Synthèse et étude de matériaux nanoporeux fonctionnalisés pour l'émission contrôlée de composés organiques dans l'air

Synthesis and study of functionalized nanoporous materials for the controlled emission of organic compounds in the air

• Auteur / Autrice : Clarisse Tran
• Direction : Thu-Hoa Tran-Thi, Patrice Coddeville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/01/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Edifices Nanométriques (Gif-sur-Yvette, Essonne) - IMT Nord Europe (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Lampre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thu-Hoa Tran-Thi, Patrice Coddeville, Isabelle Lampre, Sylvie Lacombe, Andreea Pasc, Sébastien Floquet, Sabine Crunaire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Lacombe, Andreea Pasc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution de l'air ambiant intérieur

Qualité

Air ambiant intérieur

Composés organiques volatils

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Matériaux sol-gel nanoporeux

Composés organiques volatils

Matériaux adsorbants

Émission controlée

Qualité de l'air intérieur

Matériaux émissifs de référence

Nanoporous sol-gel materials

Volatile organic compounds

Adsorbing materials

Controlled emission

Indoor air quality

Reference emissive materials

Résumé

La pollution de l’air intérieur est aujourd’hui reconnue comme un enjeu de santé publique. La règlementation impose depuis 2012 un étiquetage des matériaux de construction et d’ameublement en matière d’émission de polluants volatils. Bien que les méthodes de mesure d’émission de polluants soient nombreuses, il n’existe aucun matériau-standard émissif de référence pour les polluants de l’air intérieur qui permettrait la comparaison et la validation des mesures d’émission. L’objectif de ce travail est de produire des matériaux émissifs de référence en utilisant des matériaux à porosité contrôlée avec des tailles de pores adaptées à celle du polluant-cible pour un relargage contrôlé en concentration en fonction du temps. Les matériaux étudiés sont des polymères inorganiques ou hybrides organique-inorganiques synthétisés par voie sol-gel sous forme de blocs monolithiques ou déposés sur des substrats solides (verre ou textile). Différents matériaux microporeux ou/et mésoporeux ont été dopés au toluène et au naphtalène par exposition à leur vapeur saturante pendant des durées variables (2h à plusieurs jours). Ceci permet d’étudier l’influence de la taille des pores du matériau sur la vitesse de relargage du polluant. Le suivi cinétique du relargage spontané des polluants est réalisé selon un 1er mode statique avec une mesure optique du spectre d’absorption du polluant gazeux dans l’UV en fonction du temps. Dans le 2ème mode, le relargage dynamique sous balayage d’air du matériau dopé disposé dans une cellule FLEC normalisée est réalisé avec une mesure en continu de la concentration du polluant par chromatographie en phase gazeuse. Nous avons montré qu’il est possible de produire des matériaux à porosité contrôlée avec des gammes de distributions de tailles de pores allant de 0,8 à 12 nm. En choisissant judicieusement la matrice poreuse et la durée de dopage et en contrôlant les conditions de mise en œuvre (température, humidité), nous pouvons imposer la vitesse de relargage du polluant. Les gammes de vitesses d’émission vont de 30 µg.m-3.h-1 (classe A+) à 8.104 µg.m-3.h-1 (classe C) pour le toluène et de 2,6.103 à 2,6.104 µg.m-3.h-1 pour le naphtalène. Ces résultats montrent que ces matériaux pourront être utilisés pour une large gamme de polluants.

Indoor air pollution is now recognized as a public health issue. Since 2012, the regulations have required the labelling of construction and furnishing materials with regard to the emission of volatile pollutants. Although there are many methods for measuring pollutant emissions, there is no standard reference emissive material for indoor air pollutants that would allow for comparison and validation of emission measurements. The objective of this work is to produce reference emissive materials by using porous materials with pore sizes tailored to the doped target pollutant with controlled release in pollutant concentration over time. The materials studied are inorganic or hybrid organic-inorganic polymers synthesized by sol-gel in the form of monolithic blocks or deposited on solid substrates (glass or textile). Various microporous and/or mesoporous materials have been doped with toluene and naphthalene pollutants by exposure to the latters’ saturated vapour for varying periods of time (2 hours to several days). The influence of the size of the pores of the material on the release of the pollutant has been studied. The kinetic monitoring of the spontaneous release of pollutants is carried out in two independent modes. A 1st static mode involves an optical measurement of the absorption spectrum of the gaseous pollutant in the UV as a function of time. In the 2nd mode, the dynamic air-sweeping release of the doped material placed in a standard FLEC cell is carried out with continuous measurement of the pollutant concentration by gas chromatography. We have shown that it is possible to produce materials with controlled porosity with narrow pore size distributions over the 0.8 to 12 nm domain. Further, by choosing judiciously the porous matrix and doping time and controlling the experimental conditions of release (temperature, humidity), we can impose the rate of release of the pollutant. The emission velocity ranges from 30 µg.m-3.h-1 (class A+) to 8.104 µg.m-3.h-1 (class C) for toluene and from 2.6.103 to 2.6.104 µg.m-3.h-1 for naphthalene. These results indicate that these materials can be used for a wide range of pollutants.