Etude expérimentale et modélisation de l'émission d'aérosols ultrafins lors du déversement de poudres nanostructurées
Institution:
Toulouse, INPTDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The production of nanoparticles (< 100 nm) has been evolving largely since the last decade. New questions arise about the risks for human health and for the environment when producing, handling and using nanoparticles. The aim of this work is to propose new approaches and methodologies for the study of ultrafine aerosol emission by free falling nanostructured powders. A nanodustiness test has been built up for the aerosols generated by three free falling nanopowders: TiO2, SiO2 and Al2O3. Aerosol concentration and size distribution have been measured by an Electric Low-Pressure Impactor (ELPI). In all cases, a bimodal aerosol is observed. One of the aerosol populations corresponds to the nanostructured micrometric agglomerates that constitute the powder. The other one corresponds to ultrafine aggregates, coming from micrometric agglomerates breakage. The height of fall and the dropped mass have a significant influence on the resuspension of micrometric agglomerates, but not a noticeable significant effect on the ultrafine concentration, which is much more affected by the agglomerate structure. Ultrafine aggregates have been observed by Scanning Electron Microscope and an image treatment has been carried out for SiO2 agglomerates. The results show that agglomerates have a two-level structure, with quite open aggregates (Df=1. 9), which are agglomerated in a much more compact way (Df=2. 6). There is hence a relation between the production process and the powder structure which is itself correlated to the quantity of nanoparticles generared by free falling. An Euler-Lagrange approach has been used to model the free fall of a dilute particle cluster in a viscous fluid initially at rest. Results show that, even in the viscous regime (Red£1), there is a particle leakage leading to cluster destabilization
Abstract FR:
Lors de ces dernières années, on constate une croissance considérable des procédés de production de nanoparticules, dont la taille est inférieure à 100 nm. Des questions se posent alors à propos des risques pour l'homme et pour l'environnement associés à la production, à la manipulation et à l'usage des nanoparticules. L'objectif de ce travail est de proposer des nouvelles approches et méthodologies adaptées à l'étude de l'émission d'aérosols ultrafins lors du déversement de poudres nanostructurées, afin de comprendre les mécanismes qui mènent à la mise en suspension des nanoparticules. Un test de nanopoussièrage a été conçu afin d'étudier les aérosols émis par le déversement de trois poudres nanostructurées : TiO2, SiO2 et Al2O3. Les aérosols émis ont été caractérisés en termes de concentration et distribution de taille, à l'aide d'un Impacteur Electrique à Basse Pression (ELPI). Dans tous les cas, on retrouve des aérosols bimodaux, avec deux populations correspondant aux agglomérats micrométriques nanostructurées présents dans la poudre, et aux agrégats nanométriques libérés pas fracture des précédents. Les paramètres opératoires (hauteur de chute et masse déversée) ont une grande influence sur la quantité d'agglomérats micrométriques mis en suspension. En revanche, la quantité d'agrégats ultrafins émis n'est pas influencée significativement par les paramètres opératoires, mais plutôt par la structure des agglomérats qui constituent la poudre. L'existence d'agrégats ultrafins dans l'air a été vérifiée par observation au Microscope Electronique de Balayage des particules déposées sur les plateaux de collecte de l'ELPI. Une analyse d'images a été réalisée sur les photographies des agglomérats de fumée de silice, SiO2. Les résultats montrent une structuration des agglomérats à deux niveaux, avec des agrégats assez ouverts (Df=1. 9) qui sont ensuite agglomérés d'une façon beaucoup plus compacte (Df=2. 5). Il existe donc une relation entre le procédé de production et la structure de la poudre, laquelle détermine la libération des ultrafines. Une approche Euléro-Lagrangienne a été proposée pour modéliser la chute d'un paquet de particules faiblement concentré dans un fluide visqueux au repos. Les résultats montrent que, même dans le régime visqueux (Red£1), il existe une perte en particules qui conduit à terme à la déstabilisation du paquet