Modélisation prédictive de la formation de sous-produits de chloration dans les ambiances confinées. Applications aux piscines couvertes

Modelling of chlorination by-products formation in indoor swimming pools

• Auteur / Autrice : Lucie Tsamba
• Direction : Pierre Le Cloirec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/09/2018
• Etablissement(s) : Rennes, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : : Centre scientifique et technique du bâtiment (1953-... ; France)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Wolbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Le Cloirec, Dominique Wolbert, Jean-Luc Boudenne, Joseph De Laat, Carole Catastini, Fabien Gérardin, Nicolas Cimetière, Olivier Correc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Boudenne, Joseph De Laat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piscines

Chloration

Mots clés libres

Sous-produits de chloration

Modélisation

Cinétique

MIMS

Chlorination by-products

Swimming pools

Modeling

Kinetic

MIMS

Résumé

La formation des sous-produits de chloration dans les piscines couvertes dépend de nombreux paramètres cinétiques et hydrauliques. Cette étude propose le développement d’un modèle de prédiction de la formation de certains sous-produits de chloration et de leur transfert dans l’air. La construction du modèle est basée sur le couplage de constantes cinétiques déterminées à l’échelle laboratoire avec des modèles hydrauliques caractérisant les écoulements dans le bassin. Afin de calibrer et de valider les modèles, un bassin expérimental à l’échelle 1/10ème a été mis en place. Par ailleurs, une méthode de mesure des concentrations des sous-produits de chloration dans l’eau et dans l’air par Membrane Inlet Mass Spectrometry a été évaluée. La représentativité et la reproductivité des expériences réalisées sur le bassin ont été étudiées. À l’échelle laboratoire, les constantes cinétiques de consommation du chlore, de formation du chloroforme et de formation du dichloroacétonitrile par chloration du Body Fluid Analogue utilisé pour mimer les apports organiques des baigneurs ont été déterminées. Le comportement hydraulique du bassin a été modélisé par une série de réacteurs idéaux. Cette modélisation a été validée par la réalisation d’expériences de traçage sur le bassin expérimental. Enfin, les constantes de transfert eau-air des sous-produits de chloration volatils ont été déterminées et comparées avec plusieurs modèles de la littérature. Les résultats obtenus montrent que les modèles permettent de prévoir de façon satisfaisante l’évolution des paramètres modélisés. Le bassin expérimental constitue également un outil prometteur pour la calibration de modèles et l’évaluation de solutions de traitement.

The formation of chlorination by-products in swimming pools depends on many kinetic and hydraulic parameters. This study presents the development of a predictive model for the formation of chlorination by-products as well as their water-to-air transfer. The model is based on the coupling of kinetic rates determined in batch with hydraulic models which describe the flows in the basin. A pilot pool unit has been built in order to collect experimental data for the calibration and validation of the models. Moreover an analytical method by Membrane Inlet Mass Spectrometry has been assessed. The representativeness and the reproducibility of experiments performed on the pilot pool unit have been described. Kinetic rates for chlorine consumption, chloroform formation and dichloroacetonitrile formation have been studied at lab scale, based on chlorination experiments of a Body Fluid Analogue, a mix of chemicals which reproduces human intakes in swimming pools. The hydraulic behavior of the basin has been modeled by a series of ideal reactors. The model has been validated by comparison with tracer-based experiments. Finally, water-to-air transfer rates have been determined and compared with models from the literature. The modeled parameters were satisfactorily modeled. Moreover the pilot pool unit has been demonstrated to be useful in calibrating models or in assessing treatment solutions.