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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • cours magistral


N° d'ordre : 2569 THESE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Mécanique Energétique Génie Civil et Procédés Spécialité : Génie des Procédés et de l'Environnement Nelson IBASETA Ingénieur en Génie des Procédés de l'Université d'Oviedo ETUDE EXPERIMENTALE ET MODELISATION DE L'EMISSION D'AEROSOLS ULTRAFINS LORS DU DEVERSEMENT DE POUDRES NANOSTRUCTUREES Soutenue le 13 décembre 2007 devant le jury composé de : M. P. GUIGON (UTC - GPI) Rapporteur M. G. THOMAS (ENSMSE - SPIN) Rapporteur M. J. C. ANDRE (INRS – Direction Scientifique) Membre M. E. CLIMENT (INP - LGC) Membre M. J. DODDS (EMAC - RAPSODEE) Président M. D. THOMAS (UHP - LSGC) Membre M. O. WITSCHGER (INRS - LMA) Membre MM. B. BISCANS (CNRS - LGC) Directrice de thèse

  • caballero el

  • ingénieur en génie des procédés

  • modelisation de l'emission d'aerosols ultrafins

  • el mesmo

  • installation expérimentale

  • jury de thèse


Publié le : samedi 1 décembre 2007
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Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 188
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N° d’ordre : 2569


THESE


présentée pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE



École doctorale : Mécanique Energétique Génie Civil et Procédés

Spécialité : Génie des Procédés et de l’Environnement


Nelson IBASETA
Ingénieur en Génie des Procédés de l’Université d’Oviedo


ETUDE EXPERIMENTALE ET MODELISATION DE
L’EMISSION D’AEROSOLS ULTRAFINS LORS DU
DEVERSEMENT DE POUDRES NANOSTRUCTUREES


Soutenue le 13 décembre 2007 devant le jury composé de :


M. P. GUIGON (UTC - GPI) Rapporteur
M. G. THOMAS (ENSMSE - SPIN) Rapporteur
M. J. C. ANDRE (INRS – Direction Scientifique) Membre
M. E. CLIMENT (INP - LGC) Membre
M. J. DODDS (EMAC - RAPSODEE) Président
M. D. THOMAS (UHP - LSGC) Membre
M. O. WITSCHGER (INRS - LMA) Membre
MM. B. BISCANS (CNRS - LGC) Directrice de thèse









A mi tía Olga (Madrina)









Con estas razones perdía el pobre caballero el juicio, y desvelábase
por entenderlas y desentrañarles el sentido, que no se lo sacara ni
las entendiera el mesmo Aristóteles, si resucitara para sólo ello.

Miguel de Cervantes Saavedra, El Ingenioso Hidalgo Don Quixote de la Mancha (1605)









Remerciements
Remerciements
Le jour de gloire est arrivé… Cependant, rien de cela n’aurait été possible sans l’inestimable
collaboration de l’ensemble du personnel du Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse, avec
lesquels j’ai eu le plaisir et l’honneur de travailler. La moindre des choses que je peux faire pour les
remercier, est de leur dédier ces quelques lignes pour leur montrer toute ma reconnaissance.
Je commencerai donc par remercier Jacques LABADIE, pour sa participation dans la conception et
la construction de l’installation expérimentale, ainsi que pour avoir toujours gardé le sourire et été de
bonne humeur même lorsque je commençais à l’embêter en lui demandant « toujours de trucs
compliqués ». Merci aussi à Jean Louis NADALIN, pour la vitesse avec laquelle il a construit
l’installation expérimentale, et à tout l’ensemble du service technique de la Plate Forme Analyse et
Procédés, spécialement à Christine REY-ROUCH et Martine AURIOL, ainsi qu’à Denis PLOTON, du
service informatique. De même, je tiens à remercier l’ensemble du personnel administratif, et très
spécialement Claudine LORENZON et Danièle BOUSCARY.
J’aimerais remercier très particulièrement Stéphane LE BLOND DU PLUOY, du service TEMSCAN
de l’Université Paul Sabatier, pour toutes les heures passées devant le microscope à regarder les
particules de silice.
Merci aussi à l’ensemble des permanents du département GIMD, et particulièrement à Olivier
MASBERNAT. Avec le temps, le monsieur qui nous faisait dire « mais d’où est-ce qu’il sort ? » et
« mais de quoi il parle ? » lors de ses cours magistraux, a fini par devenir un ami que j’estime et
admire autant pour ses connaissances que pour ses grandes qualités personnelles. Merci aussi à
Christine FRANCES, qui m’a fait visiter le LGC pour la première fois lorsque j’étais élève de DEA, et
avec laquelle j’ai eu la chance et le plaisir de partager de nombreuses conversations par la suite ; et à
Sébastien TEYCHENE, qui pendant ces trois ans a été une sorte de grand frère sur le plan scientifique,
qui m’a servi de repère et de source de conseils.
Merci aussi à Eric CLIMENT, avec qui j’ai eu le plaisir de travailler pendant une période de la
thèse. Ses idées claires et ses incomparables capacités pédagogiques ont réussi à me faire comprendre,
voire aimer la mécanique des fluides. Ce qui, pour tout dire, n’est pas du tout évident…
La tâche se complique, car le moment est arrivé de remercier ma directrice de thèse, Béatrice
BISCANS. Même en rassemblant mes deux langues, les mots me manquent toujours pour exprimer
toute la reconnaissance que je ressens envers elle. Pour sa disponibilité, sa présence, ses
encouragements, son enthousiasme, son soutien, ses conseils, son amitié, et bien évidemment, pour
son expérience et ses grandes qualités scientifiques. Merci infiniment.
Merci aussi aux partenaires de l’ACI DINANO : Dominique THOMAS, pour la pertinence de ses
questions et ses jugements, et Olivier WITSCHGER, pour son œil critique et toutes nos longues
conversations téléphoniques. Tous les deux ont contribué à améliorer d’une façon considérable ce
travail, et je leur en suis reconnaissant.
Merci aux rapporteurs, Gérard THOMAS et Pierre GUIGON, d’avoir accepté une telle tâche et
d’avoir contribué, grâce à leurs questions et leurs remarques, à perfectionner ce travail lors de la toute
dernière ligne droite. Merci aussi à John DODDS de m’avoir fait l’honneur d’accepter d’être président
de mon jury de thèse, et à Jean Claude ANDRE, d’en avoir fait partie et d’avoir contribué au bon
déroulement de l’ACI.
Finalement, j’aimerais remercier Raphaëlle THERY et Xuan MEYER, de m’avoir donné
l’opportunité de vivre ma première expérience en recherche lors de ma première année à Toulouse en
tant qu’élève à l’ENSIACET.
Cependant, ce manuscrit n’est pas seulement l’aboutissement de trois ans de travail, mais la
conclusion d’un cycle commencé il y a cinq ans déjà lors de mon arrivé dans la ville rose.
Probablement que mon séjour ne se serait pas autant prolongé si je n’avais pas reçu un accueil
tellement exceptionnel de la part de mes collègues de l’ENSIACET. Je remercie Mallorie, Wassila,
vii Remerciements
Flavie, Céline J., Mathias, Marie, Pascal et tous les autres pour cet accueil que je n’oublierai jamais,
ainsi que l’ensemble des élèves ERASMUS pour tous les beaux moments passés ensemble : Mikel,
Jordi, Isa, Josune, Félix, Diegue, Manu, Cris, Tito, Sergio, Miguelón, Helen et tous les autres. Et bien
sûr, merci à Sabrina, qui a été notre première professeur du « vrai français », et au clan des
« béarnais » pour tous les bons moments passés ensembles depuis que nous nous sommes rencontrés
lorsque j’étais élève en DEA : Marilyse, Nico, Vincent, Christophe, Alex, TomTom, Manute, Flo,
Clément, Damien.
Merci aussi à l’ensemble de doctorants, post-docs et stagiaires du LGC pour les bons moments
partagés (Nancy, Dominique, Ivonne, Vincent et tous les autres), et très spécialement aux anciens du
bureau pour toutes les pauses thé, les discussions et polémiques entamées lors de ces années :
Sébastien, Sophie, Christophe, Riccardo, Romain, Nicolas R., Mariem, et bien évidemment Mallorie et
Shila qui occupent une place privilégiée dans mon cœur. Et merci aussi aux « enfants » : Amélie,
Nicolas A.C., Soualo, Nicolas E., Lynda et Asif, qui ont été les derniers à arriver mais qui n’occupent
pourtant pas la dernière place dans mon estime.
Il y a deux personnes que je veux remercier très particulièrement. Il s’agit de mes deux
compagnonnes de peines pendant ces trois ans : Alicia, qui est toujours là pour proposer son aide et
son soutien, et Micheline, qui m’a fortement encouragé et soutenu, qui a toujours eu confiance en moi
et en mes capacités, et qui m’a toujours « engueulé » lorsque je disais que je ne faisais que faire tomber
de la poudre…
Finalement, j’aimerais avoir un tout dernier mot pour remercier ma famille et mes amis, qui ont
toujours été là. Merci à Laura, qui a toujours été pour moi cette grande sœur que j’aurais aimé avoir. A
ma grand-mère (Mamie), et à mes tantes Pachy et Olga (Madrina). A ma petite sœur Raquel, mon
principal regret pendant ces années est de ne pas être resté plus près d’elle. A mon grand frère Borja,
qui a été le bastion sur lequel je me suis appuyé depuis mon enfance. Merci à ma mère, pour tous les
nombreux sacrifices qu’elle a fait pour moi. Enfin merci à mon père, qui m’a enseigné des valeurs
comme l’honnêteté et la sincérité, et qui m’a appris à être optimiste et de bonne humeur en toute
circonstance. Parce que, même si je ne suis pas comme lui, il est comme j’aimerais être. Merci.
viii








Sommaire
INTRODUCTION GENERALE 1
CHAPITRE 1 : Quelques éléments de bibliographie sur les
nanomatériaux et l’émission d’aérosols lors de la manipulation de
nanopoudres 7
1. DEFINITION ET CLASSIFICATION DES NANOMATERIAUX............................................. 9
2. PROPRIETES SPECIFIQUES DES NANOMATERIAUX ......................................................... 11
2.1. ATOMES ET ENERGIE DE SURFACE .................................................................................... 11
2.2. CONFINEMENT ET EFFETS QUANTIQUES ........................................................................ 13
3. PROCEDES DE PRODUCTION DES NANOPARTICULES ................................................... 14
3.1. APPROCHE ASCENDANTE :.................................................................................................. 14
3.1.1. Procédés en phase gaz................................................................................................................ 14
3.1.2. Procédés en phase liquide .......................................................................................................... 18
3.1.3. Procédés en phase solide ............................................................................................................ 20
3.1.4. Procédés en milieux supercritiques ........................................................................................... 20
3.2. APPROCHE DESCENDANTE ................................................................................................. 20
4. RISQUES SUR LA SANTE ASSOCIES AUX NANOPARTICULES....................................... 21
4.1. EXPOSITION AUX NANOPARTICULES PAR INHALATION.......................................... 22
4.1.1. Dépôt dans les voies respiratoires ............................................................................................. 22
4.1.2. Effet des nanoparticules inhalées............................................................................................... 24
4.2. EXPOSITION AUX NANOPARTICULES PAR INGESTION .............................................. 24
4.3. EXPOSITION AUX NANOPARTICULES PAR VOIE DERMIQUE .................................... 25
4.4. CYTOTOXICITE DES NANOPARTICULES .......................................................................... 25
4.5. CONCLUSION ........................................................................................................................... 25
5. METHODES DE CARACTERISATION DES AEROSOLS ...................................................... 25
5.1. MESURE DE LA CONCENTRATION..................................................................................... 26
5.1.1. En nombre ................................................................................................................................. 26
5.1.2. En surface.................................................................................................................................. 26
5.1.3. En masse.................................................................................................................................... 27
5.2. MESURE DE LA DISTRIBUTION DE TAILLE DES PARTICULES ..................................... 28
5.2.1. Diamètres équivalents............................................................................................................... 28
5.2.2. Principaux instruments de mesure ........................................................................................... 30
5.3. CARACTERISATION D’UN AEROSOL A L’AIDE DE L’ELPI............................................ 35
5.3.1. Chargeur corona........................................................................................................................ 35
5.3.2. Impacteur en cascade à basse pression ...................................................................................... 36
5.3.3. Electromètres............................................................................................................................. 38
5.3.4. Traitement des données............................................................................................................. 39
5.3.5. Paramètres influençant la mesure............................................................................................. 40
5.4. DETERMINATION DE LA DIMENSION FRACTALE......................................................... 43
5.4.1. Principes généraux.................................................................................................................... 44
5.4.2. Méthode des carrés ou des cercles concentriques....................................................................... 44
5.4.3. Méthode de la corrélation de densité ......................................................................................... 45
5.4.4. Méthode d’ensemble .................................................................................................................. 45
5.4.5. Méthode de l’analyse du périmètre............................................................................................ 45
5.4.6. Méthode du facteur de structure ............................................................................................... 46
5.4.7. Mesure de la dimension fractale par diffusion de la lumière..................................................... 46
xi 5.4.8. Mesure de la dimension fractale par combinaison de granulomètres........................................ 48
6. POSITIONNEMENT DE L’ETUDE............................................................................................... 48
CHAPITRE 2 : Poudres nanostructurées étudiées, dispositif
expérimental et visualisation des expériences 51
1. SELECTION DES NANOPOUDRES UTILISEES ...................................................................... 53
2. CARACTERISATION DES POUDRES NANOSTRUCTUREES UTILISEES....................... 58
2.1. DISTRIBUTION DE TAILLE..................................................................................................... 58
2.2. MASSE VOLUMIQUE ............................................................................................................... 60
2.3. SURFACE SPECIFIQUE ET VOLUME DES PORES .............................................................. 60
2.4. RESISTANCE A LA TRACTION DES AGGLOMERATS ..................................................... 61
2.5. COULABILITE............................................................................................................................ 62
3. MISE EN ŒUVRE DE LA CHUTE D’UNE POUDRE DANS DES TESTS DE DUSTINESS .
............................................................................................................................................................... 64
3.1. TESTS DE DUSTINESS EXISTANT.......................................................................................... 64
3.2. MECANISME DE MISE EN SUSPENSION DE PARTICULES DANS L’AIR LORS DE LA
CHUTE D’UNE POUDRE ............................................................................................................................. 67
3.3. PRINCIPAUX RESULTATS OBTENUS DANS LES TESTS DE DUSTINESS EXISTANT. 69
4. CRITERES DE CONCEPTION D’UNE INSTALLATION EXPERIMENTALE..................... 71
5. INSTALLATION EXPERIMENTALE ........................................................................................... 72
6. CARACTERISATION DE L’INSTALLATION EXPERIMENTALE........................................ 74
6.1. DETERMINATION DE LA MASSE DEVERSEE.................................................................... 74
6.2. EVALUATION DES CONTRAINTES HYDRODYNAMIQUES DANS LE TUYAU DE
PRELEVEMENT............................................................................................................................................. 74
6.3. EFFICACITE DU PRELEVEMENT .......................................................................................... 75
6.3.1. Efficacité d’aspiration................................................................................................................ 75
6.3.2. Efficacité de transport ............................................................................................................... 77
6.4. ESTIMATION DE LA RUPTURE DES AGGLOMERATS NANOSTRUCTURES A
L’INTERIEUR DE L’ELPI .............................................................................................................................. 80
7. VISUALISATION DE LA CHUTE PAR CAMERA RAPIDE ................................................... 81
7.1. DESCRIPTION QUALITATIVE DE LA CHUTE.................................................................... 81
7.2. DETERMINATION DES VITESSES DE CHUTE.................................................................... 86
7.3. CONSIDERATIONS THEORIQUES SUR LE COMPORTEMENT DES PAQUETS .......... 88
8. CONCLUSIONS................................................................................................................................ 91
CHAPITRE 3 : Etude expérimentale pour la caractérisation des aérosols
émis lors de la chute de nanopoudres 93
1. ANALYSE DES RESULTATS BRUTS FOURNIS PAR L’ELPI ................................................ 95
1.1. COURBES DE COURANT ........................................................................................................ 95
1.1.1. Oxyde de titane ......................................................................................................................... 95
1.1.2. Fumée de silice........................................................................................................................... 97
1.1.3. Alumine..................................................................................................................................... 98
1.2. TRAITEMENT DES DONNEES BRUTES................................................................................ 98
1.3. REPRODUCTIBILITE DES MESURES..................................................................................... 99
xii

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