Ecole Doctorale RP2E Ressources Procédés Produits Environnement

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Ecole Doctorale RP2E Ressources Procédés Produits Environnement THESE Présentée en vue de l'obtention du grade de Docteur de l'INPL spécialité Génie des Procédés et des Produits Etude de l'évaporation d'aérosols liquides semi-volatils collectés sur médias fibreux par Benjamin SUTTER Soutenue publiquement : le 3 Novembre 2009, devant le jury composé de : Présidente Evelyne GEHIN Professeur à l'Université Paris XII Rapporteurs Alain BERNIS Anne PERWUELZ Professeur émérite à l'Université de Savoie Professeur à l'Ecole Nationale Supérieure des Arts et Industries Textiles de Roubaix Examinateurs Jean-Christophe APPERT-COLLIN Denis BEMER Alain GINESTET Noël MIDOUX Dominique THOMAS Maître de Conférences à l'UHP, Nancy 1 Ingénieur d'étude à l'INRS Vandoeuvre Chargé d'études au CETIAT Professeur émérite à l'INPL Nancy Professeur à l'UHP, Nancy 1 Institut National de Recherche et de Securité (INRS) Département Ingénierie des Procédés Rue du Morvan CS 60027 F-54519 Vandoeuvre Cedex Institut National Polytechnique de Lorraine 2, Avenue de la Forêt de Haye BP 3 F-54501 Vandoeuvre-lès-Nancy Cedex Laboratoire des Sciences du Génie Chimique (LSGC) UPR CNRS 6811 1, Rue Grandville BP 20451 F-54001 Nancy Cedex

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Publié le : dimanche 1 novembre 2009
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Source : lara.inist.fr
Nombre de pages : 180
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Institut National de Recherche Institut National Polytechnique de Laboratoire des Sciences du et de Securité (INRS) Lorraine Génie Chimique (LSGC) Département Ingénierie des 2, Avenue de la Forêt de Haye UPR CNRS 6811 Procédés BP 3 1, Rue Grandville Rue du Morvan F-54501 Vandoeuvre-lès-Nancy BP 20451 CS 60027 Cedex F-54001 Nancy Cedex F-54519 Vandoeuvre Cedex 2 Ecole Doctorale RP E Ressources Procédés Produits Environnement THESE Présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur de l’INPL spécialité Génie des Procédés et des Produits Etude de l’évaporation d’aérosols liquides semi-volatils collectés sur médias fibreux par Benjamin SUTTER Soutenue publiquement : le 3 Novembre 2009, devant le jury composé de : PrésidenteEvelyne GEHINProfesseur à l’Université Paris XII RapporteursAlain BERNISProfesseur émérite à l’Université de Savoie Anne PERWUELZProfesseur à l’Ecole Nationale Supérieure des Arts et Industries Textiles de Roubaix ExaminateursJean-Christophe APPERT-COLLINMaître de Conférences à l’UHP, Nancy 1 Denis BEMERIngénieur d’étude à l’INRS Vandoeuvre Alain GINESTETChargé d’études au CETIAT Noël MIDOUXProfesseur émérite à l’INPL Nancy Dominique THOMASProfesseur à l’UHP, Nancy 1
Remerciements
L’environnement de recherche que constitue l’INRS a été l’un des atouts majeurs pour la réalisation de ces travaux. En effet, par nature, l’INRS regroupe en son sein des personnes de différentes spécialités, parfois très éloignées, ce qui lui permet d’appréhender des problèmes que d’autres centres de recherche ne sauraient résoudre. J’ai donc usé et très certainement abusé de cette pluridisciplinarité qui m’était offerte pour réaliser ces présents travaux de recherche. Les résultats présentés dans ce tapuscrit sont donc le fruit d’une coopération de nombreuses personnes de l’INRS dont les noms ne pourront tenir sur cette page. Je souhaite donc en premier lieu remercier le personnel de l’INRS, tant scientifique et technique que de gestion, pour m’avoir accompagné pendant cette formidable aventure. Parmi ces personnes, je souhaite remercier le laboratoire PROCEP, qui m’a accueilli à bras ouverts et qui n’a pas hésité à mettre à ma disposition tout le matériel dont j’ai eu besoin. Je ne peux pas clore mes remerciements au personnel de l’INRS sans écrire quelques lignes en hommage à Denis Bémer, qui a été mon maître à penser pendant ces trois années. Nos nombreuses discussions scientifico-politico-sociétales ont été de façon incontestable un régal pour mes neurones. A son contact, j’ai pu sans cesse faire évoluer ma façon de penser et mon savoir-faire, ce qui a, à mon sens, une valeur toute particulière. C’est donc un merci lourd de sens que j’adresse à Denis. Si l’INRS est la mère de cette étude, le groupe Sisyphe du LSGC en est incontestablement le père. Les conseils avisés de mon directeur de thèse, Dominique Thomas du LSGC, ont été précieux pour prendre du recul par rapport à ces travaux et ne pas s’égarer dans le fourmillement des expérimentations. De même, le travail d’orfèvrerie qu’a réalisé Jean-Christophe Appert-Collin à chaque correction de rapports, communications et publications, a constitué un catalyseur puissant m’ayant permis d’améliorer en permanence mes capacités à communiquer. Pour cela, un très grand merci à eux deux. Ma reconnaissance va aussi au professeur Noël Midoux pour le travail très important de modélisation des phénomènes observés qu’il a réalisé pendant cette étude. Par ailleurs, chacun de nos échanges a été riche, formateur et passionnant. Le professeur Midoux est l’une des personnes scientifiques les plus motivantes que j’ai eu l’occasion de rencontrer et qui alimentent ma passion de la science. Merci pour tout. Je ne peux terminer cette page sans remercier très chaleureusement le professeur Alain Bernis qui est pour moi un exemple professionnel et humain que je m’efforcerai de suivre. Je n’aurais pu réaliser cette thèse sans ses relations particulières avec l’INRS. Enfin, je remercie les membres du jury de cette thèse pour avoir accepté d’évaluer ces présents travaux et pour les échanges toujours enrichissants que nous avons eu lors de la soutenance. Pendant ces trois ans, le soutien de ma famille, de mes amis et de ma lili, a été sans condition. C’est donc avec ce dernier grand merci que je fais place à la science…
Table des Matières
INTRODUCTION GENERALE .............................................................................. 9
PARTIE I Approche Globale .....................................................................................13
Nomenclature.......................................................................................................................... 14 Introduction ............................................................................................................................ 19
Chapitre I Etat de l’art................................................................................................21
I. Evaporation : définitions .............................................................................. 22 I.1. Système fermé : équilibre liquide – vapeur ................................................................. 22 I.2. Système ouvert : recherche de l’équilibre ................................................................... 25 I.3. Cas des fortes volatilités .............................................................................................. 27 II. Evaporation : application à une sphère ...................................................... 28 II.1. Théories ....................................................................................................................... 28 II.2. Corrections .................................................................................................................. 30 II.3. Discussion et Bilan ...................................................................................................... 38 III. Evaporation d’un aérosol collecté sur filtre ............................................... 40 III.1. Mise en évidence ......................................................................................................... 40 III.2. Modélisation ................................................................................................................ 43
Chapitre II Matériels & Méthodes............................................................................ 49
I. Objectifs et principes généraux ................................................................... 50 II. Génération d’aérosol et colmatage de filtre................................................ 51 II.1. Génération ................................................................................................................... 51 II.2. Dépôt sur filtre............................................................................................................. 54 II.3. Caractéristiques des aérosols modèles......................................................................... 58 II.4. Caractéristiques des filtres utilisés .............................................................................. 59 III. Evaporation et quantification des vapeurs à l’aval du filtre..................... 60 III.1. Système d’évaporation ................................................................................................ 60 III.2. Technique analytique................................................................................................... 62
Chapitre III Résultats................................................................................................ 73
I. Aérosols de composés purs ........................................................................... 74 I.1. Tendances générales .................................................................................................... 74 I.2. Elaboration du modèle semi-empirique....................................................................... 76 I.3. Exploitation des modèles semi-empiriques ................................................................. 82 I.4. Bilan des observations ................................................................................................. 89 II. Aérosols multicomposés et polydispersés.................................................... 90 II.1. Aérosols « binaires » ................................................................................................... 90 II.2. Aérosols « ternaires » .................................................................................................. 95 Conclusion de l’approche globale........................................................................................... 99
PARTIE II Approche Microscopique...................................................................... 101
Nomenclature........................................................................................................................ 102 Introduction .......................................................................................................................... 105
Chapitre I Etat de l’art.............................................................................................. 107
I. Définitions générales et observations ........................................................ 108 II. Les films uniformes..................................................................................... 111 II.1. Expérimentations issues de la littérature ................................................................... 111 II.2. Stabilité théorique des films ...................................................................................... 114 III. Calcul de profils de gouttes ondoloïdes ..................................................... 118 III.1. Cas général ................................................................................................................ 118 III.2. Cas d’un mouillage total............................................................................................ 120
Chapitre II Matériels & Méthode ............................................................................ 123
I. Objectifs et principe général ...................................................................... 124 II. Déposition et évaporation de l’aérosol ...................................................... 124 II.1. Génération et collection............................................................................................. 124 II.2. Composés chimiques et filtres testés ......................................................................... 125 II.3. Système d’évaporation pour microscope optique ...................................................... 126 III. Observations microscopiques..................................................................... 127 III.1. Matériels .................................................................................................................... 127 III.2. Acquisition d’images................................................................................................. 128 III.3. Post-traitement des acquisitions vidéo....................................................................... 129 III.4. Calibrage distances – temps et estimation des incertitudes ....................................... 131
Chapitre III Résultats............................................................................................... 135
I. Observations globales ................................................................................. 136 II. Applicabilité du modèle de Carroll ........................................................... 137 III. Corrélation des dimensions géométriques des gouttes ............................ 139 III.1. Longueur des gouttes sur les fibres ........................................................................... 139 III.2. Angle de contact ........................................................................................................ 141 III.3. Volume des gouttes ................................................................................................... 142 IV. Cinétique d’évaporation des gouttes ......................................................... 146 IV.1. Suivi du volume au cours du temps ........................................................................... 146 IV.2. Etude qualitative des paramètres influençant.......................................418.............. vgConclusion de l’approche microscopique ............................................................................. 153
Conclusion Générale et Perspectives ....................................................................... 155
Références Bibliographiques ................................................................................... 159
Annexes .................................................................................................................... 165
Annexe A Annexe B Annexe C
Annexe D
Annexe E
Annexe F
Caractéristiques physico-chimiques des composés chimiques utilisés ...................... 166 Températures d’ébullition et Pression de vapeur de différents composés à 20°C ..... 168 Paramétrage du chromatographe Varian 3900 pour l’analyse des phtalates et des alcanes ....................................................................................................................... 169 Données brutes des essais d’évaporation retenus pour la modélisation semi-empirique de l’approche globale ................................................................................................ 170 Résultats détaillés des modélisations semi-empiriques réalisées sur les essais d’évaporation retenus lors de l’approche globale ...................................................... 176 Résultats détaillés des observations de gouttes sur fibres.......................................... 178
Introduction Générale
Introduction générale
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Evaporation d’aérosols liquides semi-volatils collectés sur médias fibreux
La santé des salariés est en partie tributaire de la qualité de l’air qu’ils respirent sur leur lieu de travail. L’identification, la quantification et l’élimination des polluants atmosphériques présents sous forme gazeuse et particulaire dans l’air respiré sont donc indispensables pour une démarche efficace de limitation de l’exposition. Nombreuses sont les activités produisant des aérosols contenant des particules susceptibles de s’évaporer. Prenons pour premier exemple le cas des traitements à base de pesticides utilisés pour une grande part dans le secteur agricole, mais aussi dans d’autres secteurs avec des opérations telles que les traitements de voierie, des lignes SNCF, etc. Les composés actifs utilisés sont solubilisés dans de l’eau et des solvants puis nébulisés sous la forme d’un aérosol liquide qui doit se déposer sur les plantes à traiter. Or, seulement 30 % de l’aérosol généré est effectivement collecté sur les surfaces à traiter. Le reste est dispersé dans l’environnement par les vents et l’aérosol peut alors pénétrer dans le système de ventilation de la cabine de l’agriculteur et l’exposer à des composés nocifs voire toxiques. Pendant le transport aérien, les gouttelettes générées initialement s’évaporent. La granulométrie se déplace donc vers des diamètres plus fins jusqu’à l’entrée de l’aérosol dans le système de ventilation des cabines. Les systèmes de ventilation doivent donc contenir un filtre de haute efficacité pour arrêter les fines particules, mais aussi un lit d’adsorbant (charbon actif) permettant d’arrêter les vapeurs des composés volatils produites pendant le transport et la filtration. Il est donc légitime de s’interroger sur la durée de vie du lit adsorbant sachant que la quantité de vapeur pénétrant dans le lit d’adsorbant est inconnue. L’évaporation d’aérosol déposé dans les systèmes de filtration pose aussi de nombreux problèmes dans les industries travaillant le verre, le plastique ou des pièces métalliques (liste non exhaustive). Dans le cas du travail de métaux, les huiles de coupe sont largement utilisées pour faciliter les opérations de tournage, taraudage, déformation, etc. Pendant ces opérations, la température au point de contact entre l’outil et la pièce métallique peut atteindre quelques centaines de degrés volatilisant ainsi une grande quantité d’huile dans l’atmosphère qui se recondense quasi-instantanément au contact de l’air environnant beaucoup plus froid. Un aérosol est donc créé par ce processus auquel s’ajoutent des gouttes d’huile produites par projection lorsque les pièces travaillées ont une vitesse de rotation élevée. Généralement, les pièces et les outils en fonctionnement sont capotés et l’air contaminé est aspiré puis conduit jusqu’à un système de filtration. Les filtres jouent alors leur rôle d’abattement de la concentration particulaire de l’aérosol traité, mais ne traitent pas les vapeurs produites par la source. De plus, il a été constaté que lorsque les systèmes de filtration sont mis en fonctionnement alors que les opérations de transformation ne sont pas en action, des vapeurs sont quantifiables à l’aval des filtres du fait de l’évaporation des huiles collectées préalablement sur les filtres. Les salariés sont ainsi exposés aux vapeurs pendant la transformation des pièces mais aussi pendant les temps de pause de production. Cette situation est aussi observable pour les appareils de protection respiratoire individuels qui sont réutilisés et qui ont été préalablement contaminés par un aérosol semi-volatil. Mais aucune méthode ne permet de quantifier la capacité de l’aérosol collecté à s’évaporer et donc d’évaluer les risques liés à l’exposition aux vapeurs des salariés.
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Introduction Générale
Quant à l’évaluation de l’exposition des salariés sur leur lieu de travail, les méthodes normalisées préconisent l’utilisation de filtre à fibres très haute efficacité pour collecter la phase particulaire des aérosols. La quantification de la phase vapeur n’est donc pas réalisée. Ayant constaté l’évaporation des aérosols tels que les huiles de coupe lorsqu’ils sont collectés sur des filtres, il existe donc un artéfact non négligeable sur les mesures de concentration particulaire qui n’est pour l’heure pas quantifiable. L’étude de l’évaporation d’aérosols liquides collectés sur des filtres à fibres est donc d’un grand intérêt pour la prévention des risques dans le milieu du travail ainsi que pour l’évaluation des niveaux d’exposition des salariés à ces aérosols. La compréhension des phénomènes physiques d’évaporation de gouttes collectées sur des fibres est une étape clef pour pouvoir développer des modèles théoriques prédictifs des pertes par évaporation. Cependant, contrairement à la littérature, il nous semble que la complexité de la structure des filtres à fibres ainsi que le dépôt des gouttes sur les fibres rend vaine toute tentative de modélisation basée sur des hypothèses microscopiques (diamètre des gouttes déposées, surface développée, etc). Notre stratégie d’étude est donc, dans un premier temps, de considérer le phénomène d’évaporation de gouttes collectées sur filtre de façon globale. Le suivi de la cinétique d’évaporation est alors réalisé en moyenne avec l’analyse au cours du temps de la concentration en vapeur à l’aval des filtres préalablement colmatés, en fonction de différents paramètres dont la granulométrie et la charge initiale d’aérosol collecté sur les filtres. Les résultats de cette approche globale sont riches en enseignement mais vont à l’encontre des modèles de la littérature développés jusqu’à maintenant. Même si l’approche globale nous permet de montrer une divergence du comportement de l’évaporation par rapport à la théorie, elle ne permet pas pour autant d’en identifier la cause. Nous nous sommes donc orientés, dans un second temps, vers l’étude de l’évaporation à l’échelle microscopique pour tenter de comprendre et d’expliquer les phénomènes mis en jeu dans l’évaporation de gouttes collectées sur des fibres. Ces deux phases de l’étude sont retranscrites dans ce tapuscrit en deux parties principales intitulées « Approche globale » et « Approche microscopique », reflétant la démarche de recherche mise en œuvre pendant ces trois années de thèse. Chaque partie contient un développement théorique permettant au lecteur de comprendre les éléments-clefs mis en jeu lors de l’évaporation de liquide et de gouttes déposées sur des fibres, un exposé des matériels et méthodes mis en œuvre pour le suivi de l’évaporation de manière globale et microscopique, ainsi que la présentation et la discussion des résultats. Enfin, une conclusion générale permet de dresser le bilan des connaissances principales générées lors de cette étude et de présenter les orientations possibles à l’issue de ce travail.
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