Étude de l'évaporation d'aérosols liquides semi-volatils collectés sur médias fibreux, Study of the evaporation of liquid semi-volatil aerosols collected on fibrous filters

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Institut National de Recherche Institut National Polytechnique de Laboratoire des Sciences du
et de Securité (INRS) Lorraine Génie Chimique (LSGC)
Département Ingénierie des 2, Avenue de la Forêt de Haye UPR CNRS 6811
Procédés BP 3 1, Rue Grandville
Rue du Morvan F-54501 Vandoeuvre-lès-Nancy BP 20451
CS 60027 Cedex F-54001 Nancy Cedex
F-54519 Vandoeuvre Cedex


2Ecole Doctorale RP E
Ressources Procédés Produits Environnement


THESE


Présentée en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’INPL

spécialité
Génie des Procédés et des Produits




Etude de l’évaporation d’aérosols liquides
semi-volatils collectés sur médias fibreux



par
Benjamin SUTTER


Soutenue publiquement : le 3 Novembre 2009, devant le jury composé de :

Présidente Evelyne GEHIN Professeur à l’Université Paris XII

Rapporteurs Alain BERNIS Professeur émérite à l’Université de
Savoie
Anne PERWUELZ Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure
des Arts et Industries Textiles de Roubaix
Examinateurs Jean-Christophe APPERT-COLLIN Maître de Conférences à l’UHP, Nancy 1
Denis BEMER Ingénieur d’étude à l’INRS Vandoeuvre
Alain GINESTET Chargé d’études au CETIAT
Noël MIDOUX Professeur émérite à l’INPL Nancy
Dominique THOMAS Professeur à l’UHP, Nancy 1

Remerciements

L’environnement de recherche que constitue l’INRS a été l’un des atouts majeurs
pour la réalisation de ces travaux. En effet, par nature, l’INRS regroupe en son sein des
personnes de différentes spécialités, parfois très éloignées, ce qui lui permet
d’appréhender des problèmes que d’autres centres de recherche ne sauraient résoudre.
J’ai donc usé et très certainement abusé de cette pluridisciplinarité qui m’était offerte
pour réaliser ces présents travaux de recherche. Les résultats présentés dans ce tapuscrit
sont donc le fruit d’une coopération de nombreuses personnes de l’INRS dont les noms
ne pourront tenir sur cette page. Je souhaite donc en premier lieu remercier le personnel
de l’INRS, tant scientifique et technique que de gestion, pour m’avoir accompagné
pendant cette formidable aventure.

Parmi ces personnes, je souhaite remercier le laboratoire PROCEP, qui m’a
accueilli à bras ouverts et qui n’a pas hésité à mettre à ma disposition tout le matériel
dont j’ai eu besoin.

Je ne peux pas clore mes remerciements au personnel de l’INRS sans écrire
quelques lignes en hommage à Denis Bémer, qui a été mon maître à penser pendant ces
trois années. Nos nombreuses discussions scientifico-politico-sociétales ont été de façon
incontestable un régal pour mes neurones. A son contact, j’ai pu sans cesse faire évoluer
ma façon de penser et mon savoir-faire, ce qui a, à mon sens, une valeur toute
particulière. C’est donc un merci lourd de sens que j’adresse à Denis.

Si l’INRS est la mère de cette étude, le groupe Sisyphe du LSGC en est
incontestablement le père. Les conseils avisés de mon directeur de thèse, Dominique
Thomas du LSGC, ont été précieux pour prendre du recul par rapport à ces travaux et ne
pas s’égarer dans le fourmillement des expérimentations. De même, le travail
d’orfèvrerie qu’a réalisé Jean-Christophe Appert-Collin à chaque correction de rapports,
communications et publications, a constitué un catalyseur puissant m’ayant permis
d’améliorer en permanence mes capacités à communiquer. Pour cela, un très grand
merci à eux deux.

Ma reconnaissance va aussi au professeur Noël Midoux pour le travail très
important de modélisation des phénomènes observés qu’il a réalisé pendant cette étude.
Par ailleurs, chacun de nos échanges a été riche, formateur et passionnant. Le professeur
Midoux est l’une des personnes scientifiques les plus motivantes que j’ai eu l’occasion
de rencontrer et qui alimentent ma passion de la science. Merci pour tout.

Je ne peux terminer cette page sans remercier très chaleureusement le professeur
Alain Bernis qui est pour moi un exemple professionnel et humain que je m’efforcerai
de suivre. Je n’aurais pu réaliser cette thèse sans ses relations particulières avec l’INRS.

Enfin, je remercie les membres du jury de cette thèse pour avoir accepté d’évaluer
ces présents travaux et pour les échanges toujours enrichissants que nous avons eu lors
de la soutenance.


Pendant ces trois ans, le soutien de ma famille, de mes amis et de ma lili, a été
sans condition. C’est donc avec ce dernier grand merci que je fais place à la science…

Table des Matières

INTRODUCTION GENERALE .............................................................................. 9
PARTIE I Approche Globale ..................... 13
Nomenclature .......................................................................................................................... 14
Introduction ............................ 19
Chapitre I Etat de l’art ................................................................................................ 21
I. Evaporation : définitions .............. 22
I.1. Système fermé : équilibre liquide – vapeur ................................................................. 22
I.2. Système ouvert : recherche de l’équilibre ... 25
I.3. Cas des fortes volatilités .............................................................. 27
II. Evaporation : application à une sphère ...................................................... 28
II.1. Théories ....................................................... 28
II.2. Corrections .................................................. 30
II.3. Discussion et Bilan ...................................................................... 38
III. Evaporation d’un aérosol collecté sur filtre ............................................... 40
III.1. Mise en évidence ......................................... 40
III.2. Modélisation ................................................ 43
Chapitre II Matériels & Méthodes ............................................................................ 49
I. Objectifs et principes généraux ................................................................... 50
II. Génération d’aérosol et colmatage de filtre ................ 51
II.1. Génération ................................................................................... 51
II.2. Dépôt sur filtre ............................................. 54
II.3. Caractéristiques des aérosols modèles ......... 58
II.4. Caractéristiques des filtres utilisés .............................................. 59
III. Evaporation et quantification des vapeurs à l’aval du filtre ..................... 60
III.1. Système d’évaporation ................................................................................................ 60
III.2. Technique analytique... 62


Chapitre III Résultats ................................................................................................ 73
I. Aérosols de composés purs ........... 74
I.1. Tendances générales .................................................................................................... 74
I.2. Elaboration du modèle semi-empirique ....... 76
I.3. Exploitation des modèles semi-empiriques . 82
I.4. Bilan des observations ................................................................................................. 89
II. Aérosols multicomposés et polydispersés .................... 90
II.1. Aérosols «