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RÉSUMÉ
La filtration des nanoparticules à l’aide de médias fibreux reste, le procédé le plus utilisé vis-à-vis de ce type d’aérosol au niveau de la protection individuelle, collective et environnementale. Des questions, néanmoins, subsistent sur l’efficacité initiale et sur l’évolution de leurs performances (efficacité et perte de charge) au cours du colmatage. Dans cet article, une attention particulière est portée aux installations de dépoussiérage pour lesquelles la régénération des médias filtrants colmatés par des nanoparticules est souvent déficiente. Des solutions et des voies alternatives aux médias fibreux sont également proposées.
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The filtration of nanoparticles using fibrous media is currently the most used process for such aerosol, both in terms of personal, collective and environmental protection. Questions, however, remain about the initial efficiency and evolution of their performance (efficiency and pressure drop) during clogging. In this article, special attention is paid to dust collection installations for which the regeneration of filter media clogged with nanoparticles is often deficient. As a result, solutions and alternative ways to fibrous media are proposed.
Auteur(s)
-
Dominique THOMAS : Professeur - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, CNRS, Université de Lorraine, Nancy, France
-
Augustin CHARVET : Maître de conférences - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, CNRS, Université de Lorraine, Nancy, France
-
Denis BEMER : Responsable d’études - Département Ingénierie des Procédés, INRS, Vandoeuvre, France
-
Sandrine CHAZELET : Responsable d’études - Département Ingénierie des Procédés, INRS, Vandoeuvre, France
INTRODUCTION
Le développement des nanoparticules manufacturées en forte activité a conduit à s’interroger sur le risque potentiel qu’elles peuvent présenter pour la santé des personnes et l’environnement du fait de leurs propriétés spécifiques (citons leur surface spécifique, leur forme, leur charge, leur potentiel oxydant, etc.).
Un certain nombre d’études sont ou ont été consacrées aux effets sanitaires ou environnementaux de telles ou telles particules nanométriques mais la nature de ces dernières est si variée qu’une évaluation exhaustive semble illusoire. En conclusion, compte tenu de l’absence d’information sur le caractère nocif ou non de telle ou telle nanoparticule, le principe de précaution prévaut. Des mesures efficaces de prévention des risques doivent, en conséquence, être mises en œuvre.
Dans le domaine de la protection des personnes, de l’environnement, la filtration de l’air à travers un milieu fibreux reste un procédé incontournable. Cette technique d’épuration est abordée, en s’intéressant plus particulièrement aux mécanismes de collecte des nanoparticules et à l’évaluation de la perte de charge et de l’efficacité au cours du colmatage. La protection individuelle et collective avec et sans régénération des médias filtrants est ensuite présentée. Les études bibliographiques et les retours d’expérience mettent en exergue le pouvoir très colmatant des nanoparticules, ce qui limite très fortement la durée de vie des filtres à fibres utilisés dans le domaine de la ventilation ou nécessite une régénération fréquente des dépoussiéreurs industriels qui s’avère souvent inefficace. Des solutions sont, par conséquent, proposées pour répondre à cette problématique. Enfin, des solutions alternatives aux filtres à fibres en cours de développement sont exposées.
En fin d’article, un glossaire donne des termes et expressions importants de l’article.
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KEYWORDS
aerosol | fibrous media | gas/particle separation | clogging
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Des voies alternatives aux médias filtrants
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2. Séparation par filtres à fibres
La filtration par filtres à fibres reste, à l’heure actuelle, le procédé le plus utilisé pour purifier l’air des particules en suspension car il présente généralement un bon compromis entre une efficacité élevée et une dépense énergétique acceptable.
Les systèmes de protections collectives ou individuelles (filtres de ventilation, appareil de protection respiratoire) ou les dépoussiéreurs industriels (filtres à manches ou à cartouches filtrantes) sont composés de médias fibreux non tissés, c’est-à-dire « un produit manufacturé fait d’un voile ou d’une nappe de fibres individuelles, orientées directement ou au hasard, liées par friction, cohésion ou adhésion » selon l’European Disposal and Nonwovens Association.
Ces médias sont caractérisés par le grammage (G) (masse surfacique du média fibreux), l’épaisseur (Z) qui varie typiquement entre 20 et 5 000 µm, la compacité (α) rapport du volume des fibres sur le volume du média fibreux (généralement inférieure à 20 %) et le diamètre moyen des fibres (df ).
La filtration repose sur l’écoulement d’une phase continue (gaz) et d’une phase dispersée (particules) initialement mélangées (i.e. l’aérosol) au travers d’un milieu poreux (le média filtrant) afin de collecter les particules par le média. Compte tenu de ce principe de séparation, il est facile de comprendre que la structure du média filtrant va conditionner sa perte de charge et son efficacité initiales vis-à-vis des particules à filtrer et que ses performances vont évoluer au fur et à mesure que la masse de particules collectées augmente.
2.1 Efficacité
L’efficacité de collecte d’un filtre à fibres peut facilement être déterminée à partir de mesures de concentration particulaire effectuées en amont et aval du filtre. Si la perte de charge du filtre est peu importante, les débits volumiques en amont et en aval du filtre peuvent être assimilés. L’efficacité globale du séparateur est alors donnée par :
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Séparation par filtres à fibres
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BÉMER (D.), RÉGNIER (R.), SUBRA (I.) - Ultrafine particles emitted by flame and electric arc guns for thermal spraying of metals. - Annals of Occupational Hygiene 54(6) 607-614 (2010).
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(2) - OUF (F.-X.) - Caractérisation des aérosols émis lors d’un incendie. - Thèse de l’Université de Rouen (2006).
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(3) - BAU (S.), WITSGHER (O.), GENSDARMES (F.), RASTOIX (O.), THOMAS (D.) - A TEM-based method as an alternative to the BET method for measuring off-line the specific surface area of nano-aerosols. - Powder Technology, 200 190-201 (2010).
-
(4) - CHARVET (A.), BAU (S.), PAEZ COY (N.E.), BEMER (D.), THOMAS (D.) - Characterizing the effective density and primary particle diameter of airborne nanoparticles produced by spark discharge using mobility and mass measurements (Tandem DMA/APM). - Journal of Nanoparticle Research, 16 :2418 (2014).
-
(5) - CHARVET (A.), BAU (S.), BEMER (D.), THOMAS (D.) - On the importance of density in ELPI data post-treatment. - Aerosol Science...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Appareils de protection respiratoire ; Demi-masques filtrants contre les particules : Exigences, essais, marquage - NF EN 149+A1 - 2009
-
Appareils de protection respiratoire – Recommandations pour le choix, l'utilisation, l'entretien et la maintenance – Guide. - NF EN 529 - 2006
-
Appareils de protection respiratoire – Gaz comprimés pour appareil de protection respiratoire isolant. - NF EN 12021 - 2014
-
Filtres à air à haute efficacité (EPA,HEPA et ULPA). Partie 1 : classification, essais de performance et marquage. - NF EN 1822-1 - 2019
-
Nanotechnologies-Terminologie et définitions relatives aux nanoparticule, nanofibre et nanofeuillet. - ISO/TS 27687 - 2008
ANNEXES
Les nanomatériaux – Définitions, risques toxicologiques, caractérisation de l'exposition professionnelle et mesures de prévention, ED 6050, INRS, Paris, Septembre 2012, 48 p.
Site INRS
HAUT DE PAGE2.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Société Française des Séparations Fluides-Particules (SF2P)
Association Française d’Études et de Recherches sur les Aérosols (ASFERA)
HAUT DE PAGE2.2 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
LRGP (Laboratoire Réaction et Génie des Procédés), Université de Lorraine – CNRS (UMR 7274)
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