Évaluation de l'inflammabilité et de l'explosivité des nanopoudres : une démarche essentielle pour la maîtrise des risques, Evaluation of ignition and explosion risks of nanopowders : a great way to manage industrial safety risks

Alexis Vignes

Description

Sous la direction de Dominique Thomas, Laurent Perrin
Thèse soutenue le 13 octobre 2008: INPL
Depuis plusieurs années déjà, nombre d’applications industrielles impliquant des nanomatériaux ont vu le jour mais les connaissances relatives aux dangers de ces nouveaux matériaux sont actuellement assez restreintes. Le développement de ces nouveaux produits ne pouvant se poursuivre sans une évaluation approfondie des risques pour l’environnement et au poste de travail, les dangers relatifs aux nanoparticules doivent être évalués. La toxicité potentielle de ces nouveaux matériaux est souvent mise en avant. Néanmoins, les risques d’incendie et d’explosion ne doivent pas être négligés. Centrées essentiellement sur les poudres de taille micrométrique, les données de la littérature ne permettent pas, en effet, à l’heure actuelle, d’évaluer la probabilité et la gravité d’une explosion de nanopoudres. Dans ce contexte, la sensibilité à l’inflammation et la sévérité d’explosion de nanomatériaux pulvérulents typiques ont été évaluées ainsi que la validité des appareillages et procédures standards, habituellement utilisés lors d’une telle démarche. Enfin, la méthodologie adoptée afin d’évaluer les risques d’inflammation et d’explosion d’une installation de production de nanopoudres et de sécuriser au mieux la santé des travailleurs exposés aux nanoparticules est illustrée aux travers de deux exemples. Cette démarche pourra servir de base à de futures analyses de risques concernant les produits nanostructurés, exercice qui va devenir indispensable et de plus en plus fréquent au vu du contexte économique et réglementaire
-Explosion de poussières
-Maîtrise du risque
-Nanopoudres
-Analyse de risques
-Inflammation
In the industrial and research fields, nanomaterials provides a growing interest and many industrial applications have already been developed in the last years. However, knowledge about the hazards related to these new materials is currently limited. As safe nanomaterial production cannot be permitted without a deeper evaluation of environmental and occupational hazards, hazards related to nanoparticles have to be evaluated. One often thinks about the potential toxicity of nanoparticles. However, dust fire and explosion should not be neglected when the dusts are combustible, which may often be the case. So far, literature studies concerning the evaluation of explosion and flammability risks of powders were essentially carried out on micron-sized materials and do not enable in fact to evaluate fire and explosion risk probabilities and gravities of nanopowders. The main goal of this work is to study explosion and ignition risks related to nanopowders. In particular, the evaluation of the explosion sensitivity and severity of typical nanomaterials has been studied as well as the validity of the existing analytical and methodological tools designed to evaluate dust ignition and explosion hazards. This work also deals with the methodology applied to a plant and to a laboratory in order to define the best safety barriers which were positioned to ensure the best occupational safety level to all workers and evaluate in a good way the ignition and explosion risks related to the use and production of fluffy nanomaterials. This work will certainly help risk engineers concerned about the handling and the production of combustible nanopowders.
-Dust explosion
-Nanopowders
-Risk assessment
-Ignition
-Risk management
Source: http://www.theses.fr/2008INPL043N/document

Sujets

• Nanopoudre

Informations

• Publié par: Thesee
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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

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ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES INDUSTRIES CHIMIQUES DE NANCY

LABORATOIRE DES SCIENCES DU GENIE CHIMIQUE, CNRS UP R 6811
ECOLE DOCTORALE :
Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés,o dPruits, Environnement

THESE

Présentée à

L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Pour l’obtention du grade de

DOCTEUR EN GENIE DES PROCEDES

Spécialité : Génie des Procédés et des Produits

par

Alexis VIGNES
Ingénieur en Génie des Procédés, ENSIC



Evaluation de l’inflammabilité et de l’explosivité
des nanopoudres : une démarche essentielle pour
la maîtrise des risques




Soutenue publiquement le 13 Octobre 2008 devajnutr yl ec omposé de :


Président : M. Serge WALTER (Professeur ENSCMu- UHMAu,lhouse)

Rapporteurs : M. Serge WALTER (Professeur ENSCMu-AU,H Mulhouse)
Mme Isabelle SOCHET (Professeur ENSIB InstituSMtE ,P RUIniv. Orléans, Bourges)

Examinateurs : M. Jacques BOUILLARD (Docteiueru-ri nIgNéEnRIS, Verneuil-en-Halatte)
M. Olivier DUFAUD (MdC ISI-UHP, Nancy)
M. Laurent PERRIN (Professeur ENSIC-INPL, Nancy)
M. Jean-Michel PETIT (Ingénieur expert INR)S , Paris
M. Dominique THOMAS (Professeur IUT-UHP, Nancy) REMERCIEMENTS


Ce travail, financé par l’INERIS et l’ANRT,f fae céttué epour partie au sein de l’unité Séc urité des
Procédés de la Direction des Risques Accidle’InNtEeRlIsS , à en étroite collaboration avec le groupe d
recherche en sécurité industrielle SISyPHe daut oLiraebo dres Sciences du Génie Chimique à Nancy.

Je tiens ici à remercier chaleureusement l’e ndse mbmlees encadrants et directeurs de thèse p our leur
confiance, leur disponibilité, leurs conses ilest alveuirs échaleur humaine : M. Bouillard, IdSe, l’INER
M. Perrin, M. Dufaud et M. Thomas du LSGC.
Jacques Bouillard, en m’impliquant dès le dépnasr t led aprojet européen NANOSAFE 2 m’a donné
l’opportunité rare de partager mon travail e nmotnrdee leacadémique, industriel et européen tout en
me permettant de me sensibiliser au génie des dpréosc émade in USA.
Je remercie Laurent Perrin, Olivier Dufaudu,e DTohmoimnaisq pour l’appui inconditionnel qu’ils m’ont
prodigués du début à la fin, leur grande diistpoén iebti ll’intérêt qu’ils ont porté à mes travaux.

Je remercie également les rapporteurs de ce mémo iqruei me font l’honneur de le juger ainsi que les
examinateurs qui ont accepté de participer a u jury.

Je remercie l’ensemble des membres du Laboratoiree s dSciences du Génie Chimique et tout
particulièrement ceux du groupe SISyPHe, un granedr cmi également à Cécile Vallières du LSGC GPS
pour tout ce qui a touché de près ou d’un peluo ipnl ulse s analyses thermiques. Je remercie e nfin mes
collègues de l’INERIS pour leur soutien toug td ea uc elso ntrois années de travail.

De manière plus amicale, je tiens à vous revmeorucsi eqr ui m’avez accompagné pendant ces trois
années : Lolo pour nos conversations « sé c»u rittaardi redsans la nuit, tes conseils, tes av annes et t
générosité, Olive mon sniper préféré pour tolne otreoiuljours attentive, ta gentillesse beitl itaé , disponi
Pipe (El Professore) et Ma(x)Gyver pour voét rien caomnidtitionnelle à Moscou, Bogota, Paris o u Nancy
et enfin mention spéciale ;o) à Mama, Guix, GWuaistsoiu, ,MisterFab et Alex qui m’ont accompagné de
près ou d’un peu plus loin pendant ces trois .a n nées

Enfin, je ne saurai terminer sans remercier el aq ufie mpmartage ma vie depuis maintenant 8 ans . Merci
pour ton amour, ton sourire et ton soutien nq ueott iednifein… tes bons petits plats qui m’ontd ep ermis
rédiger allègrement ce manuscrit.

Merci à toutes et à tous…

1
TABLE DES MATIERES

NOTATIONS_______________________________________________________________________________11
INTRODUCTION____________________________________________________________________________14
RÉFÉRENCES_________________________________________ ______________________________________20
CHAPITRE 1 : METHODOLOGIE, PROCEDURES ET APPAREILLA GES___________________________________21
1. LES PARAMETRES D’INTERET ___________________________ _________________________________22
1.1 . Auto-échauffement des solides pulvérulents combubsletis________________________________22
1.1.1. Les conditions nécessaires à un auto-échauf_f_e_m_e_n_t___________________________22
1.1.2. Les principaux facteurs affectant les conadppaitritoinos n dd’’un auto-échauffement_______ 22
1.2 . L’explosion d’un nuage de poussière __________________________________________________23
1.2.1. Les conditions nécessaires à une explosion idèere pso_u_s_s___________________________23
1.2.2 . Les principaux facteurs affectant les expl oposuisosnisè rdees __________________________24
1.3 . Sélection des paramètres d’intérêt___________________________________________________26
2. DESCRIPTION DES APPAREILLAGES ET DES PROCEDURES EXP ERIMENTALES ______________________28
2.1 . Caractérisation physico-chimique des poudres _______________________________________28
2.1.1. Sélection des appareillages adéquats_______________________________________________28
2.1.2 . La granulométrie à diffraction laser_________________________________________29
2.1.3. La spectroscopie à corrélation de photon _____________________________________30
2.1.4. La pycnométrie hélium__________________________________________________________31
2.2 . Etude de l’auto-échauffement d’une poudre_________________________________________33
2.2.1 . Etude de la réactivité d’une poudre__________________________________________33
2.2.2 . Etude des conditions de stockage d’une poudre______________________________________37
2.3 . Etude de l’explosivité d’une poudre _________________________________________________41
2.3.1. Etude de la sensibilité à l’inflammation______________________________________41
2.3.2 . Etude de la sévérité d’explosion______________________________________________44
3. SECURITE AU POSTE DE TRAVAIL _______________________ __________________________________47
3.1 . Contexte _________________________________________________________________________47
3.2 . Présentation de la démarche_________________________________________________________48
4. SELECTION DES NANOPOUDRES ETUDIEES _________________ ________________________________51
4.1 . Les noirs de carbone_______________________________________________________________51
4.2 . Les nanotubes de carbone__________________________________________________________51
4.3 . L’aluminium nanométrique__________________________________________________________52
5. REFERENCES _________________________________________ _________________________________53
CHAPITRE 2 : CARACTERISATION DES NANOPOUDRES ETUDIE ES____________________________________55
1. PROCEDES DE PRODUCTION DES NANOPOUDRES _____________ ______________________________56
1.1 . Les nanotubes de carbone__________________________________________________________56
1.2 . Les noirs de carbone________________________________________________________________57
1.3 . L’aluminium nanométrique__________________________________________________________57
2. CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE DES NANOPOUDRES ET UDIEES _________________________58
2.1 . La microscopie électronique ________________________________________________________58
2.1.1. Les nanotubes de carbone MWNTs ________________________________________________58
2.1.2 . Les noirs de carbone____________________________________________________________59
2
2.1.3. Les nanopoudres d’aluminium____________________________________________________60
2.2 . La granulométrie à diffraction laser ___________________________________________________61