EP2656921B1 - Dispositif éléctrostatique de collecte de particules en suspension dans un milieu gazeux - Google Patents

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EP2656921B1
EP2656921B1 EP13165303.2A EP13165303A EP2656921B1 EP 2656921 B1 EP2656921 B1 EP 2656921B1 EP 13165303 A EP13165303 A EP 13165303A EP 2656921 B1 EP2656921 B1 EP 2656921B1
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collecting
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capillary tube
collection
liquid
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Jean-Maxime Roux
Jean-Luc Achard
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • B03C2201/18—Magnetic separation whereby the particles are suspended in a liquid

Definitions

  • the present invention relates to an electrostatic device for collecting particles suspended in a gaseous medium, more particularly in air.
  • electrofilters serve for example to purify the air.
  • electrostatic devices for collecting and analyzing particles. These devices show a great efficiency in the collection of submicron particles.
  • electrostatic precipitators some rely on the use of an intense electric field to create a corona discharge effect; they are commonly called electrostatic precipitators or electrostatic precipitators.
  • An electrostatic precipitator is an apparatus that collects particles present in a gas by applying an electric field on a trajectory of particles suspended in this gas. More precisely, this high electric field (several thousands to tens of thousands of volts per centimeter in the vicinity of the discharge electrode) is induced by two electrodes arranged close to each other: a first polarized electrode or electrode of discharge, generally in the form of wire or tip, being disposed facing a second electrode, the latter being in the form of a counter-electrode, generally of planar or cylindrical geometry.
  • the electric field existing between the two electrodes ionizes the volume of gas located in the inter-electrode space, and in particular a sheath or ring of ionized gas located around the discharge electrode.
  • This phenomenon is called corona discharge.
  • the charged particles thus created migrate to the counter electrode, where they can be collected.
  • This counterelectrode is usually called a collection electrode. Due to the level of the required electric field, it is necessary to use a discharge electrode which has a very small radius of curvature. The discharge electrodes encountered are therefore generally either spikes or wires.
  • Electrostatic precipitators use high voltages to generate the corona discharge.
  • an electrostatic precipitator comprises means for driving environmental air through the device and means for transferring particles from a gaseous medium to an aqueous or culture medium.
  • Such a device is for example described in the document WO 2007/012447 .
  • the discharge electrode is formed by a wire disposed within the cylindrical counter-electrode.
  • a tube provides a steam supply between the discharge electrode and the counter electrode.
  • a pump is provided to cause the air and aerosol mixture through the device. This device therefore requires an external pump that does not use high voltage, as well as a steam supply.
  • a device implementing this method comprises two electrodes, formed for one by a capillary bringing the liquid to be sprayed and for the other by a generally flat counter-electrode.
  • the drops thus formed are electrically charged and are dispersed in the air containing the particles to be collected, they transfer their charge to the polar particles which can then be attracted and then collected by the counter-electrode.
  • This device comprises a fan for circulating the air through the device. This fan does not use high voltage.
  • a device comprising the features of the preamble of claim 1 is described in the document US2009 / 0235817A1 .
  • a culture medium can be deposited on the surface of the collection electrode or downstream of the latter.
  • a collection device whose liquid supply is configured to generate both the corona discharge and the electrospray process.
  • the corona discharge charges the particles to be separated for capture on the collection electrode. It also allows the generation of an ionic wind allowing the entrainment of air through the device.
  • the electrospray process generates charged droplets, which enhances the capture efficiency. It also ensures the wetting of the electrode, which makes it possible to retain the particles on the surface of the collection electrode, or, beyond a certain flow rate, the particles run off along the collection electrode. for evacuation or analysis.
  • the collection device no longer requires a pump or fan to drive air or more generally gas through the device, it also does not require special means to ensure the transfer of the medium gaseous in the liquid medium.
  • the means for generating the corona discharge and the means for spraying the liquid by electrospray both use high voltages.
  • the small size of the device makes it compatible with portable use.
  • the means used to generate the corona discharge and those to obtain the electrospray are merged, and the drop of polarized liquid located at the end of the capillary for electrospray spraying forms the tip of the electrode. discharge for the crown discharge.
  • a particle collecting device which, as sole motive force, uses the electric force to perform the gas entrainment, particle collection and gas phase transfer functions to the aqueous phase of the reactor. sample.
  • the corona discharge and the electrospray are combined, which makes it possible to offer a simplified collection device that does not require auxiliary modules, such as a pump, a fan, etc. necessary for the operation of the collection devices of the state of the art.
  • a decontamination function of the electrode can also be performed outside the particle collection phases, for this purpose a liquid capable of decontaminating the surface of the taper-electrode is sprayed with electrospray.
  • the collection device may also include means for evacuation of said gas stream from the collection chamber, said discharge means being located downstream of said collection electrode.
  • the collection chamber is cylindrical, and the collection electrode has a corresponding cylindrical shape.
  • the collection chamber may then be tubular and the collection electrode may have an annular shape whose inner diameter is substantially equal to the inner diameter of the collection chamber.
  • the ratio of the distance between the first end of the capillary tube and the collection electrode on the inside diameter of the collection electrode is advantageously in the range [0.5; 0.75], advantageously equal to 0.56.
  • the collection chamber comprises a tubular side wall and two bottoms forming longitudinal ends, and the admission means are formed by orifices passing through the side wall on the side of a first longitudinal end and the evacuation means are formed in the bottom located at a second longitudinal end.
  • the voltage difference applied between the liquid at the first end of the capillary tube and the collection electrode is in the range [8 kV; 10 kV].
  • the inner surface of the capillary tube is advantageously at least partly made of electrically conductive material and forms the polarization means of the liquid it contains.
  • the capillary tube is made of electrical insulating material and the biasing means are formed by a biasing electrode located inside the capillary tube.
  • the biasing means are located upstream of the capillary tube.
  • the device may advantageously comprise means for decontaminating the collection electrode formed by the capillary tube by spraying, said capillary tube being able to be connected by its second end to a reservoir of a decontamination liquid suitable for be sprayed with electrospray, for example bleach.
  • the collection electrode may be formed by a biological culture medium for the collected particles.
  • the collection device may comprise a plurality of parallel capillary tubes.
  • the collection device then comprises a deflector surrounding the ends of the capillary tubes opening into the collection chamber, said deflector being intended to guide the droplets formed by electrospray.
  • the deflector is formed by a metal ring at the same potential as the liquid.
  • the present invention also relates to a collection system comprising a collection device according to the invention and high voltage supply means for applying the voltage difference or differences.
  • This system can be advantageously portable.
  • the system may include an ion wind generator connected to said collection chamber for increasing the flow rate of gas flowing through the collection chamber, said ion wind generator including a discharge electrode and a counter electrode.
  • the present invention also relates to a collection and analysis system comprising a collection system according to the invention and means for analyzing the particles captured by the collection electrode, said analysis means being located downstream of said collection electrode.
  • FIG. 1 an exemplary embodiment of a collection device according to the invention can be seen schematically.
  • the device comprises a body 2 formed in the example represented by a tube, delimiting a collection chamber 4, admission means 6 of the air in the chamber 4 and air evacuation means 8 of the air. bedroom 4.
  • the tube 2 has a longitudinal axis X; and is provided with an upstream longitudinal end 2.1 and a downstream longitudinal end 2.2.
  • upstream and downstream are considered in relation to the direction of flow of the treated gas through the device which is symbolized by the arrow F, the treated gas flowing from upstream to downstream.
  • the device also comprises means for generating a corona effect inside the chamber 4, and means for spraying a liquid by electrospray, hereinafter referred to as "electrospray means".
  • the means 10 for generating the corona discharge and the electrospray means are merged. We will designate these means by collecting means 10.
  • the collection means 10 comprises a capillary tube 12 arranged, in the example shown, coaxial with the X axis and mounted through a bottom 14 of the upstream end 2.1 of the tube 2.
  • the capillary tube 12 has a downstream end 12.1 opening into the chamber 4 and an upstream end 12.2 intended to be connected to a liquid supply.
  • the liquid is intended to be sprayed with electrospray.
  • the liquid supply is for example obtained by means of a syringe pump or a pump.
  • the drop of liquid 20 present at the downstream end 12.1 of the capillary tube 12 forms the tip of a discharge electrode.
  • the capillary tube 12 may be mounted movably along the axis X so as to allow axial adjustment of the position of its downstream end 12.1 with respect to a collection electrode 16 which will be described below.
  • the discharge electrode is located upstream of the collection electrode.
  • the collection means also comprise means for polarizing the liquid flowing in the capillary tube 12 for the purpose of spraying it.
  • the biasing means are formed directly by the capillary tube 12 which is made of electrically conductive material and which is connected to a source of voltage. This embodiment has the advantage of further reducing the number of elements used in the invention.
  • the capillary tube is connected to ground to avoid any short circuit with external elements.
  • the capillary tube 12 is made of electrical insulating material and that an electrode connected to the voltage source is disposed inside the tube upstream or at the end 12.1 of the tube.
  • the electrode is for example in the form of a wire extending along the axis of the capillary tube 12 or is fixed on the inner wall of the capillary tube.
  • the collection means also comprise a counter electrode 16, also called the collection electrode, disposed downstream of the downstream end 12.1 of the capillary tube 12.
  • the collection electrode 16 is hollow. It extends along the direction of flow and comprises in this direction a first end and a second end, the first and second ends being located downstream of the end 12.1 of the capillary tube 12.
  • Counter-electrode 16 has, in the example shown, the shape of circular section cylinder mounted in the tube 2.
  • the inside diameter of the counter electrode 16 is substantially equal to the inside diameter of the body 2 to reduce discontinuities in diameter in the path of the air flow.
  • the inner surface of the chamber 4 is therefore substantially continuous.
  • the shape of the collection electrode corresponds to at least a portion of the inner surface of the tube.
  • the inner surface 16.1 of the counter-electrode 16 forms the particle collecting surface.
  • the counter electrode is connected to a high voltage source.
  • the counter electrode 16 may take different forms of a cylinder of revolution. It may in particular be in the form of one or more plates, between which open capillaries. It may still have the shape of a cylinder portion, such as a half-cylinder.
  • the admission means 6 comprise orifices formed in the tube between the upstream end 2.1 of the tube and the downstream end of the capillary tube 12.
  • the evacuation means are located opposite intake means 6 with respect to the downstream end 12.1 of the capillary tube 12.
  • the relative position of the edge of the drop of liquid 20 located at the downstream end 16 is such that the distance G separating the downstream end 12.1 of the capillary tube and the upstream end of the counter-electrode is non-zero.
  • Liquid for example water
  • a syringe pump is injected into the capillary tube 12 by means of a syringe pump, a drop of liquid 20 is then formed at the downstream end 12.1 of the capillary tube 12.
  • a high voltage is then applied to the counter electrode 16, while the capillary tube 12 is grounded.
  • the drop 20 is polarized since the capillary tube is electrically conductive.
  • the capillary 12 forms a needle, at the end of which the drop 20 forms a tip, having a strong curvature (or a small radius of curvature).
  • a corona discharge then appears in the vicinity of the drop 20 when the electric field reaches a critical value, this discharge at the end of the drop 20 is visible on the plate of the figure 5 .
  • the corona discharge generates a pocket of ionized gas in the vicinity of the discharge electrode.
  • a unipolar wind of ions and charged particles develops at the drop towards the counter-electrode 16 under the effect of the Coulomb force.
  • the entrainment of the air is done by transfer of momentum between these charged particles and the neutral particles and molecules of the air.
  • the charged particles thus created migrate then to the counter-electrode 16, on which they can be collected.
  • the drop of liquid 20 at the downstream end of the capillary tube 12, which forms the tip of the discharge electrode, is subjected to electrostatic forces which tend to tear it out of the tube, thereby forming an electrospray.
  • the drop 20 is torn off the downstream end 12.1 of the capillary tube 12 when the electrostatic forces surpass the capillary forces, the latter tending to maintain the liquid in the capillary.
  • the electrostatic forces deform the drop to tear it from the downstream end 12.1 of the capillary 12.
  • the drop 20 is then sprayed in droplets of micrometric or nanometric sizes towards the collection electrode 16.
  • the droplets thus formed are electrically charged and are dispersed in the air containing the particles to be collected, they capture the particles circulating in the interelectrode space. The latter are then driven to the collection electrode 16 and then collected by it.
  • the droplets then impact the collection electrode 16, which has the effect of wetting the surface of the collection electrode 16 and forming a film of liquid on the electrode, which ensures the transfer of the particles of the gas phase in the liquid phase.
  • the fact that the collection electrode 16 is wetted improves the capture of the particles. Indeed, it prevents them from being retrained by the air flow.
  • this liquid film makes it possible to recover the particles by runoff along the collection electrode, for the purpose of their analysis or their evacuation.
  • liquid film can serve as a culture medium for biological particles.
  • a liquid intended to be sprayed is used, a liquid favorable to the survival of microorganisms. organisms, such as, for example, an aqueous solution comprising a 1X PBS saline buffer and a 0.1% Triton X surfactant.
  • the collection of the particles is therefore carried out both by corona and the droplets formed by electrospray.
  • the production of ozone is reduced compared to a collection device using only the corona discharge.
  • the potential difference applied is between 8 kV and 10 kV.
  • the sprayed droplets are sufficiently deflected to reach the collection electrode and collapse on the inner surface of the collection electrode and form a liquid film on the inner surface of the collection electrode. This potential range ensures maximum particle collection.
  • droplets are not sufficiently deflected, they pass through the collection electrode and collapse on the inside wall of the downstream tube. the collection electrode. These particles are not collected.
  • the ratio G / D is greater than or equal to 0.2, preferably greater than 0.5.
  • the ratio G / D is such that: 0.5 ⁇ G / D ⁇ 0.75, and more preferably G / D is close to 0.5, for example equal to 0.56.
  • the ratio L / R is chosen too low, for example less than or equal to 0.49, the deflection of at least a portion of the droplets may be too great, they then crash on the upstream end of the collection electrode, the liquid can accumulate. This liquid then forms an extension of the collection electrode towards the discharge electrode, which may have the effect of reducing the distance between the discharge electrode and the collection electrode, which can cause the formation electric arcs. The length of the drop is therefore taken into account in the dimensioning of the device.
  • the liquid end of the capillary tube forms both the discharge electrode for the corona discharge and ensures the electrospray effect.
  • the device according to the invention comprises means for decontaminating the collection electrode between two capture cycles, for example between two cycles of pathogen capture, thus making the device reusable.
  • the capillary tube 12 and the electrospray effect are used to water the inner wall of the collection electrode 16 with a suitable fluid, for example bleach, which is a highly conductive aqueous solution.
  • a suitable fluid for example bleach, which is a highly conductive aqueous solution.
  • Decontamination with bleach can be carried out very simply at the same operating point as the collection, by applying the same values of voltage difference, the same liquid flow and the same distance G.
  • a solenoid valve is located between the upstream end 12.2 of the capillary tube and controls the supply of fluid depending on the desired cycle, either to perform a collection cycle, or to perform a cycle of decontamination.
  • the variation of the flow rate Db within the collection device according to the invention can be seen having a G / D ratio of 0.56 as a function of the voltage V applied to the collection electrode (the discharge electrode being the mass), the flow rate results from the flow obtained by the corona discharge and the structure according to the invention.
  • the measurements are made in the case where the liquid is PBS 1X + 0.1% Triton X (curve I) and in the case where the liquid is salt water (curve II). Thanks to the invention, a flow rate of more than 2 l / min is obtained for a voltage at the collection electrode greater than or equal to 8kV.
  • Triton X Salt water and PBS 1X + 0.1% Triton X are two highly electrically conductive liquids. It is observed thanks to these measurements that the device is very robust to the change of liquid as soon as it is highly electrically conductive. The device can therefore be used with a large number of liquids, which makes its field of application very wide in terms of particles that can be collected.
  • the collection device according to the invention operates with a G / D ratio of 0.49 and a voltage difference of less than or equal to 9.5 kV.
  • Tables T1 and T2 show the sensor efficiency of the device according to the invention.
  • an isokinetic sampling rod connected to a particle counter is used, the assembly being placed downstream of the collection electrode and two measurement series are carried out.
  • a measurement series is performed with the collection device turned off and a series of measurements is performed with the collection device in operation.
  • N Off ⁇ N 0 where N 0 is the concentration of the aerosol in the ambient air.
  • Table T1 Average number of particles per liter of air for the collection device off ( ⁇ i> N ⁇ sub> Off ⁇ / sub> ⁇ /i>) and in operation ( ⁇ i> N ⁇ sub> On ⁇ / sub> ⁇ /i>) ⁇ /b> Voltage applied to the collection electrode State of the collection device Average number of particles per liter of air collected cane having a size between 0.25-0.28 ⁇ m 0.35-0.40 ⁇ m 0.70-0.80 ⁇ m 3.5-4 ⁇ m 10 kV N Off 136192 625925 405650 2900 N On 7 8 0 0 7 kV N Off 127727 406263 351969 2670 N On 470 247 331 0 4 kV N Off 127727 180183 232885 827 N On 470 394 531 1
  • Table T2 summarizes the efficiencies for some ranges of particle diameter collected. Efficiency values similar to those presented in this table T2, that is to say very close to 1, are also recorded for the other measurement channels.
  • Table T2 Some Capture Efficiency Values ⁇ / b> Voltage applied to the collection electrode Measured airflow (l / min) Total air flow (L / min) 0.25-0.28 ⁇ m Efficiency (%) 0.35-0.40 ⁇ m Efficiency (%) 0.70-0.80 ⁇ m Efficiency (%) 3.5-4 ⁇ m Effectiveness (%) Average efficiency (%) 10 kV 3.7 ⁇ 0.2 4.9 ⁇ 0.2 99.99 99.99 100 100 99.99 7kV 1.8 ⁇ 0.2 3 ⁇ 0.2 99.83 99.93 99,90 100 99.93 4kV 0.2 ⁇ 0.2 1.4 ⁇ 0.2 99.63 99.78 99.77 99.9 99.83
  • the flow measured is that indicated by a flow meter downstream of the rod.
  • the total flow rate is equal to the sum of the flow rate measured by the flowmeter and the suction flow rate of the particle counter (1.2 l / min).
  • the produced airflow and the capture voltage are coupled as shown by the figure 3A so that at 4 kV, potential for which the corona discharge does not appear, the air entrainment produced by the collection device according to the invention is almost zero.
  • the device may include a plurality of capillary tubes to increase the flow of liquid sprayed on the inner wall of the collection electrode. This allows runoff of the particles collected along the collection electrode 16.
  • the device comprises a deflector guiding the sprayed drops to the collection electrode.
  • this deflector 22 is a metal ring disposed around the capillary tubes 12 at their downstream ends 12.1.
  • the deflector 22 is at the same electrical potential as the tips of the capillaries.
  • the deflector 22 Since the deflector 22 is polarized in the same way as the ends of the capillaries, field lines are formed between this deflector 22 and the counter electrode 18. These field lines act as an electrostatic channel and force the droplets to move towards the counter-electrode 16. In the absence of such a deflector, the drops, which have the same polarity, would tend to repel each other, which would give a divergent beam of drops. With the deflector, the field lines formed by between the deflector and the counter-electrode exert a repulsive force on the drops, so that the drops are held in the conical envelope formed by the field lines.
  • the collection electrode 16 is, in the example shown, formed by a metal tube. Preferably, the edges of the longitudinal ends are rounded to reduce the risk of generating electric shocks.
  • This collection electrode may be made of any conductive material, such as a metallic material or non-metallic materials such as a gel or a conductive membrane whose electrical potential is fixed by the electrical means accompanying the device. These supports non-metallic may be for example a biological culture medium, so the electrode is directly favorable to the culture of microorganism.
  • the collection device according to the invention is particularly suitable for the use of collection electrode directly forming a culture medium.
  • the electrospray spraying obtained by virtue of the invention advantageously ensures the humidification of the culture medium during the collection to avoid drying out and increases the total duration of sampling. It has been found that the drying of the culture medium limits the total duration of sampling, generally to about ten minutes.
  • the collection electrode may also consist of an annular support or electrically conductive cylinder and covered with a thin electrical insulator, typically less than 500 ⁇ m thick.
  • the liquid ejected by electrospray is for example water.
  • an aqueous solution favorable to survival and / or the culture of microorganisms such as for example saline, a solution of phosphate buffered saline (buffered phosphate saline or PBS), an aqueous solution containing at least one antioxidant.
  • the discharge electrode may have the shape of one or more points, in order to increase the flow of air entrained.
  • the collection device can of course be associated with means for analyzing the collected particles and being in the liquid phase on the collection electrode.
  • the analysis means generally used in the field of analysis of airborne particles are suitable and will not be described in detail here.
  • a collection device with a high compactness and extremely low power consumption, for example of the order of 400 mW.
  • This one can thus be integrated in a portable case of the order of 10 cm 3 adapted to a nomadic use for the detection of pathogens in the most diverse contexts: hospital, industrial (biomedical, agronomy %) or for the fight against bioterrorism.

Landscapes

  • Electrostatic Spraying Apparatus (AREA)
  • Electrostatic Separation (AREA)

Description

    DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
  • La présente invention se rapporte à un dispositif électrostatique de collecte de particules en suspension dans un milieu gazeux, plus particulièrement dans l'air.
  • La détection et l'analyse des particules présentes dans l'air ambiant constituent une préoccupation actuelle majeure, que ce soit pour la surveillance de l'environnement avec la présence dans l'air ambiant de nanoparticules produites par l'activité humaine, des problématiques de santé avec un besoin évident de protéger les populations des agents pathogènes aéroportés (légionelles, grippe, etc.) et des enjeux de sécurité (détection d'attaques biologiques).
  • Des dispositifs de capture électrostatique de particules aéroportées, appelés électrofiltres, servent par exemple à purifier l'air. Il existe également des dispositifs électrostatiques de collecte et d'analyse des particules. Ces dispositifs montrent une grande efficacité dans la collecte de particules submicroniques.
  • Parmi ces dispositifs, certains reposent sur l'utilisation d'un champ électrique intense pour créer un effet de décharge couronne (en anglais corona discharge) ; ils sont couramment appelés électrofiltres ou précipitateurs électrostatiques.
  • Un électrofiltre (Electrostatic Precipitator en anglais, abbréviation ESP) est un appareil qui collecte les particules présentes dans un gaz en appliquant un champ électrique sur une trajectoire des particules en suspension dans ce gaz. Plus exactement, ce champ électrique élevé (plusieurs milliers à dizaines de milliers de volts par centimètre au voisinage de l'électrode de décharge) est induit par deux électrodes disposées à proximité l'une de l'autre : une première électrode polarisée ou électrode de décharge, généralement en forme de fil ou de pointe, étant disposée en regard d'une deuxième électrode, cette dernière se présentant sous la forme d'une contre-électrode, généralement de géométrie plane ou cylindrique. Le champ électrique existant entre les deux électrodes ionise le volume de gaz situé dans l'espace inter-électrodes, et notamment une gaine ou couronne de gaz ionisé située autour de l'électrode de décharge. Ce phénomène est appelé décharge couronne. Les charges créées, en migrant vers la contre-électrode, chargent les particules à séparer contenues dans le gaz. Les particules chargées ainsi créées migrent alors vers la contre-électrode, sur laquelle elles peuvent être collectées. Cette contre-électrode est usuellement appelée électrode de collecte. Du fait du niveau du champ électrique requis, il est nécessaire d'utiliser une électrode de décharge qui a un très faible rayon de courbure. Les électrodes de décharge rencontrées sont donc généralement soit des pointes soit des fils.
  • Les électrofiltres utilisent les hautes tensions pour générer la décharge par effet couronne.
  • En outre, un électrofiltre comporte des moyens pour entraîner l'air de l'environnement à travers le dispositif et des moyens pour transférer des particules d'un milieu gazeux vers un milieu aqueux ou de culture.
  • Un tel dispositif est par exemple décrit dans le document WO 2007/012447 . L'électrode de décharge est formée par un fil disposé à l'intérieur de la contre-électrode cylindrique. Un tube assure une alimentation en vapeur entre l'électrode de décharge et la contre-électrode. Une pompe est prévue pour entrainer le mélange air et aérosol au travers du dispositif. Ce dispositif nécessite donc une pompe extérieure qui n'utilise pas la haute tension, ainsi qu'une alimentation en vapeur.
  • Des dispositifs utilisant le procédé d'électrospray ont également été décrits par exemple dans le document " An electrospray-based, ozone-free air purification technology", Gary Tepper and Al, Journal of Applied Physics, 102, 113305(2007 ). Le procédé d'électrospray permet de pulvériser un liquide en fines gouttelettes. Un dispositif mettant en oeuvre ce procédé comporte deux électrodes, formées pour l'une par un capillaire amenant le liquide à pulvériser et pour l'autre par une contre-électrode généralement plane. Les gouttes ainsi formées sont chargées électriquement et sont dispersées dans l'air contenant les particules à collecter, elles transfèrent leur charge aux particules polaires qui peuvent alors être attirées et ensuite collectées par la contre-électrode. Ce dispositif comporte un ventilateur pour faire circuler l'air à travers le dispositif. Ce ventilateur n'utilise pas la haute tension. Un dispositif comportant les caractéristiques du préambule de la revendication 1 est décrit dans le document US2009/0235817A1 .
  • Ces dispositifs présentent un encombrement spatial important du fait de la nécessité d'utiliser un ventilateur ou une pompe pour la circulation de l'air. En outre, ils requièrent l'utilisation de hautes tensions soit pour générer la décharge couronne, soit pour mettre en oeuvre le procédé d'électrospray, et une autre source de tension pour alimenter la pompe ou le ventilateur.
  • De plus, dans le cas de la collecte de particules aéroportées en vue de leur analyse, les particules généralement collectées à la surface d'une électrode doivent être récupérées. Pour cela, un milieu de culture peut être déposé à la surface de l'électrode de collecte ou en aval de cette dernière.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif de collecte de particules contenues dans un gaz d'encombrement réduit et de réalisation simplifiée par rapport aux dispositifs de l'état de la technique.
  • Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif de collecte, dont l'alimentation en liquide est configurée pour générer à la fois la décharge couronne et le procédé électrospray.
  • La décharge couronne charge les particules à séparer en vue de leur capture sur l'électrode de collecte. Elle permet également la génération d'un vent ionique permettant l'entrainement de l'air à travers le dispositif.
  • Le procédé d'électrospray génère des gouttelettes chargées, ce qui renforce l'efficacité de capture. Il assure en outre le mouillage de l'électrode ce qui permet de retenir les particules à la surface de l'électrode de collecte, ou, au-delà d'un certain débit, le ruissellement les particules le long de l'électrode de collecte en vue de leur évacuation ou leur analyse.
  • Ainsi, le dispositif de collecte ne requiert plus de pompe ni ventilateur pour assurer l'entraînement de l'air ou plus généralement du gaz à travers le dispositif, il ne nécessite pas non plus de moyens particuliers pour assurer le transfert du milieu gazeux au milieu liquide. En outre, les moyens de génération de la décharge couronne et les moyens pour pulvériser le liquide par électrospray utilisent tous deux des hautes tensions.
  • De plus, le faible encombrement du dispositif le rend compatible avec une utilisation portable.
  • Ainsi, les moyens mis en oeuvre pour générer la décharge couronne et ceux pour obtenir l'électrospray sont confondus, et la goutte de liquide polarisé située à l'extrémité du capillaire en vue de sa pulvérisation par électrospray forme la pointe de l'électrode de décharge pour la décharge couronne.
  • En d'autres termes, on réalise un dispositif de collecte de particules utilisant comme seule force motrice la force électrique pour réaliser les fonctions d'entrainement de gaz, de collecte de particules, de transfert de la phase gazeuse à la phase aqueuse de l'échantillon. Pour cela, on associe la décharge couronne et l'électrospray, ce qui permet d'offrir un dispositif de collecte simplifié ne nécessitant pas de modules annexes, tels qu'une pompe, un ventilateur, etc. nécessaires au fonctionnement des dispositifs de collecte de l'état de la technique.
  • Avantageusement, une fonction de décontamination de l'électrode peut également être réalisée en dehors des phases de collecte des particules, pour cela un liquide apte à décontaminer la surface de la conte-électrode est pulvérisé par électrospray.
  • La présente invention a alors pour objet un dispositif de collecte de particules dans un flux gazeux comportant :
    • une chambre de collecte, comportant une électrode de collecte,
    • des moyens d'admission du flux gazeux dans la chambre de collecte,
    • au moins un tube capillaire dont une première extrémité débouche en amont de l'électrode de collecte dans le sens d'écoulement du flux gazeux à travers la chambre de collecte et une deuxième extrémité est destinée à être reliée à un réservoir de liquide,
    • des moyens de polarisation dudit liquide dans le tube capillaire, de sorte à imposer une différence de potentiel entre le liquide à ladite première extrémité du tube capillaire et l'électrode de collecte, pour provoquer la décharge couronne et la pulvérisation du liquide par électrospray en direction de l'électrode de collecte.
  • Le dispositif de collecte peut également comporter des moyens d'évacuation dudit flux gazeux de la chambre de collecte, lesdits moyens d'évacuation étant situés en aval de ladite électrode de collecte.
  • Dans un exemple avantageux, la chambre de collecte est cylindrique, et l'électrode de collecte a une forme cylindrique correspondante. La chambre de collecte peut alors être tubulaire et l'électrode de collecte peut présenter une forme annulaire dont le diamètre intérieur est sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre de collecte.
  • Le rapport de la distance entre la première extrémité du tube capillaire et l'électrode de collecte sur le diamètre intérieur de l'électrode de collecte est avantageusement compris dans l'intervalle [0,5 ; 0,75], avantageusement égal à 0,56.
  • Par exemple, la chambre de collecte comporte une paroi latérale tubulaire et deux fonds formant des extrémités longitudinales, et les moyens d'admission sont formés par des orifices traversant la paroi latérale du côté d'une première extrémité longitudinale et les moyens d'évacuation sont formés dans le fond situé au niveau d'une deuxième extrémité longitudinale.
  • La différence de tension appliquée entre le liquide à la première extrémité du tube capillaire et l'électrode de collecte est comprise dans l'intervalle [8 kV ; 10 kV].
  • Dans un exemple de réalisation, la surface intérieure du tube capillaire est avantageusement au moins en partie en matériau conducteur électrique et forme les moyens de polarisation du liquide qu'il contient.
  • Dans un autre exemple de réalisation, le tube capillaire est en matériau isolant électrique et les moyens de polarisation sont formés par une électrode de polarisation située à l'intérieur du tube capillaire.
  • Dans un autre exemple de réalisation, les moyens de polarisation sont situés en amont du tube capillaire.
  • Le dispositif peut comporter, de manière avantageuse, des moyens de décontamination par pulvérisation de l'électrode de collecte formés par le tube capillaire, ledit tube capillaire étant apte à être connecté par sa deuxième extrémité à un réservoir d'un liquide de décontamination apte à être pulvérisé par électrospray, par exemple de l'eau de javel.
  • Selon une caractéristique additionnelle, l'électrode de collecte peut être formée par un milieu de culture biologique pour les particules collectées.
  • Selon une autre caractéristique additionnelle, le dispositif de collecte peut comporter une pluralité de tubes capillaires parallèles. De préférence, le dispositif de collecte comporte alors un déflecteur entourant les extrémités des tubes capillaires débouchant dans la chambre de collecte, ledit déflecteur étant destiné à guider les gouttelettes formées par électrospray. Par exemple, le déflecteur est formé par un anneau métallique au même potentiel que le liquide.
  • La présente invention a également pour objet un système de collecte comportant un dispositif de collecte selon l'invention et des moyens d'alimentation à des hautes tensions pour appliquer la ou les différences de tension.
  • Ce système peut être avantageusement portable.
  • Le système peut comporter un générateur de vent ionique connecté à ladite chambre de collecte pour augmenter le débit de flux gazeux traversant la chambre de collecte, ledit générateur de vent ionique comportant une électrode de décharge et une contre-électrode.
  • La présente invention a également pour objet un système de collecte et d'analyse comportant uns système de collecte selon l'invention et des moyens d'analyse des particules capturées par l'électrode de collecte, lesdits moyens d'analyse étant situés en aval de ladite électrode de collecte.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexes sur lesquels :
    • la figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif de collecte,
    • la figure 2A est une représentation graphique du débit Db d'air à travers le dispositif en fonction de la différence de tension V appliquée entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte pour une solution aqueuse comportant un tampon salin de PBS (Phosphate Buffered Saline)1X et un surfactant de type Triton X100 à 0,1 %, pulvérisée et pour de une solution aqueuse de Chlorure de Sodium pulvérisée,
    • la figure 2B est une représentation graphique du courant I à travers le dispositif en fonction de la différence de tension V appliquée entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte pour une solution aqueuse comportant un tampon salin de PBS (Phosphate Buffered Saline)1X et un surfactant de type Triton X100 à 0,1 %, pulvérisée et pour de une solution aqueuse de Chlorure de Sodium pulvérisée,
    • la figure 3A est une représentation graphique du débit Db d'air à travers le dispositif en fonction de la différence de tension V appliquée entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte pour différentes valeurs du rapport G/D,
    • la figure 3B est une représentation graphique du courant I à travers le dispositif en fonction de la différence de tension V appliquée entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte pour différentes valeurs du rapport G/D,
    • la figure 4 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'une électrode de décharge à plusieurs capillaires,
    • la figure 5 est un cliché de l'ionisation de l'air au bout de la goutte d'eau, à l'extrémité du capillaire, formant alors une électrode de décharge en forme de pointe.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • Sur la figure 1, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif de collecte selon l'invention représenté de manière schématique.
  • La description qui suit prend comme exemple la collecte de particules contenues dans l'air, désignées également particules aéroportées. Il sera compris que l'invention s'applique à la collecte de particules contenues dans tout milieu gazeux.
  • Le dispositif comporte un corps 2 formé dans l'exemple représenté par un tube, délimitant une chambre de collecte 4, des moyens d'admission 6 de l'air dans la chambre 4 et des moyens d'évacuation 8 de l'air de la chambre 4.
  • Le tube 2 présente un axe longitudinal X; et est muni d'une extrémité longitudinale amont 2.1 et d'une extrémité longitudinale aval 2.2. Les termes " amont " et " aval " sont considérés par rapport au sens de l'écoulement du gaz traité à travers le dispositif qui est symbolisé par la flèche F, le gaz traité s'écoulant de l'amont vers l'aval.
  • Le dispositif comporte également des moyens pour générer un effet couronne à l'intérieur de la chambre 4, et des moyens pour pulvériser un liquide par électrospray, désignés par la suite " moyens d'électrospray ".
  • Dans l'exemple représenté et de manière particulièrement avantageuse, les moyens 10 de génération de la décharge couronne et les moyens d'électrospray sont confondus. Nous désignerons ces moyens par des moyens de collecte 10.
  • Les moyens de collecte 10 comporte un tube capillaire 12 disposé, dans l'exemple représenté, coaxial à l'axe X et monté à travers un fond 14 de l'extrémité amont 2.1 du tube 2.
  • Le tube capillaire 12 comporte une extrémité 12.1 aval débouchant dans la chambre 4 et une extrémité amont 12.2 destinée à être raccordée à une alimentation en liquide. Le liquide est destiné à être pulvérisé par électrospray. L'alimentation en liquide est par exemple obtenue au moyen d'un pousse-seringue ou d'une pompe.
  • La goutte de liquide 20 présente à l'extrémité aval 12.1 du tube capillaire 12 forme la pointe d'une électrode de décharge.
  • Le tube capillaire 12 peut être monté mobile le long de l'axe X de sorte à permettre le réglage axial de la position de son extrémité aval 12.1 par rapport à une électrode de collecte 16 qui sera décrite ci-dessous. L'électrode de décharge est située en amont de l'électrode de collecte.
  • Les moyens de collecte comportent également des moyens de polarisation du liquide circulant dans le tube capillaire 12 en vue de sa pulvérisation. Dans l'exemple représenté, les moyens de polarisation sont formés directement par le tube capillaire 12 qui est en matériau conducteur électrique et qui est relié à une source de tension. Cette réalisation présente l'avantage de réduire encore le nombre d'éléments mis en oeuvre dans l'invention.
  • Avantageusement le tube capillaire est relié à la masse pour éviter tout court-circuit avec des éléments extérieurs.
  • En variante, on peut prévoir que le tube capillaire 12 soit en matériau isolant électrique et qu'une électrode reliée à la source de tension soit disposée à l'intérieur du tube en amont ou au niveau de l'extrémité 12.1 du tube. L'électrode est par exemple sous la forme d'un fil s'étendant suivant l'axe du tube capillaire 12 ou est fixée sur la paroi intérieure du tube capillaire. En variante encore, on peut envisager de polariser le liquide avant son entrée dans le tube capillaire 12.
  • Les moyens de collecte comportent également une contre-électrode 16, aussi appelée électrode de collecte, disposée en aval de l'extrémité aval 12.1 du tube capillaire 12. L'électrode de collecte 16 est creuse. Elle s'étend le long de la direction d'écoulement et comporte selon cette direction une première extrémité et une deuxième extrémité, les première et deuxième extrémités étant situées en aval de l'extrémité 12.1 du tube capillaire 12.
  • La contre-électrode 16 a, dans l'exemple représenté, la forme de cylindre à section circulaire montée dans le tube 2. De manière avantageuse, le diamètre intérieur de la contre-électrode 16 est sensiblement égal au diamètre intérieur du corps 2 pour réduire les discontinuités de diamètre sur le trajet du flux d'air. La surface intérieure de la chambre 4 est donc sensiblement continue. De préférence, la forme de l'électrode de collecte correspond à une partie au moins de la surface intérieure du tube.
  • La surface intérieure 16.1 de la contre-électrode 16 forme la surface de collecte des particules. La contre-électrode est reliée à une source de haute tension.
  • La contre-électrode 16 peut prendre des formes différentes d'un cylindre de révolution. Elle peut notamment se présenter sous la forme d'une ou de plusieurs plaques, entre lesquels débouchent des capillaires. Elle peut encore avoir la forme d'une portion de cylindre, telle qu'un demi-cylindre.
  • Les moyens d'admission 6 comportent des orifices réalisés dans le tube entre l'extrémité amont 2.1 du tube et l'extrémité aval du tube capillaire 12.
  • Les moyens d'évacuation sont situés à l'opposé de moyens d'admission 6 par rapport à l'extrémité aval 12.1 du tube capillaire 12.
  • La position relative du bord de la goutte de liquide 20 située à l'extrémité aval 16 est telle que la distance G séparant l'extrémité aval 12.1 du tube capillaire et l'extrémité amont de la contre-électrode est non nulle.
  • Le fonctionnement de ce dispositif va maintenant être décrit.
  • Du liquide, par exemple de l'eau, est injecté dans le tube capillaire 12 au moyen d'un pousse-seringue, une goutte de liquide 20 se forme alors à l'extrémité aval 12.1 du tube capillaire 12.
  • Une haute tension est ensuite appliquée à la contre-électrode 16, tandis que le tube capillaire 12 est à la masse. La goutte 20 est donc polarisée puisque le tube capillaire est conducteur électrique. Le capillaire 12 forme une aiguille, à l'extrémité de laquelle la goutte 20 forme une pointe, présentant une forte courbure (ou un faible rayon de courbure). Une décharge couronne apparaît alors au voisinage de la goutte 20 lorsque le champ électrique atteint une valeur critique, cette décharge au bout de la goutte 20 est visible sur le cliché de la figure 5. De façon connue, la décharge couronne génère une poche de gaz ionisé au voisinage de l'électrode de décharge. Un vent unipolaire d'ions et de particules chargées se développe au niveau de la goutte vers la contre-électrode 16 sous l'effet de la force de Coulomb. L'entraînement de l'air se fait par transfert de quantité de mouvement entre ces particules chargées et les particules et molécules neutres de l'air.
  • Du fait de la position de la goutte 20 à distance et en amont de la contre-électrode 16, il y a effectivement un entraînement de l'air des moyens d'admission 6 vers les moyens d'évacuation 8, autrement dit de l'amont vers l'aval. Ainsi, les particules sont entraînées vers la contre-électrode 16. Il apparaît alors un phénomène d'aspiration de l'air vers l'intérieur de la chambre 4 et un écoulement selon la flèche F. L'électrode de décharge et l'électrode de collecte 16 forment ainsi un générateur de flux d'air.
  • Les ions produits par la décharge, en migrant vers la contre-électrode, chargent les particules à séparer. Les particules chargées ainsi créées migrent alors vers la contre-électrode 16, sur laquelle elles peuvent être collectées.
  • Simultanément, la goutte de liquide 20 située à l'extrémité aval du tube capillaire 12, qui forme la pointe de l'électrode de décharge, est soumise à des forces électrostatiques qui tendent à l'arracher du tube, formant alors un electrospray. La goutte 20 est arrachée de l'extrémité aval 12.1 du tube capillaire 12 lorsque les forces électrostatiques surpassent les forces capillaires, ces dernières tendant à maintenir le liquide dans le capillaire. Ainsi, les forces électrostatiques déforment la goutte jusqu'à l'arracher de l'extrémité aval 12.1 du capillaire 12. La goutte 20 est alors pulvérisée en gouttelettes de tailles micrométriques ou nanométriques en direction de l'électrode de collecte 16. Les gouttelettes ainsi formées sont chargées électriquement et sont dispersées dans l'air contenant les particules à collecter, elles capturent les particules circulant dans l'espace inter électrode. Ces dernières sont alors entraînées vers l'électrode de collecte 16 et ensuite collectées par celle-ci.
  • Les gouttelettes impactent alors l'électrode de collecte 16, ce qui a pour effet de mouiller la surface de l'électrode de collecte 16 et de former un film de liquide sur l'électrode, ce qui assure le transfert des particules de la phase gazeuse à la phase liquide.
  • En outre, le fait que l'électrode de collecte 16 soit mouillée améliore la capture des particules. En effet, cela évite qu'elles ne soient réentraînées par l'écoulement d'air.
  • Par ailleurs, lorsque le débit est suffisant, ce film de liquide permet de récupérer les particules par ruissellement le long de l'électrode de collecte, en vue de leur analyse ou de leur évacuation.
  • Enfin le film de liquide peut servir de milieu de culture pour les particules biologiques.
  • Par exemple dans le cas de l'utilisation du_dispositif pour effectuer la capture d'agents biologiques potentiellement pathogènes dans l'air (virus, bactéries, etc.), on utilise comme liquide destiné à être pulvérisé un liquide favorable à la survie de micro-organismes, comme par exemple une solution aqueuse comprenant un tampon salin de PBS 1X et un surfactant Triton X à 0,1 %.
  • La collecte des particules est donc réalisée à la fois par effet couronne et les gouttelettes formées par électrospray. La production d'ozone est donc réduite par rapport à un dispositif de collecte ne mettant en oeuvre que la décharge couronne.
  • La combinaison de ces deux effets est particulièrement avantageuse puisque, outre la collecte des particules, elle permet de générer un flux d'air à travers le dispositif, sans module supplémentaire, et d'assurer le transfert de la phase gazeuse à la phase liquide.
  • On obtient donc un dispositif entièrement intégré.
  • De manière préférée, la différence de potentiel appliquée est comprise entre 8 kV et 10 kV.
  • Pour une différence de potentiel comprise entre 8 kV et 10 kV, les gouttelettes pulvérisées sont suffisamment défléchies pour qu'elles atteignent l'électrode de collecte et s'écrasent sur la surface intérieure de l'électrode de collecte et forment un film de liquide sur la surface intérieure de l'électrode de collecte. Cet intervalle de potentiel assure une collecte maximale des particules.
  • Dans le cas d'une différence de potentiel trop faible, par exemple entre 3 kV et 8 kV, des gouttelettes ne sont pas assez défléchies, elles traversent l'électrode de collecte et viennent s'écraser sur la paroi intérieure du tube en aval de l'électrode de collecte. Ces particules ne sont alors pas collectées.
  • Considérant D le diamètre intérieur de l'électrode de collecte 16. Le rapport G/D est supérieur ou égal à 0,2, de préférence supérieur à 0,5. De manière préférentielle le rapport G/D est tel que : 0,5 ≤ G/D ≤ 0,75, et de manière encore préférée G/D est proche de 0,5, par exemple égale à 0,56. Ces valeurs de rapport G/D est favorable à l'apparition d'un vent ionique exploitable.
  • Si le rapport G /D est choisi trop faible, par exemple inférieure ou égal à 0,49, la déflexion d'au moins une partie des gouttelettes peut être trop importante, celles-ci viennent alors s'écraser sur l'extrémité amont de l'électrode de collecte, le liquide peut s'accumuler. Ce liquide forme alors un prolongement de l'électrode de collectes vers l'électrode de décharge, ce qui peut avoir pour effet de réduire la distance entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte, pouvant provoquer la formation d'arcs électriques. La longueur de la goutte est donc prise en compte dans le dimensionnement du dispositif.
  • Dans l'exemple représenté et de manière préférée, l'extrémité liquide du tube capillaire forme à la fois l'électrode de décharge pour la décharge couronne et assure l'effet d'électrospray.
  • De manière avantageuse, le dispositif selon l'invention comporte des moyens pour assurer la décontamination de l'électrode de collecte entre deux cycles de capture, par exemple entre deux cycles de capture de pathogène, rendant ainsi le dispositif réutilisable.
  • De manière particulièrement avantageuse, on utilise le tube capillaire 12 et l'effet électrospray pour arroser la paroi interne de l'électrode de collecte 16 avec un fluide adapté, par exemple de l'eau de Javel, qui est une solution aqueuse fortement conductrice.
  • La décontamination à l'eau de javel peut être réalisée très simplement au même point de fonctionnement que la collecte, en appliquant les mêmes valeurs de différence de tension, le même débit liquide et une même distance G. Par exemple, une électrovanne est située entre l'extrémité amont 12.2 du tube capillaire et commande l'alimentation en fluide en fonction du cycle souhaité, soit pour effectuer un cycle de collecte, soit pour effectuer un cycle de la décontamination.
  • Sur la figure 2A, on peut voir la variation du débit Db au sein du dispositif de collecte selon l'invention présentant un rapport G/D de 0,56 en fonction de la tension V appliquée à l'électrode de collecte (l'électrode de décharge étant à la masse), le débit résulte du flux obtenu par la décharge couronne et la structure selon l'invention. Les mesures sont faites dans le cas où le liquide est du PBS 1X + Triton X à 0,1% (courbe I) et dans le cas où le liquide est de l'eau salée (courbe II). Grâce à l'invention on obtient un débit de plus de 2 l/min pour une tension à l'électrode de collecte supérieure ou égale à 8kV.
  • Sur la figure 2B, on peut voir la variation du courant I au sein du dispositif de collecte selon l'invention en fonction de la tension V appliquée à l'électrode de collecte. Les mesures sont faites dans le cas où le liquide est PBS 1X + Triton X à 0,1% (courbe I') et dans le cas où le liquide est de l'eau salée (courbe II').
  • L'eau salée et le PBS 1X + Triton X à 0,1% sont deux liquides fortement conducteurs électriques. On observe grâce à ces mesures que le dispositif est très robuste au changement de liquide dés lors qu'il est fortement conducteur électrique. Le dispositif peut donc être utilisé avec un grand nombre de liquides, ce qui rend son domaine d'application très large en termes de particules pouvant être collectées.
  • A titre d'exemple, pour un dispositif ayant la structure de la figure 1 et dont le corps mesure 100 mm et le diamètre intérieur est égal à 10 mm, ainsi que le diamètre intérieur de l'électrode de collecte, il a été mesuré que, en choisissant le point de fonctionnement suivant :
    • en polarisation du dispositif à 10 kV,
    • pour un rapport G/D = 0,56,
    • un débit de liquide de 5 µl/min,
    on obtient un débit d'air de 4,2 l/min, une efficacité de capture moyenne de 99,99%, et un arrosage de la paroi interne de l'électrode de collecte, pour une consommation électrique de 400 mW, ce qui est très faible.
  • Grâce à l'invention, on peut obtenir simultanément un entraînement d'air élevé, une capture efficace et un arrosage suffisant de l'électrode de collecte avec une consommation électrique faible tout en écartant la formation d'arcs électriques.
  • Sur les figures 3A et 3B, on peut voir les variations de débit et de courant en fonction de la tension appliquée pour différentes rapport G/D. Plus G/D est petit, donc plus G est petit à diamètre constant, plus le débit Db est important. En revanche, on constate que pour le rapport G/D = 0,49 la consommation électrique est sensiblement plus importante. En outre, lorsque G/D = 0,49, la courbe de la figure 3B ne présente pas de point de mesure à 10 kV car des arcs électriques se forment pour des valeurs de tensions supérieures à 9,5 kV du fait de la proximité entre l'extrémité du capillaire et l'électrode de collecte.
  • Néanmoins le dispositif de collecte selon l'invention fonctionne avec un rapport G/D de 0,49 et une différence de tension inférieure ou égale à 9,5 kV.
  • Les tableaux T1 et T2 suivants montrent l'efficacité de capteur du dispositif selon l'invention. Pour cela, on utilise une canne de prélèvement isocinétique reliée à un compteur de particules, l'ensemble étant placé en aval de l'électrode collecte et deux séries de mesure sont effectuées.
  • Une série de mesure est effectuée avec le dispositif de collecte éteint et une série de mesures est effectuée avec le dispositif de collecte en fonctionnement.
  • L'efficacité de capture est calculée à partir du rapport du nombre de particules traversant le dispositif de collecte lorsqu'il fonctionne et lorsqu'il ne fonctionne pas, en considérant que la concentration de particules dans l'air est constante. η = 1 − N On N Off
    Figure imgb0001
     où η est l'efficacité de collecte, NOn le nombre de particules sortant du dispositif de collecte en fonctionnement et NOff le nombre de particules dans le dispositif de collecte éteint. Il est à noter que lorsque le dispositif de collecte est éteint, l'entrainement d'air est produit uniquement par l'aspiration du compteur de particules au débit de 1,2 l/min. Des valeurs de NOn et NOff pour quelques gammes de tailles de particules sont données dans le Tableau T1. Compte tenu du faible volume d'air contenu dans le dispositif (environ 6 cm3), on peut raisonnablement estimer que NOff ≈ N 0 où N 0 est la concentration de l'aérosol dans l'air ambiant. Tableau T1 Nombre moyen de particules par litre d'air pour le dispositif de collecte éteint (NOff ) et en fonctionnement (NOn )
    Tension appliquée à l'électrode de collecte Etat du dispositif de collecte Nombre moyen de particules par litre de d'air collecté la canne ayant une taille comprise entre
    0.25-0.28 µm 0.35-0.40 µm 0.70-0.80 µm 3.5-4 µm
    10 kV NOff 136192 625925 405650 2900
    NOn 7 8 0 0
    7 kV NOff 127727 406263 351969 2670
    NOn 470 247 331 0
    4 kV NOff 127727 180183 232885 827
    NOn 470 394 531 1
  • Le Tableau T2 regroupe les efficacités pour quelques gammes de diamètre de particules collectées. Des valeurs d'efficacité similaires à celles présentées dans ce tableau T2, c'est-à-dire très proches de 1, sont également relevées pour les autres canaux de mesure. Tableau T2 Quelques valeurs d'efficacité de capture
    Tension appliqué e à l'électrod e de collecte Débit d'air mesuré (l/min) Débit d'air total (L/min) 0,25-0,28 µm Efficacité (%) 0,35-0,40 µm Efficacité (%) 0,70-0,80 µm Efficacité (%) 3,5-4 µm Efficacit é (%) Efficacité moyenne (%)
    10 kV 3,7 ± 0,2 4,9 ± 0,2 99,99 99,99 100 100 99,99
    7kV 1,8 ± 0,2 3 ± 0,2 99,83 99,93 99,90 100 99,93
    4kV 0,2 ± 0,2 1,4 ± 0,2 99,63 99,78 99,77 99,9 99,83
  • Les résultats obtenus montrent une légère dépendance de l'efficacité de capture à la taille des particules : plus celles-ci sont petites, plus elles sont difficiles à capturer même si l'efficacité reste proche de 100 %.
  • La combinaison d'un electrospray et d'une décharge couronne permet d'atteindre une efficacité de collecte optimale.
  • Dans le Tableau T2, pour chaque tension, deux débits d'air sont donnés.
  • Le débit mesuré est celui indiqué par un débitmètre en aval de la canne. Le débit total est égal à la somme du débit mesuré par le débitmètre et du débit d'aspiration du compteur de particules (1,2 l/min). Le débit d'air produit et la tension de capture sont couplés comme cela est montré par la figure 3A si bien qu'à 4 kV, potentiel pour lequel la décharge couronne n'apparaît pas, l'entrainement d'air produit par le dispositif de collecte selon l'invention est quasi nul. Ces résultats montrent l'effet du dispositif de collecte selon l'invention sur l'entraînement de l'air à travers la chambre de collecte.
  • Dans un autre mode de réalisation, le dispositif peut comporter plusieurs tubes capillaires afin d'augmenter le débit de liquide pulvérisé sur la paroi intérieure de l'électrode de collecte. Cela permet un ruissellement des particules collectées le long de l'électrode de collecte 16.
  • De préférence, dans le mode de réalisation utilisant plusieurs capillaires, le dispositif comporte un déflecteur guidant les gouttes pulvérisées vers l'électrode de collecte.
  • Sur la figure 4, on peut voir un exemple de ce déflecteur 22. Il s'agit d'un anneau métallique disposé autour des tubes capillaires 12 au niveau de leurs extrémités aval 12.1. Le déflecteur 22 est au même potentiel électrique que les pointes des capillaires.
  • Le déflecteur 22 étant polarisé de la même façon que les extrémités des capillaires, des lignes de champ se forment entre ce déflecteur 22 et la contre-électrode 18. Ces lignes de champ agissent comme un canal électrostatique et contraignent les gouttelettes à se diriger vers la contre-électrode 16. En l'absence d'un tel déflecteur, les gouttes, qui ont la même polarité, auraient tendance à se repousser les unes des autres, ce qui donnerait un faisceau de gouttes divergent. Avec le déflecteur, les lignes de champ formées par entre le déflecteur et la contre-électrode exercent une force répulsives sur les gouttes, de telle manière que les gouttes sont maintenues dans l'enveloppe conique formées par les lignes de champ.
  • L'électrode de collecte 16 est, dans l'exemple représenté, formé par un tube métallique. De préférence, les bords des extrémités longitudinales sont arrondis pour réduire les risques de générer des décharges électriques. Cette électrode de collecte peut être réalisée en tout matériau conducteur, comme un matériau métallique ou des matériaux non métalliques tel qu'un gel ou une membrane conductrice dont le potentiel électrique est fixé par les moyens électriques accompagnant le dispositif. Ces supports non métalliques peuvent être par exemple un milieu de culture biologique, ainsi l'électrode est directement favorable à la culture de micro-organisme.
  • L'utilisation de tels supports est par exemple décrite par M. Sillanpää et col. (2007) M. Sillanpää, M. D. Geller, H. C. Phuleria, C. Sioutas, High collection efficiency electrostatic precipitator for in vitro cell exposure to concentrated ambient particulate matter (PM), Aerosol Science 39 (2007) pp. 335-347 .
  • Le dispositif de collecte selon l'invention est particulièrement adapté à l'utilisation d'électrode de collecte formant directement un milieu de culture. En effet la pulvérisation par électrospray obtenue grâce à l'invention assure avantageusement l'humidification du milieu de culture pendant la collecte pour éviter son desséchement et augmente la durée totale de prélèvement. Il a été constaté que le desséchement du milieu de culture limite la durée totale de prélèvement, généralement à une dizaine de minutes.
  • L'électrode de collecte peut également être constituée d'un support annulaire ou cylindre électriquement conducteur et recouvert d'un isolant électrique mince, typiquement épais de moins de 500 µm.
  • Le liquide éjecté par électrospray est par exemple de l'eau. De préférence, dans le cas de collecte de micro-organisme il s'agit d'une solution aqueuse favorable à survie et/ou la culture des micro-organismes tel que par exemple du sérum physiologique, une solution de tampon phosphate salin (phosphate buffered saline ou PBS), une solution aqueuse contenant au moins un antioxydant.
  • Dans un autre mode de réalisation, on peut envisager de mettre en série un dispositif de collecte selon l'invention et un générateur de vent ionique de type pointe-électrode annulaire. Dans ce dernier, l'électrode de décharge peut avoir la forme d'une ou de plusieurs pointes, afin d'augmenter le débit d'air entrainé.
  • Le dispositif de collecte peut bien entendu être associé à des moyens d'analyse des particules collectées et se trouvant en phase liquide sur l'électrode de collecte. Les moyens d'analyse généralement utilisés dans le domaine d'analyse des particules aéroportées conviennent et ne seront pas décrits en détail ici.
  • Ainsi, grâce à l'invention, on obtient un dispositif de collecte offrant une grande compacité et une consommation électrique extrêmement réduite, par exemple de l'ordre de 400 mW. Celui-ci peut donc être intégré dans un boitier portable de l'ordre de 10 cm3 adapté à une utilisation nomade pour la détection de pathogènes dans des contextes les plus divers : hospitaliers, industriels (biomédical, agronomie...) ou encore pour la lutte contre le bioterrorisme.

Claims (21)

  1. Dispositif de collecte de particules dans un flux gazeux comportant :
    - une chambre de collecte (4), comportant une électrode de collecte (16) de forme tubulaire,
    - des moyens d'admission (6) du flux gazeux dans la chambre de collecte (4),
    - au moins un tube capillaire (12) comportant une première extrémité (12.1) et une deuxième extrémité (12.2) destinée à être reliée à un réservoir de liquide,
    - des moyens de polarisation dudit liquide dans le tube capillaire (12), de sorte à imposer une différence de potentiel entre le liquide à ladite première extrémité (12.1) du tube capillaire (12) et l'électrode de collecte, pour provoquer la décharge couronne et la pulvérisation du liquide par électrospray en direction de l'électrode de collecte, caractérisé en ce que la première extrémité (12.1) du tube capillaire (12) débouche en amont de l'électrode de collecte (16) dans le sens d'écoulement du flux gazeux à travers la chambre de collecte.
  2. Dispositif de collecte selon la revendication 1, dans lequel la première extrémité (12.1) du tube capillaire débouche à une distance (G) non nulle, selon la direction de l'écoulement du gaz, d'une extrémité amont de l'électrode de collecte.
  3. Dispositif de collecte selon la revendication 2, dans lequel le rapport de la distance (G) entre la première extrémité (12.1) du tube capillaire (12) et l'extrémité amont de l'électrode de collecte (16) sur le diamètre intérieur (D) de l'électrode de collecte (16) est supérieur ou égal à 0,2.
  4. Dispositif de collecte selon la revendication 2, dans lequel le rapport de la distance (G) entre la première extrémité (12.1) du tube capillaire (12) et l'extrémité amont de l'électrode de collecte (16) sur le diamètre intérieur (D) de l'électrode de collecte (16) est supérieur ou égal à 0,5.
  5. Dispositif de collecte selon la revendication 2, dans lequel le rapport de la distance (G) entre la première extrémité (12.1) du tube capillaire (12) et l'extrémité amont de l'électrode de collecte (16) sur le diamètre intérieur (D) de l'électrode de collecte (16) est compris dans l'intervalle [0,5 ; 0,75].
  6. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la chambre de collecte (4) est tubulaire et le diamètre intérieur (D) de l'électrode de collecte est sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre de collecte (4).
  7. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 6, comportant des moyens d'évacuation (8) dudit flux gazeux de la chambre de collecte (4), lesdits moyens d'évacuation (8) étant situés en aval de ladite électrode de collecte.
  8. Dispositif de collecte selon la revendication 7, dans lequel la chambre de collecte (4) comporte une paroi latérale tubulaire et deux fonds formant des extrémités longitudinales, et dans lequel les moyens d'admission (6) sont formés par des orifices traversant la paroi latérale du côté d'une première extrémité longitudinale et les moyens d'évacuation (8) sont formés dans le fond situé au niveau d'une deuxième extrémité longitudinale.
  9. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la différence de tension appliquée entre la première extrémité (12.1) du tube capillaire (12) et l'électrode de collecte est comprise dans l'intervalle [8 kV ; 10 kV].
  10. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la surface intérieure du tube capillaire (12) est au moins en partie en matériau conducteur électrique et forme les moyens de polarisation du liquide qu'il contient.
  11. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le tube capillaire (12) est en matériau isolant électrique et les moyens de polarisation sont formés par une électrode de polarisation située à l'intérieur du tube capillaire (12).
  12. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les moyens de polarisation sont situés en amont du tube capillaire (12).
  13. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 12, comportant des moyens de décontamination par pulvérisation de l'électrode de collecte formés par le tube capillaire, ledit tube capillaire (12) étant apte à être connecté par sa deuxième extrémité (12.2) à un réservoir d'un liquide de décontamination apte à être pulvérisé par électrospray, par exemple de l'eau de javel.
  14. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel l'électrode de collecte (16) est formée par un milieu de culture biologique pour les particules collectées.
  15. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 14, comportant une pluralité de tubes capillaires (12) parallèles.
  16. Dispositif de collecte selon la revendication 15, comportant un déflecteur (22) entourant les extrémités des tubes capillaires (12) débouchant dans la chambre de collecte (4), ledit déflecteur (22) étant destiné à guider les gouttelettes formés par électrospray.
  17. Dispositif de collecte selon la revendication 16, dans lequel le déflecteur (22) est formé par un anneau métallique au même potentiel que le liquide.
  18. Système de collecte comportant un dispositif de collecte selon l'une des revendications 1 à 17 et des moyens d'alimentation à des hautes tensions pour appliquer la ou les différences de tension.
  19. Système de collecte selon la revendication 18, dans lequel le système est portable.
  20. Système de collecte selon la revendication 18 ou 19, comportant un générateur de vent ionique connecté à ladite chambre de collecte (4) pour augmenter le débit de flux gazeux traversant la chambre de collecte, ledit générateur de vent ionique comportant une électrode de décharge et une contre-électrode.
  21. Système de collecte et d'analyse comportant un système de collecte selon l'une des revendications 18 à 20 et des moyens d'analyse des particules capturées par l'électrode de collecte (16), lesdits moyens d'analyse étant situés en aval de ladite électrode de collecte (16).
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