Etude des performances de matériaux de construction à matrice inorganique pour l'amélioration de la qualité de l'air intérieur

Understanding the behavior of inorganic matrix-based construction materials for Indoor Air Quality improvement

• Auteur / Autrice : Raphaël Brun
• Direction : Frédéric Thévenet, Marie Verriele-Duncianu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 16/09/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Saint-Gobain Recherche
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre for Energy and Environment / CERI EE - IMT Nord Europe
• Jury : Président / Présidente : Valérie Desauziers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anh Dung Tran Le, Marion Chenal, Arnaud Soisson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurence Le Coq, Antoine Rousseau

Mots clés

Mots clés libres

QAI

Matériau sorbant

COV

Matériau de construction

IAQ

Sorbent material

VOC

Construction material

Résumé

Les matériaux de construction sorptifs comme solution de remédiation à la pollution des environnements intérieurs semblent être une alternative prometteuse aux solutions conventionnelles d’assainissement de l’air, auxquelles sont reprochées une consommation d'énergie importante et la potentielle libération de sous-produits nocifs. Dans ce travail de thèse, les propriétés d’élimination des polluants de plaques de plâtre et d’enduits à base de chaux enrichis en Charbons Actifs (CA), comme sorbants, sont étudiées. Trois réacteurs à différentes échelles sont déployés pour évaluer de manière complémentaire le comportement des matériaux vis-à-vis des Composés Organiques Volatiles (COV) typiques des environnements intérieurs. Les capacités de piégeage des sorbants en poudre sont caractérisées en les exposant à des COV individuels (toluène ou formaldéhyde) dans un réacteur en U en conditions ambiantes (50 % RH à 23 °C). Leur morphologie et chimie de surface sont étudiées et corrélées aux propriétés de piégeage. De plus, le devenir des COV adsorbés est étudié à température ambiante, et selon un scénario d’élévation de température typique d’un environnement intérieur. Les résultats obtenus pour cette échelle expérimentale aboutissent à des recommandations pour la sélection de charbons actifs. Des échantillons de matériaux de construction mis en œuvre, exposés à un mélange de 18 COV représentatifs de la diversité des polluants intérieurs, sont étudiés à l'aide d'un réacteur FLEC. Les capacités de piégeage des matériaux de construction enrichis en CA sont évaluées en les exposant de manière continue pendant 42 jours au mélange de COV. Des paramètres clés sont proposés pour discriminer l’impact des matériaux sur la qualité de l’air intérieur (QAI). L'introduction de charbon actif améliore remarquablement la capacité des matériaux de construction à éliminer les COV à court et à long terme. De plus, des expériences dédiées au formaldéhyde mettent en évidence une adsorption réactive sur la matrice « enduit à base de chaux » : la réaction de Cannizzaro conduit à la formation de méthanol gazeux et de formiates adsorbés. A échelle réelle, à l’aide de la pièce expérimentale IRINA de 40 m3, la matrice « enduit à base de chaux » et un enduit enrichi en CA sont exposés à des polluants sélectionnés (ozone, toluène, décane, limonène, acétone, éthanol et formaldéhyde) à des niveaux typiques de l’air intérieur. L'efficacité du plâtre enrichi en charbon actif pour atténuer les épisodes de pollution est démontrée et quantifiée pour tous les composés étudiés. Les résultats à échelle réelle soulignent que les matériaux de construction sorptifs peuvent être appliqués au même titre que des dispositifs actifs et oxydatifs de traitement de l'air, largement déployés à l’heure actuelle.

Use of sorptive construction materials to mitigate VOC concentrations indoors appears as a promising alternative to conventional solutions responsible for energy consumption and potential harmful by-products release. In this PhD, the VOC uptake properties of gypsum boards and lime-cement plasters enriched in VOC sorbents, activated carbons (AC), are investigated. Three-scale reactors have been deployed to complementarily assess the behavior of the materials regarding indoor Volatiles Organic Compounds (VOCs). Selected powder sorbents, exposed to single VOC (toluene and formaldehyde), are characterized using a U-shape reactor under mild conditions (50% RH and 23 °C). AC surface chemistry and morphology are correlated with VOC uptake capacities. The fate of taken up VOCs on AC surface is investigated at ambient temperature and under typical indoor heat events. Results lead to the definition of guidelines for AC selection. Fully processed board samples, exposed to an 18-VOC mix, representative of indoor pollutant diversity, are studied using FLEC reactors. The uptake capacities of sorptive materials are assessed using a continuous 42-day exposure to the VOC mix. Key parameters are proposed to discriminate materials according to their impact on IAQ. The introduction of ACs remarkably enhances the VOC removal ability of construction materials on short and long term. Additionally, experiments dedicated to HCHO evidence a reactive uptake on lime-cement plaster matrix: Cannizzaro reaction leads to the formation of gaseous methanol and adsorbed formates. At real scale, using the 40-m3 IRINA experimental room, lime-cement plaster matrix and a lime-cement plaster enriched in AC are exposed to selected pollutants (ozone, toluene, decane, limonene, acetone, ethanol and formaldehyde) at typical indoor level. The effectiveness of the AC-enriched plaster to mitigate pollution episodes is evidenced and quantified for all investigated compounds. Real scale results emphasize that sorptive construction materials can perform as well as widespread active and oxidative air treatment devices.