Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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88 Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie NANOMATÉRIAUX ET MAÎTRISE DES RISQUES Différents mécanismes de capture des particules par les fibres des filtres a. Dépôt par inertie Les filets d’air contournent les fibres du filtre alors que les particules, en général plus denses que l’air, n’arrivent pas à suivre la déformation de la veine fluide en raison de leur inertie. L’efficacité de ce mode de dépôt se trouve favorisée par une grande vitesse d’entraînement et par une grande taille des particules. b. Dépôt par interception Les particules, dont la trajectoire rencontre une fibre, se déposent sur celle-ci. L’efficacité de ce mécanisme ne dépend pas de la vitesse du flux gazeux, mais de la grande taille des particules.c. Dépôt par diffusion En plus du mouvement d’entraînement du gaz, les plus petites particules sont soumises à des déplacements aléatoires découlant du mouvement brownien. Ces déplacements supplémentaires augmentent la probabilité de collision des particules avec les fibres. L’efficacité de capture par diffusion croît avec la petitesse des particules, la température et le ralentissement du flux d’entraînement. un milieu donné). Ce phénomène, appelé rebond thermique, dépend d’un grand nombre de paramètres : taille des parti - cules, affinité particule/fibre, aptitude à la déformation, température... Il n’a été observé que dans un nombre très restreint de publications prêtant d’ailleurs parfois à la controverse (4). Pour la majorité des travaux réalisés jusqu’à ce jour, aucun écart à la théorie classique de filtration n’a été détecté pour des particules d’argent, de chlorure de sodium, de graphite jusqu’à 2nm (5). Donc, dans la pratique, l’efficacité des filtres fibreux augmente dans le domaine des nanoparticules : de 100 nm (formellement en dessous de la MPPS) jusqu’à au moins quelques nm. Le modèle du filtre « écu - moire » s’avère donc faux pour les filtres papier (figure 5). Au CEA, des résultats similaires ont été obtenus sur des tenues de travail dans le cadre du projet Nanosafe (6), avec ou sans flux d’air, afin de se rapprocher des conditions réelles d’utilisation des vêtements de protection. La figure 6, montre les résultats CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 a fibre du filtre (4) « Filtration efficiency of aerosols particles below 20 nm », Hein M. et al., Aeorosol science and Technology, 39:782-789, 2005. (5) Ichitsubo 1996, Alonso 1997, Heim 2005, Kim, 2007, Golanski 2008. (6) www.nanosafe.org fibre du filtre fibre du filtre b c pénétration (%) 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 vitesse de flux = 9,6 cm/s, nanoparticules de carbone 0,000001 0 20 40 60 80 diamètre des particules (nm) filtre à membrane e-PTFE filtre électret filtre HEPA H12 filtre HEPA H14 filtre HEPA pour prélèvement dans le nucléaire Figure 5. Performances de différents médias filtrants du commerce vis-à-vis de nanoparticules de graphite. Cette figure montre les résultats d’efficacité de différents types de filtre : membrane en téflon (e-PTFE), électrostatiques (électret) ou à fibres de très haute efficacité (HEPA H12 et HEPA H14/pour High Efficiency Particulate Air Filter), exprimés en fraction de particules non retenues rapportées aux particules incidentes. Dans ce cas, plus la pénétration est faible et plus l’efficacité de filtration est grande. CEA
flux particulaire (particules/minutes) 2 10 9 320 μm 1,5 10 9 650 μm 30 nm 80 nm 1 10 9 5 10 8 115 μm 210 μm 0 coton papier non tissé non tissé Figure 6. Performances de différents types de tissus vis-à-vis de la diffusion de nanoparticules de graphite centrées à 30 et 80 nm. La concentration dans la cavité aval de diffusion est d’environ 10 7 particules/ml et la surface d’échantillon est d’environ 100 cm 2. Les résultats obtenus avec flux d’air à travers les tissus confirment également les bonnes performances des matériaux non tissés. obtenus sans flux d’air, dans une cellule de diffusion dont la cavité amont est soumise à une concentration constante de nano - particules. Le flux de particules qui diffuse dans la cellule aval permet de constater que les meilleurs résultats sont obtenus avec les matériaux non tissés, malgré leur faible épaisseur. Pour les nanoparticules, les combinaisons en matériau relativement étanches à l’air, type Tyvec, présentent les meilleures performances de protection. Malheureusement, ce type de matériau demeure moins agréable à porter. Le CEA a également testé, avec la méthode de diffusion (sans flux d’air), différents échantillons prélevés sur des gants. Bien que poreux, les gants sont extrêmement efficaces pour la protection contre les nanoaérosols, une fois encore grâce au mouvement brownien des plus petites particules qui se collent à la surface des pores des gants. En conclusion, il s’avère parfaitement possible de protéger les salariés contre les nanoparticules dans le cas où certaines d’entre elles présenteraient un risque de toxicité. Il est également possible de filtrer, très efficacement, les nanoparticules produites dans les ateliers et les laboratoires, et de protéger l’environnement grâce:• aux filtres, dits papier, utilisés pour la filtration de l’air des locaux, les cartouches de masque sont encore plus efficaces pour les nanoparticules au moins jusqu’au niveau 2 nm ; • aux vêtements de protection en matériaux non tissés, étanches à l’air donnent d’excellents résultats ; CEA CEA• les gants testés sont tous extrêmement étanches aux nano-aérosols. Protéger les consommateurs en mesurant la ré-émission des nanoparticules par les nanoproduits : le « relargage » En l’absence de connaissances suffisantes sur la toxicité éventuelle des nanoparticules, il est indispensable de s’assurer de l’absence d’exposition des consommateurs de nanoproduits (produits manufacturés contenant des nanoparticules). La voie d’exposition pulmonaire étant considérée comme la plus sensible, le CEA a développé une méthode de vérification concernant la non-dispersion, dans l’air (aérosolisation), des nanoparticules contenues dans les nanomatériaux lorsque ceux-ci se trouvent soumis aux sollicitations durant leurs usages. Ainsi, comme le montre la figure 7, un banc de mesures des nanoparticules relarguées durant l’abrasion des nanomatériaux a été mis au point. La courbe de droite montre les résultats d’un test réalisé sur des nanotextiles en polyéthylène téréphtalate (PET) et en polychlorure de vinyle (PVC) mis au point à l’Institut français du textile et de l’habillement (IFTH), contenant des nanoparticules d’argile pour les rendre ignifugés. Les résultats montrent : • que les matériaux soumis à un test d’abrasion produisent des nanoparticules même s’ils ne contiennent pas de nanoparticules ; • que si les nanoparticules sont mal accrochées à la matrice, elles peuvent être relarguées dans l’air. Des résultats, obtenus sur d’autres nanomatériaux (peintures, polymères) mieux optimisés vis-à-vis de l’accrochage des tissu sans nanoparticules tissu avec nanoparticules Figure 7. À gauche : banc de mesures de relargage de nanoparticules par les nanomatériaux sous une sollicitation d’abrasion. À droite, la figure montre les résultats obtenus sur deux tissus : l’un contenant des nanoparticules et l’autre non. Boîte à gants dédiée aux études de nanosécurité. Test des vêtements qui seront portés par les personnels travaillant à la production et à la manipulation de nanopoudres et nano-objets. concentration (particules/cm 3) 500 400 300 200 100 0 0 60 100 150 200 taille des particules (nm) P.Avavian/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 89



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