Étude de la filtration des aérosols nanométriques, Study on nanoparticles aerosol filtration

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Sous la direction de Dominique Thomas, Denis Bemer
Thèse soutenue le 07 novembre 2008: INPL
Cette étude vise à une meilleure compréhension des phénomènes rencontrés en filtration des aérosols nanométriques, c’est-à-dire inférieurs à 100 nm, neutres et/ou chargés. Pour ce faire, trois différents types de média ont été étudiés : des grilles, en acier et matières synthétiques, des filtres non tissés, en fibres de verre ou polymériques, et des lits granulaires, constitués de billes d’acier ou de zéolithe. Il ressort des résultats expérimentaux obtenus que quel que soit le média testé, l’efficacité de collecte des particules augmente lorsque le diamètre de l’aérosol diminue, et ce jusque 4 nm. Ceci entre en contradiction avec l’approche théorique dite du rebond thermique, développée par Wang et Kasper en 1991, selon laquelle l’efficacité de collecte serait susceptible de diminuer en-dessous de 10 nm. La vérification des calculs de Wang et Kasper permet d’expliquer cette incohérence, et montre, à partir de valeurs plus réalistes de l’énergie d’adhésion particule-fibre, que si le rebond thermique existe, celui-ci ne pourra se manifester qu’en-dessous de 1 nm, au mieux. Ainsi, les perméances expérimentales des différents médias testés ont pu être modélisées en tenant compte des mécanismes de collecte par diffusion et/ou par effets électrostatiques. Une étude originale sur les performances, dans le domaine nanométrique, de filtres en fibres de verre intentionnellement percés complète ce travail. Pour un même média fibreux, la perméance augmente avec le diamètre de perforation réalisée. Par ailleurs, pour une taille de perforation donnée, la perméance devient indépendante du diamètre des particules en-dessous d’une taille limite, fonction de la dimension de la perforation. Il a enfin été mis en évidence que la baisse d’efficacité est d’autant plus importante que la résistance à l’écoulement de l’air du filtre est importante. Un modèle semi-empirique, fondé sur la différenciation du flux d’aérosol traversant la fuite du flux traversant le matelas fibreux résiduel du filtre, permet de bien représenter ces états de fait
-Aérosol
-Rebond thermique
-Nanoparticules
-Diffusion brownienne
-Effets électrostatiques
-Efficacité de collecte
-Forces d’adhésion
-Fuites
-Filtration
This study aims to better understand the mechanisms encountered in nanoparticles aerosol filtration, the particles being charged or not. Three different types of media were studied: stainless steel or synthetics wire screens, unwoven filters in glass or polymer fibres, and at last, granular beds made from steel or zeolite balls. Experimental results show that, whatever the media, collection efficiency increases as the particle diameter decreases down to 4 nm. This point conflicts with the so-called thermal rebound effect developed by Wang and Kasper in 1991, according to which collection efficiency could decrease below 10 nm. The checking of Wang and Kasper’s calculations enables to explain this discrepancy and shows from more probable particle-to-fibre adhesion energy values that if thermal rebound phenomenon exists, it would only be measurable below 1 nm. Then, experimental points can be modelled from both diffusion and electrostatic forces collection mechanisms. An investigation on the filtration behaviour of fibreglass filters in the nanometric domain when intentionally-pierced with calibrated needles completes the above-mentioned works. For a same media, penetration increases as the leak diameter does. On the other hand, for a given hole size, penetration becomes independent of the particle diameter below a critical scale, which is a function of the leak diameter. It was lastly shown that the efficiency of a pierced media decreases all the more that its air flow resistance is higher. A semi-empirical model based on the differentiation between the aerosol flow across the leak and the one through the residual fibrous bed of the filter enables to well represent these points
-Aerosol
-Adhesion forces
-Leakages
-Collection efficiency
-Nanoparticles
-Thermal rebound
-Filtration
-Brownian diffusion
-Electrostatic effects
Source: http://www.theses.fr/2008INPL063N/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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Ressources Procédés Produits Environnement



Laboratoire des Sciences du Génie Chimique Institut National de Recherche et de Sécurité
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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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