Technique d'échantillonnage et de caractérisation des aérosols à l'aide de grilles poreuses TEM

Aerosol sampling and characterization technique using TEM porous grids

• Auteur / Autrice : Maiqi Xiang
• Direction : Martin Morgeneyer, Christophe Bressot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)
• Date : Soutenance le 31/05/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Porosité

Filtration

Polluants

Microscopie électronique en transmission

Incertitude de mesure

Échantillonnage

Échantillonnage (statistique)

Aérosols

Particules (matière)

Nanoparticules

Mots clés libres

Grille TEM

Efficacité d’échantillonnage

Mécanisme de filtration

Analyse d’incertitude

Caractérisation de masse

Particules micrométriques

TEM grid

Sampling efficiency

Filtration mechanism

Uncertainty analysis

Mass characterization

Nano/micrometric particles

Aerosols

Transmission electron microscopy (TEM)

Pollutants

Porosity

Résumé

La caractérisation et l’analyse des particules nano/micromètriques solides en suspension dans l’air ont récemment reçu une attention considérable. Le prélèvement représentatif des particules à analyser est une exigence fondamentale. L’échantillonneur d’aérosols récemment développé appelé Mini Particle Sampler (MPS), qui est équipé d’une grille poreuse de Transmission Electron Microscopy (TEM), rend l’échantillonnage de particules possible. Cependant, l’exploitation des résultats de ce système d’échantillonnage est encore à l’étape précoce. Cette thèse améliore et quantifie le système d’échantillonnage MPS. En outre, une nouvelle méthode de caractérisation de la masse de polluants est développée sur la base du système d’échantillonnage optimisé. L’efficacité d’échantillonnage des particules dont le diamètre de mobilité varie de 5à 100 nm est principalement étudiée. Selon l’analyse de sensibilité des paramètres dans l’ensemble de la configuration effectuée par la méthode Taguchi, la concentration en sel de l’atomiseur, la polarité à haute tension dans Differential Mobility Analyzer (DMA), la méthode d’évaluation de l’efficacité d’échantillonnage, la température d’échantillonnage, et la porosité de la grille TEM affectent le moins possible l’efficacité de collection. L apetite taille des pores du filtre, le débit élevé et les particules plus denses augmentent l’efficacité de collection des particules, qui sont les principaux paramètres. Basé sur l’étude des mécanismes de filtration des grilles TEM et la comparaison des modèles théoriques disponibles, une méthode d’analyse expérimentale de l’efficacité de collection combinée à la modélisation théorique est développée en considérant l’applicabilité du modèle. En utilisant cette méthode, les effets des principaux paramètres mentionnés ci-dessus sont comparés entre les expériences et les théories. La technologie d’échantillonnage est optimisée et l’efficacité minimale de collecte peut atteindre 40% en ajustant les paramètres du système d’échantillonnage. De plus, selon les méthodes de Monte-Carlo, les incertitudes sur l’efficacité de collection à partir des données mesurées et des modèles sont généralement inférieures à 1% et à 9%, respectivement. La plupart des données d’efficacité de collection mesurées sont couvertes par la plage d’incertitude d’efficience simulée par les modèles. L’analyse de sensibilité basée sur la variance de Sobol montre que la taille des pores et le débit de prélèvement contribuent de manière significative aux incertitudes et nécessitent un contrôle pour améliorer la précision de l’efficacité. En outre, le facteur de correction de Cunningham est également un paramètre de sensibilité. Sur la base du développement ci-dessus du système d’échantillonnage MPS, une méthode quantitative est proposée pour caractériser la concentration de masse élémentaire des particules micrométriques en suspension dans l’air par échantillonnage de particules etTEM - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). Le principe est de collecter les particules en suspension dans l’air sur une grille TEM, puis d’y ajouter une certaine masse de particules de référence, et de déterminer les pourcentages relatifs de tous les éléments (particules de référence et particules inconnues) via EDS. Indépendamment de la condition d’échantillonnage, la collecte quantitative et homogène des particules monodispersées RbCl, CsCl et NaCl sur la grille TEM a pu être réalisée. Pour toutes les conditions testées, lors du dépôt de divers types de particules en suspension quantifiées sur une grille TEM, les écarts absolus entre les pourcentages de masse des éléments théoriques et les rapports expérimentaux mesurés par EDS restent inférieurs à 10%, qui confirme que la méthode proposée pourrait être utilisée pour la caractérisation massique d’éléments dans un aérosol inconnu. Le RbCl a été préféré comme référence depuis sa rareté dans les particules aéroportées habituelles et sa faible toxicité.

Characterization and analysis of airborne solid nano/micrometric particles have received considerable attention. The representative collection of particles to be analyzed is a fundamental requirement. The recently developed aerosol sampler called Mini Particle Sampler (MPS), which is equipped with a porous Transmission Electron Microscopy (TEM) grid, renders particle sampling convenient. However, the research for this useful sampling system is still in the initial stage. The thesis improves and quantifies the MPS sampling system. Besides, a new method of pollutant mass characterization is developed based on the optimizedsampling system. The sampling efficiency of the sampling system for particles with mobility diameters ranging from 5 to 100 nm is mainly investigated. According to the sensitivity analysis tof the parameters in the whole setup carried out by the Taguchi method, salt concentration of the atomizer, high-voltage polarity in the Differential Mobility Analyzer (DMA), sampling efficiency assessment method, sampling temperature, and porosity of the porous TEM gridminimally affect the collection efficiency. Small filter pore size, high flowrate, and denserparticles promote particle capturing, which are the main parameters. Based on the investigation of the filtration mechanisms of TEM grids and the comparison of available theoretical models, a method for experimental collection efficiency analysis combined with theoretical modeling is developed by considering the model’s applicability. Using this method, the effects of the main parameters mentioned above are compared between experiments andtheories. The sampling technology is optimized and the minimum collection efficiency isup to 40% by adjusting the parameter settings of the sampling system. In addition, accordingto the Monte-Carlo methods, sampling efficiency uncertainties from measured data andtheoretical models are generally less than 1% and 9%, respectively. Most sampling efficienciesmeasured data are covered by the efficiency uncertainty range simulated by models.Sobol variance-based sensitivity analysis shows that pore size and flowrate contribute significantly to the uncertainties, and require control to improve the efficiency precision. Besides, Cunningham correction factor is also a sensitivity parameter. Based on the above development of the MPS sampling system, a quantitative method is proposed to characterize the elemental mass concentration of airborne nano/micrometric particles via particle sampling and TEM - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). The principle is to collect airborne particles on a TEM grid, then add a certain mass of reference particles on it, and determine the relative percentages of all elements (reference and unknown particles) via EDS. Regardless of the sampling condition, the quantitative and homogeneously collection of monodisperse RbCl, CsCl, NaCl particles on the TEM grid could be achieved. For all the tested conditions, when depositing divers kinds of quantified airborne particles on one TEM grid, the absolute deviations between theoretical element mass percentages and experimental ratios measured by EDS remain lower than 10%, which confirms that the proposed method could be used for mass characterization of elements in an unknown aerosol. RbCl has been preferred as a reference since its rarity in usual airborne particles and having a low toxicity. The developed method has been used for characterizing aerosol released by the friction between serial pad and braking disc. The mass concentration of Fe in the braking aerosol is calculated as 0.105 μg/L using this method, which is consistent with the concentration range estimated from the data of Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) and Aerodynamic Particle Sizer (APS).