'eau lentiques sont plus sensibles à l'acidification, car ce sont des écosystèmes fermés. De plus, l'accumulation d'acides dans l'eau a des conséquences négatives sur la vie qu'elle abrite.

Une autre conséquence de l'acidification est la précipitation des nitrates par la pluie, qui provoque l'eutrophisation des plans d'eau. L'excès de nutriments réduit l'oxygène disponible et nuit à la survie des animaux aquatiques.

Un autre effet négatif indirect est l'entraînement d'ions de métaux lourds de l'environnement terrestre dans les plans d'eau. Ces ions sont libérés dans le sol par l'action des ions hydronium lorsque l'acidité augmente.

Végétation et disponibilité des nutriments

Les problèmes les plus graves causés par l'acidification des sols sont l'immobilité des nutriments essentiels et l'augmentation des métaux toxiques.

Par exemple, l'aluminium et le magnésium sont libérés des particules du sol en étant remplacés par de l'hydrogène. L'aluminium affecte la structure et la fonction des racines et réduit l'absorption du calcium indispensable aux plantes.

D'autre part, l'acidification des sols cause des dommages aux mycorhizes (champignons associés aux racines), qui sont essentiels dans la dynamique de la forêt.

Dommages directs aux plantes et aux animaux

L'acide sulfurique cause des dommages directs aux feuilles en dégradant la chlorophylle et en produisant de la chlorose (jaunissement de la feuille). Chez certaines espèces, la croissance et la production de graines viables diminuent.

Les amphibiens (grenouilles et crapauds) sont particulièrement sensibles aux effets de l'acidité de l'eau. Certains dommages sont des blessures directes et une diminution de la défense contre les agents pathogènes (en particulier les champignons cutanés).

Solutions

Réduisez les émissions

L'essentiel pour les pluies acides est de réduire les émissions de précurseurs chimiques acides dans l'environnement. Les plus importants d'entre eux sont les oxydes de soufre et d'azote.

Cependant, cela présente quelques difficultés, car cela implique d'affecter les intérêts économiques et de développement des entreprises et des pays. Par exemple, l'une des principales sources de dioxyde de soufre est la combustion du charbon, qui représente plus de 70% de l'énergie en Chine.

Il existe des alternatives technologiques qui peuvent contribuer à réduire les émissions. Par exemple, dans l'industrie, les soi-disant «lits fluidisés» incorporent des absorbants (calcaire ou dolomite) qui retiennent le SO2. Dans le cas des véhicules automobiles et des moteurs à combustion en général, les pots catalytiques conformes contribuent également à réduire les émissions de SO2.

D'autre part, certains pays ont mis en œuvre des programmes spécifiques pour réduire les pluies acides. Par exemple, les États-Unis ont développé le National Acid Precipitation Assessment Program (NAPAP). Parmi certaines des mesures envisagées par le NAPAP figure la mise en œuvre de l'utilisation de carburants à faible teneur en soufre.

Une autre mesure possible est le remplacement du parc de véhicules par des voitures électriques pour réduire à la fois les pluies acides et le réchauffement climatique. Cependant, bien que la technologie existe pour y parvenir, la pression des industries automobile et pétrolière a retardé les décisions à cet égard. D'autres facteurs qui influencent sont les éléments culturels liés à la vitesse qu'un véhicule est censé atteindre.

Appliquer des mesures de correction d'acidité

Dans certains cas, le pH des sols et des eaux peut être augmenté en ajoutant des alcalis, par exemple en incorporant de grandes quantités de chaux. Cependant, cette pratique n'est pas réalisable dans de très grandes superficies de terres.

Protection de surface

Calcul

Il existe différentes méthodes pour protéger ou au moins réduire la détérioration de la pierre sous l'effet des pluies acides. L'une de ces méthodes consiste à le laver à la vapeur ou à l'eau chaude.

Des agents chimiques tels que l'acide fluorhydrique ou le bifluorure d'ammonium peuvent également être utilisés. Une fois lavée, la pierre peut être scellée en appliquant des produits spéciaux qui obstruent les pores, comme l'hydroxyde de baryum.

Métal

Les surfaces métalliques susceptibles de se corroder peuvent être protégées en les enduisant d'un métal non corrosif tel que le zinc.

Pour cela, une électrodéposition peut être appliquée, ou la structure métallique à protéger peut être immergée dans le métal de protection à l'état liquide.

Références

1. Espada L et A. Sánchez (1995). Influence des pluies acides sur la corrosion des métaux. pp. 145-171. In: Sastre de Vicente M. (Coord.) Electrochimie et environnement au seuil du XXIe siècle. Université de La Corogne. Service des publications. La Corogne, Espagne.
2. García-Ruiz G (2018). Protection des structures de bâtiments en atmosphères corrosives. Projet de fin d'études en ingénierie en technologies industrielles. Université polytechnique de Carthagène. École technique supérieure de génie industriel. Carthagène, Espagne. 75 p.
3. Granados-Sánchez D, GF López-Ríos et MA Hernández-García (2010). Les écosystèmes des pluies acides et des forêts. Revista Chapingo Forestry and Environmental Sciences Series 16: 187-206.
4. Likens GE, CT Driscoll et DC Buso (1996). Effets à long terme des pluies acides: réponse et rétablissement d'un écosystème forestier. Science, 272; 244–246.

   Likens GE et FH Bormann (1974). Les pluies acides: un grave problème environnemental régional. Science, 184: 1176-1179.

5. Schindler DW (1988). Effets des pluies acides sur les écosystèmes d'eau douce. Science, 239: 149-157.
6. Vélez-Upegui JJ, MC Valencia-Giraldo, A Londoño-Carvajal, CM González-Duque, JP Mariscal-Moreno (2010). Pollution atmosphérique et pluies acides. Diagnostic du phénomène dans la ville de Manizales. Faculté d'ingénierie et d'architecture. Université nationale de Colombie. Siège de Manizales. Editorial Blanecolor Ltda, première édition. Manizales, Colombie. 150 p.