Étude de la filtration des aérosols nanométriques

Study on nanoparticles aerosol filtration

• Auteur / Autrice : Guillaume Mouret
• Direction : Dominique Thomas, Denis Bemer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 07/11/2008
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du génie chimique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude André
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Thomas, Denis Bemer, Jean-Claude André, Denis Boulaud, Yves Gonthier, Sandrine Chazelet, Laurence Le Coq, Jacques Vendel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Boulaud, Yves Gonthier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols

Filtration

Nanoparticules

Mots clés libres

Aérosol

Rebond thermique

Nanoparticules

Diffusion brownienne

Effets électrostatiques

Efficacité de collecte

Forces d’adhésion

Fuites

Filtration

Aerosol

Adhesion forces

Leakages

Collection efficiency

Nanoparticles

Thermal rebound

Filtration

Brownian diffusion

Electrostatic effects

Résumé

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

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