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AVERTISSEMENT



Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
universitaire élargie.
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version papier. Ceci implique une obligation de citation et de
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LIENS




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Institut National Polytechnique de Lorraine ENSIC
2, Avenue de la Forêt de Haye 1, Rue Grandville
BP 3 BP 20451
F-54501 Vandoeuvre-les-Nancy Cedex F-54001 Nancy Cedex



Ecole Doctorale RP2E
Ressources Procédés Produits Environnement



Laboratoire des Sciences du Génie Chimique Institut National de Recherche et de Sécurité
UPR CNRS 6811 Département Ingénierie des Procédés
1, Rue Grandville Avenue de Bourgogne
BP 20451 BP 27
F-54001 Nancy Cedex F-54501 Vandoeuvre-les-Nancy Cedex



THESE


présentée en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’INPL

spécialité
Génie des Procédés et des Produits



Etude de la Filtration des Aérosols Nanométriques



par
Guillaume MOURET


Soutenue publiquement le 7 novembre 2008, devant le jury composé de :


Président Jean-Claude ANDRE Directeur de Recherche CNRS

Rapporteurs Denis BOULAUD Adjoint au Directeur de l’Environnement et de
l’Intervention de l’IRSN
Yves GONTHIER Professeur à l’Université de Savoie

Examinateurs Denis BEMER Ingénieur d’Etudes à l’INRS
Sandrine CHAZELET Maître de Conférences à l’UHP, Nancy 1
Laurence LE COQ Maître-Assistant à l’Ecole des Mines de Nantes
Dominique THOMAS Professeur à l’Université H. Poincaré, Nancy 1
Jacques VENDEL Ingénieur de Recherche à l’IRSN














































Avant-Propos



Cette thèse est le résultat d’une collaboration entre l’Institut National de Recherche et de
Sécurité (INRS) et le Laboratoire des Sciences du Génie Chimique (LSGC). Aussi, s’il vous
prenait l’envie irrésistible (je n’ai pas dit folle…) de vous aventurer dans ce manuscrit,
n’oubliez pas d’y voir le fruit de toute une équipe, et non pas d’un seul (même s’il va de soi
que le thésard apparaît comme l’actionnaire majoritaire dans cette histoire…).


Merci tout d’abord au Professeur Dominique THOMAS, mon directeur de thèse, de m’avoir
accueilli dans son équipe et suivi, malgré ses nombreuses responsabilités, durant ces trois ans.
Un merci tout particulier à Mme. Sandrine CHAZELET, pour sa patience à toute épreuve, et
pour le soutien scientifique et moral qu’elle m’a apporté. Merci aussi à M. Denis BEMER, de
l’INRS, pour ses conseils avisés et son regard critique sur nos résultats.


Ma reconnaissance va aux professeurs Denis BOULAUD et Yves GONTHIER ; merci à eux
d’avoir accepté d’être les rapporteurs de mon manuscrit et, par leurs remarques, de m’avoir
amené à lui donner sa forme définitive. Merci au professeur Jean-Claude ANDRE d’avoir
accepté d’être président de mon jury, et aux professeurs LE COQ et VENDEL d’en avoir été
membres.


Je tiens à remercier aussi l’ensemble des acteurs du groupe SISyPHe (Sécurité Industrielle et
Systèmes Particulaires Hétérogènes), permanents comme post-docs, masters ou doctorants :
merci à Jean-François, Jean-Christophe, Olivier, Laurent, Laurent (bis), Nathalie, Véronique,
Sébastien, Alexis, Mamadou, Nadia, Felipe, Benoît, Xavier… en espérant n’oublier personne.


Le tableau ne saurait être complet sans associer à ce travail le service EMI et l’ensemble des
magiciens de l’atelier, pour lesquels rien ne semble impossible dès lors qu’il s’agit d’extruder,
usiner, souder, laminer…. Merci pour toutes les solutions apportées.



Pour finir, un grand merci à mes parents d’avoir toujours été là, de m’avoir soutenu (et
supporté) durant toutes ces années (cette fois, promis, c’est fini), et sans qui je ne serais rien.
Merci à mes deux amours de petits frères. Et enfin, merci à toi mon cœur, ma douce Hélène,
petit porte-bonheur personnel, future doctoresse qui portera bientôt mon nom….



























































A ma famille,
passée, présente et future…

Table des Matières

NOMENCLATURE .............................................................................................................9
INTRODUCTION ..............................................................................................................17
CHAPITRE I - REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ...............................................................25
1. Généralités........................................................................................................................................... 27
2. Efficacité d’un filtre à fibres................................................................................................................ 29
3. Efficacité unitaire de collecte par diffusion brownienne..................................................................... 31
3.1. Modèles d’efficacité classiques...................................................................................................... 31
3.2. Théorie du rebond thermique ......................................................................................................... 36
3.3. Etudes expérimentales menées depuis 1991.................................................................................... 41
4. Efficacité unitaire de collecte par effets électrostatiques .................................................................... 46
CHAPITRE II - MATERIEL ET METHODES ...............................................................49
1. Présentation du banc d’essai ............................................................................................................... 51
1.1. Principe de fonctionnement et protocole opératoire ........................................................................ 51
1.2. Génération de nanoparticules......................................................................................................... 52
1.3. Sélection d’une taille de particules................................................................................................. 54
1.4. Détection et comptage ................................................................................................................... 60
2. Limites d’utilisation des appareils et artéfacts de mesures potentiels ................................................ 61
2.1. Efficacité de comptage du CNC..................................................................................................... 61
2.2. Modes de comptage du CNC ......................................................................................................... 62
2.3. Fonction de transfert du DMA ....................................................................................................... 63
2.4. Incidence de la nature du gaz porteur ............................................................................................. 66
3. Caractérisation des aérosols générés par le GFG-1000....................................................................... 67
4. Limites dues à la géométrie du banc d’essai et au protocole opératoire............................................. 70
4.1. Rapport Г...................................................................................................................................... 70
4.2. Agglomération et dépôt de particules ............................................................................................. 72
4.3. Pertes totales ................................................................................................................................. 74
4.4. Perméance limite mesurable .......................................................................................................... 77
5. Synthèse ............................................................................................................................................... 77
CHAPITRE III - EFFICACITE DES GRILLES..............................................................81
1. Présentation des médias....................................................................................................................... 83
2. Filtration d’aérosols globalement neutres........................................................................................... 84
2.1. Cas des grilles inox........................................................................................................................ 84
2.2. Cas des grilles synthétiques ........................................................................................................... 86
3. Filtration d’aérosols chargés ............................................................................................................... 89
3.1. Cas des grilles inox........................................................................................................................ 89
3.2. Cas des grilles synthétiques ........................................................................................................... 91 4. Retour sur la filtration d’aérosols globalement neutres...................................................................... 96
5. Synthèse ............................................................................................................................................... 99
6. Retour sur la théorie du rebond thermique ........................................................................................ 99
CHAPITRE IV - EFFICACITE DES FILTRES NON-TISSES.....................................109
1. Présentation des médias..................................................................................................................... 111
2. De la filtration d’aérosols globalement neutres à celle de particules non-chargées.......................... 113
2.1. Filtration d’aérosols globalement neutres ..................................................................................... 113
2.2. Filtration de particules non-chargées............................................................................................ 115
3. Filtration d’aérosols chargés ............................................................................................................. 117
3.1. Cas du filtre Reemay R2033 ........................................................................................................ 117
3.2. Cas des filtres A320 et AX1923................................................................................................... 125
4. Synthèse ............................................................................................................................................. 129
5. Perméance au sein de médias percés ................................................................................................. 130
5.1. Modélisation ............................................................................................................................... 130
5.2. Résultats expérimentaux.............................................................................................................. 135
5.3. Régime de lit et régime de fuite ................................................................................................... 139
CHAPITRE V - EFFICACITE DES LITS GRANULAIRES ........................................143
1. Présentation des médias..................................................................................................................... 145
2. Efficacité théorique d’un lit de billes dans le domaine diffusionnel.................................................. 145
3. Capture des nanoparticules par des billes d’acier ............................................................................ 147
4. Capture des nanoparticules par une zéolithe commerciale............................................................... 149
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES...........................................................................153
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................................159
ANNEXES ........................................................................................................................173


















Nomenclature

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