FR3110457A1 - Dispositif pour la purification de l’air et procédé de fabrication d’un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de purification de l’air comprenant une entrée (1) d’air à purifier (A), un compartiment (2) incluant un élément de purification (4) destiné à être traversé par un flux d’air (B), et une sortie (3) d’air purifié (C). L’élément de purification (4) comprend des pores (410) et/ou des fibres (41) et présente une pluralité de surfaces de contact couvertes par un film (42, 402) composé d’un liquide ionique dans lequel est dissoute au moins une substance active. Le liquide ionique a une température de fusion inférieure ou égale à la température ambiante et est inerte vis-à-vis de la substance active. La substance active est spécifiquement choisie pour réagir avec un ou plusieurs composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air, de manière à le purifier, ladite substance active demeurant durablement dans le film (42, 402). L’invention concerne un procédé de fabrication d’un tel dispositif et un élément de purification. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1
Description
DOMAINE DE L’INVENTION
Le domaine général de la présente invention est celui de la purification de l’air, par le passage continu et répété de celui-ci au travers d’un élément de purification capable de réagir spécifiquement avec certains composants indésirables présents dans l’air, de manière à les éliminer ou les neutraliser.
Plus spécifiquement, l’invention concerne un dispositif de purification de l’air et un procédé de fabrication d’un tel dispositif. L’invention concerne en outre un élément de purification notamment adapté pour ledit dispositif.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Respirer un air de qualité à l’intérieur des espaces où vivent et évoluent les hommes, n’a jamais représenté un enjeu aussi important pour notre société que ces dernières années.
De plus en plus de travaux de recherche et d’études pointent du doigt les effets néfastes à plus ou moins court terme d’une qualité de l’air dégradée sur la santé, les performances intellectuelles et le confort des personnes qui évoluent dans des lieux confinés tels que les logements, les locaux professionnels, les établissements scolaires ou les moyens de transport.
Aux polluants déjà avérés problématiques pour l’homme tels que les Composés Organiques Volatils (COV), l’Ozone (O3), les particules fines (PM) ou le dioxyde d’azote (NO2) s’ajoutent les (nouvelles) menaces provenant des microorganismes, tels que des virus, survivant dans l’air.
On connaît les systèmes de ventilation type VMC (Ventilation Mécanique Contrôlée) ou VMI (Ventilation Mécanique par Insufflation) qui permettent de piéger les pollens et autres particules fines de l’air en faisant passer celui-ci au travers d’un élément de filtration.
Toutefois, ces systèmes sont inefficaces pour éliminer de l’air tous les autres types de polluants, notamment chimiques et biologiques.
Pour éliminer des polluants de types chimique ou biologique, il a déjà été imaginé d’imprégner un élément de filtration de l’air avec une phase liquide contenant des substances actives permettant de réagir avec lesdits polluants pour les éliminer.
Les techniques classiques d’imprégnation de surface avec des substances actives mettent en œuvre une phase liquide (aqueuse, organique, solvant) à forte volatilité dans laquelle sont dissoutes les substances actives. La surface est imprégnée avec cette phase liquide, qui est ensuite évaporée pour laisser les substances actives sur la surface.
Ces techniques d’imprégnation présentent l’inconvénient majeur de ne pas ancrer durablement les substances actives sur la surface : elles sont simplement adsorbées et finissent à terme par se décrocher de la surface, celle-ci perdant alors son efficacité de réaction avec les polluants de l’air.
Un procédé d’ancrage chimique peut être employé pour fixer durablement les substances actives sur la surface, mettant en œuvre une fonctionnalisation chimique de la surface.
Cela dit, outre son coût élevé et sa complexité, le procédé d’ancrage chimique peut affecter les propriétés des substances actives et ne permet de fixer sur la surface qu’une teneur finale relativement faible en substances actives.
Des procédés d’imprégnation durable d’un élément de filtration ont été imaginés, comme c’est par exemple le cas dans le document de brevet US5713971. Dans ce document, il est utilisé d’une part une phase liquide non-volatile à base de glycérol par exemple pour contenir les substances actives, et d’autre part un réservoir pour stocker cette phase liquide en communication avec l’élément de filtration et permettant l’imprégnation de celui-ci en continu par capillarité.
L’inconvénient majeur de ce procédé est qu’un nombre très limité de polluants peut être éliminé, correspondant à un nombre limité de substances actives compatibles avec la phase liquide non-volatile. A titre d’exemple, le glycérol qui est utilisé ne permet pas de dissoudre certaines substances ioniques.
L’utilisation d’un réservoir de phase liquide implique par ailleurs des risques de fuite de liquide et une complexité et un encombrement non négligeables, qui ne sont pas souhaitables si l’on désire intégrer un tel élément de filtration dans un dispositif de ventilation ou de climatisation par exemple.
Par ailleurs, ce document décrit un élément de filtration comprenant une pluralité de fibres creuses à l’intérieur desquelles la phase liquide non-volatile est dirigée par capillarité. Une majeure partie des substances actives se trouve donc à l’intérieur des fibres plutôt qu’exposée à l’air en surface des fibres. De fait, une faible proportion de substances actives est en contact avec l’air à purifier, ce qui réduit l’efficacité du dispositif de filtration.
Il n’existe actuellement pas de solution technique simple et efficace, permettant de purifier l’air de l’ensemble de ses polluants, de quelque nature qu’ils soient.
Ainsi, il semble qu’il existe un besoin pour un élément de filtration innovant, permettant d’éliminer, piéger ou neutraliser une large diversité de polluants, de manière simple, efficace et durable.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients précités.
Elle concerne en particulier un dispositif de purification de l’air comprenant un élément de purification imprégné d’au moins un liquide ionique dans lequel est dissoute au moins une substance active, et un procédé de fabrication d’un tel dispositif de purification de l’air.
Selon la présente invention, l’élément de purification comprend des fibres ou des pores et présente de fait une surface de contact augmentée avec l’air, constituée de la surface extérieure des fibres ou intérieure des pores, couverte par un film composé de l’au moins un liquide ionique et de l’au moins une substance active et formé lors de l’imprégnation. Toute la surface spécifique de l’élément de purification, couverte de ce très fin film de liquide ionique, est ainsi en contact avec l’air à purifier.
La substance active est choisie pour réagir avec un ou plusieurs polluants de l’air, et demeure durablement dans le film à la surface de l’élément de purification grâce aux propriétés du liquide ionique.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
L’invention concerne un dispositif de purification de l’air comprenant une entrée d’air à purifier, un compartiment incluant un élément de purification destiné à être traversé par un flux d’air, et une sortie d’air purifié.
Le dispositif de purification de l’air est remarquable en ce que :
- l’élément de purification comprend des pores et/ou des fibres, réparti(e)s de façon aléatoire ou organisée, et présente une pluralité de surfaces de contact couvertes par un film composé d’un liquide ionique dans lequel est dissoute au moins une substance active, la pluralité de surfaces de contact incluant des surfaces internes des pores et/ou des surfaces externes des fibres, le film étant destiné à être intégralement en contact avec l’air à purifier,
- le liquide ionique a une température de fusion inférieure ou égale à la température ambiante et est inerte vis-à-vis de la substance active, et
- la substance active est spécifiquement choisie pour réagir avec un ou plusieurs composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air, de manière à le purifier, ladite substance active demeurant durablement dans le film.
L’utilisation d’un liquide ionique comme support de substance active est un atout essentiel de l’invention.
De par son caractère modulaire, qui sera détaillé dans la description de l’invention, il permet de dissoudre une très large diversité de substances (organiques, ioniques, polymères, hydrophobes, hydrophiles, neutres, chargées ioniquement, etc.). Cette large gamme de substances actives compatibles avec le liquide ionique permet d’envisager l’élimination d’une très grande variété de polluants de l’air.
De par son côté modulaire, le liquide ionique est également adapté pour imprégner tout type de matériaux : il est alors possible d’utiliser n’importe quel matériau poreux ou fibreux pour l’élément de purification, par exemple du textile, du plastique, du métal, des matériaux à base de bois, des minéraux, des matériaux à base de végétaux.
Employer un liquide ionique stable sous forme liquide à température ambiante permet d’éviter une solidification du liquide ionique, dans le temps ou à cause des variations de température, et la détérioration du film. Cela permet de garantir que l’au moins une substance active qui y est dissoute reste bien ancrée à la surface de l’élément de purification.
Le fait d’utiliser un élément de purification comprenant des fibres ou des pores permet de démultiplier la taille de la surface de contact de celui-ci avec l’air à purifier – via la surface externe des fibres ou la surface interne des pores - et permet donc de maximiser l’efficacité du dispositif de purification, en exposant la totalité des substances actives à l’air à traiter.
D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, pouvant être prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable sont décrites ci-après.
Le film présente une épaisseur comprise entre 1nm et 10 microns, préférentiellement entre quelques nm et 2 microns.
Ce film est donc invisible à l’œil nu, et ne rend pas l’élément de purification humide ou collant au toucher.
Le liquide ionique conserve un état liquide stable entre -30°C et 200°C, préférentiellement entre 5°C et 40°C.
Ainsi, l’invention reste fonctionnelle et efficace dans 99,0% des situations dans lesquelles elle est destinée à être utilisée, même dans les cas où l’environnement d’utilisation présente des conditions extrêmes.
Le liquide ionique composant le film présente une viscosité entre 30 et 1000 Pa.s, préférentiellement entre 30 et 500 Pa.s.
Cette viscosité permet que le film soit imprégné de manière optimale à la surface de l’élément de purification, sans qu’il ne s’en décroche sous l’effet de la gravité.
L’élément de purification est formé par une mousse, une lave volcanique, un agglomérat de billes d’argile, un agglomérat de pierres, une plaque présentant des orifices traversants, des matériaux végétaux, un feutre ou un tissu.
Ces différents matériaux peuvent tous être traversés par un flux d’air et sont compatibles pour l’imprégnation par un liquide ionique.
L’élément de purification est composé d’un matériau conducteur électrique, de manière à favoriser des réactions électrochimiques avec le (ou les) composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air.
L’avantage de favoriser les réactions électrochimiques avec des composants de l’air est d’élargir encore davantage la gamme de polluants qui peuvent être neutralisés par le dispositif de l’invention, notamment les polluants de type ozone ou Formaldéhyde qui nécessitent d’être réduits ou oxydés pour être transformés en composants neutres.
Le liquide ionique est choisi de manière à établir une liaison permanente avec la surface de contact de l’élément de purification.
Ainsi, le liquide ionique reste en place durablement sur la surface de contact de l’élément de purification, ce qui contribue à la fiabilité et à la durabilité du dispositif de filtration.
Le liquide ionique est choisi parmi une association de cations et d’anions, les cations étant sélectionnés parmi les imidazolium, pyridinium, piperidinium, pyrrolidinium, quinolinium, morpholinium, ammonium quaternaire ou phosphonium quaternaire, les anions étant sélectionnés parmi les tetrafluoroborates, hexafluorophosphate, methyl sulfate, octyl sulfate, acesulfame, halogénures, BTSMA, bis(trifluoromethyl) amide, dicyanamide, trifluoromethanesulfonate.
Ces liquides ioniques présentent les meilleures caractéristiques de stabilité à températures ambiantes et de viscosité telle que souhaitée dans le cadre de l’invention.
La substance active est choisie parmi des substances viruscides, bactéricides et antifongiques pour leur action biologique, des molécules présentant des fonctions acides, des fonctions amines, des fonctions hydrazine (2,4-phenylhydrazine) pour leur action chimique, et des huiles et des produits électrostatiques pour leur action physicochimiques.
Cette large gamme de substances actives permet de traiter la majorité des polluants de l’air, que leur origine soit biologique, chimique ou physicochimique.
La concentration en substance active dans le film est comprise entre quelques ppm et 10%.
Cette concentration est nécessaire et suffisante pour assurer l’efficacité du dispositif de purification.
Le film de l’élément de purification est composé d’une pluralité de liquides ioniques.
La combinaison de liquides ioniques de nature et de propriétés différentes permet une compatibilité de la phase liquide avec un plus grand nombre de substances actives, et permet donc d’éliminer une plus grande variété de polluants.
L’élément de purification solide est amovible de manière à permettre de restaurer le film couvrant la pluralité de surfaces de contact.
Ainsi, il est facile pour un opérateur de retirer l’élément de purification du système dans lequel il est placé, par exemple un système de ventilation, pour effectuer une maintenance consistant par exemple à remplacer l’élément de purification par un nouvel élement de purification.
Le compartiment inclut une pluralité d’éléments de purification, disposés en série dans le compartiment de sorte que le flux d’air les traverse successivement, les films desdits éléments de purification étant composés de liquides ioniques identiques ou différents et de substances actives différentes.
Combiner des éléments de purification en série permet de faire subir à l’air une succession de traitements différents, en imprégnant chacun des éléments de purification avec un liquide ionique et une susbtance active différente. Ceci est notamment utile lorsque des substances actives ne peuvent pas être mélangées et/ou lorsque plusieurs liquides ioniques ne peuvent pas être mélangés.
L’entrée d’air à purifier ou la sortie d’air purifié est configurée pour établir une communication fluidique avec un système de ventilation ou un système de climatisation.
Il est très avantageux que le dispositif de purification de l’air puisse être intégré facilement dans un système de ventilation ou de climatisation, par exemple en reliant le dispositif à des circuits d’air existants ou en remplacement de dispositifs de VMI, VMC existants.
Dans certains cas, il peut également être avantageux que seul l’élément de purification soit intégré dans un système de ventilation ou de climatisation, en remplacement de l’élément de filtration d’air déjà existant, par exemple un filtre, afin d’optimiser les propriétés de purification de l’air de ces systèmes qui à l’heure actuelle ne filtrent qu’une variété limitée de polluants.
Ainsi, l’invention concerne également un élément de purification comprenant des pores et/ou des fibres, réparti(e)s de façon aléatoire ou organisée, et présentant une pluralité de surfaces de contact couvertes par un film composé d’un liquide ionique dans lequel est dissoute au moins une substance active, la pluralité de surfaces de contact incluant des surfaces internes des pores et/ou des surfaces externes des fibres, le film étant destiné à être intégralement en contact avec l’air à purifier, le liquide ionique ayant une température de fusion inférieure ou égale à la température ambiante et étant inerte vis-à-vis de la substance active, et la substance active étant spécifiquement choisie pour réagir avec un ou plusieurs composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air, de manière à le purifier, ladite substance active demeurant durablement dans le film.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif de purification de l’air comprenant les étapes suivantes :
a) la sélection d’un liquide ionique ayant une température de fusion inférieure ou égale à la température ambiante,
b) la dissolution d’au moins une substance active dans le liquide ionique, pour former un liquide ionique chargé en substance active, le liquide ionique étant inerte vis-à-vis de la substance active et la substance active étant spécifiquement choisie pour réagir avec un ou plusieurs composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air,
c) l’imprégnation directe d’un élément de purification comprenant des pores et/ou des fibres réparti(e)s de façon aléatoire ou organisée, par trempage dans le liquide ionique chargé en substance active ou par pulvérisation de ce dernier, pour former un film sur une pluralité de surfaces de contact de l’élément de purification incluant des surfaces internes des pores et/ou des surfaces externes des fibres, la substance active étant destinée à demeurer durablement dans le film,
d) la disposition de l’élément de purification dans un compartiment, de sorte que ledit élément puisse être traversé par un flux d’air, ledit compartiment étant alimenté via une entrée d’air à purifier et évacué via une sortie d’air purifié, le compartiment, l’entrée et la sortie d’air étant inclus dans le dispositif de purification de l’air.
D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, pouvant être prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable sont décrites ci-après.
L’étape b) comprend l’ajout d’un solvant liquide, de manière à diminuer la viscosité du liquide ionique chargé en substance active, avant l’étape c) d’imprégnation.
L’étape c) comprend l’évaporation du solvant, après trempage ou pulvérisation du liquide ionique chargé en substance active, pour former le film sur la pluralité de surfaces de contact de l’élément de purification.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de purification de l’air pouvant être utilisé dans tout espace où une purification de l’air serait nécessaire pour des raisons de santé, de confort ou de performance d’équipements, en particulier dans les espaces confinés.
Ce dispositif de purification est particulièrement approprié pour une utilisation dans les hôpitaux, par exemple pour limiter la propagation des virus dans l’air ou éliminer les odeurs, dans les milieux industriels, par exemple pour éliminer les molécules et odeurs chimiques dans l’air, dans les salles de réunion ou salles d’attente, par exemple pour rassurer en garantissant un air sain, dans les bâtiments recevant du public, dans les maisons ou appartements de particuliers, dans les transports (habitacles de voitures, de métros, de bus, de trains ou d’avions, etc.).
Le principe général du dispositif de purification est représenté schématiquement à lafigure 1.
Le dispositif de purification comprend une entrée 1 d’air à purifier A, un compartiment 2 dans lequel un flux d’air B transite et une sortie 3 d’air purifié C. Dans le compartiment 2 est disposé un élément de purification ou élement de filtration 4, à travers lequel le flux d’air B passe de préférence intégralement et de façon dirigée.
Le dispositif de purification peut être intégré dans n’importe quel circuit de ventilation ou de climatisation existant, par exemple par connexion de l’entrée 1 d’air à purifier A et de la sortie 3 d’air purifié C avec des tubulures existantes, ou en remplacement d’un dispositif de Ventilation Mécanique par Insufflation (VMI), de Ventilation Mécanique Contrôlée (VMC), ou de climatisation.
Dans d’autres cas, il est possible d’intégrer seulement l’élément de purification 4, et non tout le dispositif de purification, dans une VMI, une VMC ou un système de climatisation pour remplacer l’élément de filtration d’air qui y est disposé (classiquement un filtre) mais qui ne filtre qu’une variété limitée de polluants (principalement des particules).
Selon une première alternative, préférentielle, représentée auxfigure s 2 , 3a et 3b, l’élément de purification 4 est constitué de fibres 41 agencées de manière aléatoire ou organisée : il peut s’agir d’un filtre textile par exemple fait de fibres naturelles (coton, lin, etc.), artificielles (viscose, feutre, etc.) ou synthétiques (polyamide, polyester, polyuréthanne, nylon, …), d’un filtre métallique ou d’un filtre à base de fibres de carbone.
Selon une seconde alternative, réprésentée à lafigure 4, l’élément de purification 4 présente des pores 410, traversants ou non, disposés de manière aléatoire ou organisée à la surface de l’élément de purification : il peut s’agir d’une structure filtrante faite de mousse, organique ou métallique, d’une lave volcanique, d’un agglomérat de billes d’argile, d’un agglomérat de pierres, d’un matériau végétal (sciure, granulés, …), d’une plaque (bois, plastique, métal…) présentant des orifices traversants, etc.
Dans chacune de ces deux alternatives, l’élément de purification 4 est poreux et se laisse traverser par le flux d’air B sans obstruer son passage.
L’élément de purification 4, selon l’invention, est adapté à éliminer de l’air A à purifier n’importe quel type de polluant ou composant:
- les polluants d’origine biologique comme des (micro)organismes (virus, bactéries, champignons, etc.), indésirables du fait de leur dangerosité pour la santé humaine/animale,
- les polluants d’origine chimique comme le formaldéhyde, le monoxyde de carbone (CO), les Composés Organiques Volatils (COV), l’ozone (O3), indésirables du fait de leur toxicité ou de leur odeur,
- les polluants correspondant à des phénomènes physicochimiques, comme les particules fines (PM), les forts taux d’humidité ou les fortes températures, vecteurs d’inconfort et pouvant s’avérer néfastes sur le long terme pour la santé humaine.
Pour cela, l’élément de purification 4 est imprégné, par toute méthode d’imprégnation connue comme le trempage ou la pulvérisation, avec une phase liquide comprenant au moins un liquide ionique dans lequel est dissoute au moins une substance active adaptée pour réagir avec un ou plusieurs types de polluant de l’air.
On entend par « substance active » une substance possédant des propriétés de réaction avec au moins un polluant mentionné ci-dessus, de façon à l’éliminer, le piéger ou le neutraliser.
On distingue trois catégories de substances actives :
Une première catégorie concerne les substances actives réactives par rapport aux polluants d’origine biologique (microorganismes) : elles vont les neutraliser, par exemple en s’attaquant à leur enveloppe externe.
Elles comprennent par exemple les huiles essentielles anti-virales, anti-bactériennes et/ou anti-fongiques (Ravintsara, Tea Tree, Laurier Noble, Palmarosa, Niaouli, etc.), les composés ioniques du type ammonium quaternaires déjà appliqués en traitement biologique (chlorure d’alkyl (C2-C16) benzyldimethyl-ammonium, chlorure de didecyldimethylammonium, chlorure de benzalkonium, etc.), les molécules chimiques viruscides (bezothenium chloride, peroxymonosulfate de potassium, gluconate de chlorhexydine, urimine, thymol, hypochlorite de sodium, citrate dihydrogène d’argent, etc.), ainsi que toute substance ou tout mélange répondant à la norme EN 14476 ou NF T 72-281.
Elles peuvent aussi comprendre des substances utilisées en interne sur l’homme pour traiter les agents infectieux, qui sont viruscides (acyclovir, remdesevir, etc.), antifongiques (amphotericine B, itraconazole, clioquinol, tioconazole, etc.) ou bactéricides (penicilline, gramicidine, thymoquinone, etc.).
Elles peuvent aussi comprendre des substances dont l’efficacité a déjà été reconnue pour le traitement d’agents pathogènes à l’origine de pandémies, comme l’hydroxychloriquine et ses dérivés connue pour traiter le paludisme, le remdesevir connu pour traiter le virus ebola, ces deux molécules ayant été employées récemment comme virucides sur le SARS-CoV-2, tout comme l’association de l’hydroxychlorine avec l’azithromycine.
Une seconde catégorie concerne les substances actives réactives par rapport aux polluants d’origine chimique : elles vont réagir chimiquement avec les molécules polluantes qui vont disparaître sans qu’aucun sous-produit ne soit généré ou au profit de sous-produits innoffensifs.
Elles comprennent par exemple des molécules chimiques présentant des fonctions acides pour piéger des amines, des fonctions amines pour piéger des fonctions acides, des fonctions hydrazine (2,4-phenylhydrazine) pour piéger des aldéhydes (formaldéhyde, acroléine, etc.) ou cétones.
Une troisième catégorie concerne les substances actives réactives par rapport aux polluants issus de phénomènes physicochimiques : elles vont piéger les polluants en les fixant ou en les absorbant.
Elles comprennent par exemple des susbtances chimiques gonflant sous l’effet de l’humidité, des huiles et des matériaux électrostatiques ou collants permettant de fixer des particules en suspension dans l’air ou d’absorber des molécules volatiles.
Bien entendu, tout autre type de substance active connue et présentant un effet avéré sur un polluant biologique, chimique ou d’origine physicochimique peut être employé.
On entend par « liquide ionique » un sel qui présente une température de fusion inférieure à 100°C, souvent inférieure à la température ambiante.
Les liquides ioniques ont été décrits précisément dans la littérature de brevets, comme par exemple dans le document WO2004/003120. Ils sont classiquement utilisés dans les domaines de la synthèse, de la catalyse, de l’extraction, de l’électrochimie, ou de l’analyse chimique.
Un liquide ionique est constitué d’un couple formé d’un cation et d’un anion, dont la nature peut être modulée pour adapter les propriétés générales (de viscocité, de température de fusion, de solubilité, etc.) du liquide ionique à une application donnée.
Cette modularité est essentielle dans le cadre de l’invention et sera précisée en lien avec les autres caractéristiques intrinsèques aux liquides ioniques qui sont présentées dans ce qui suit.
Les liquides ioniques sont des solvants efficaces pour toute sorte de composés organiques ou non, grâce à leur polarité élevée : ils sont de parfaits supports pour la dissolution de la large variété de substances actives mentionnées plus haut et dont l’utilisation est souhaitable pour lutter contre des polluants spécifiques de l’air.
Ils ont de plus la capacité de dissoudre de grandes quantités de substances actives : dans le cadre de l’invention, on obtient de préférence une concentration en substances actives dans le liquide ionique entre quelques ppm et 10%, ce qui confère une bonne efficacité au dispositif de purification.
Notons qu’il est souhaitable que le liquide ionique soit inerte vis-à-vis de la susbtance active qui y est dissoute de façon à ne pas interférer avec le processus de réaction avec les polluants de l’air.
Il est possible de dissoudre simultanément plusieurs substances actives différentes pour une réaction avec plusieurs types de polluants de l’air (pour par exemple que le dispositif de purification soit actif à la fois sur des microorganismes et des particules fines (PM), ou sur des microorganismes et des odeurs chimiques).
Plusieurs liquides ioniques peuvent également être utilisés pour permettre de mélanger plusieurs types de substances actives.
Lorsque le mélange de plusieurs substances actives n’est pas possible au sein du ou des liquide(s) ionique(s), l’invention prévoit l’utilisation en série de plusieurs éléments de purification 40, 50, 60 contenant des substances actives différentes pour une purification multi-étapes de l’air ambiant, comme réprésenté sur lafigure 5.
Une autre propriété des liquides ioniques est leur pression de vapeur quasiment nulle qui en fait des liquides non-volatiles : une fois imprégné sur l’élément de purification 4, le liquide ionique forme un support stable pour la susbtance active qui y est dissoute, ce qui garantit que celle-ci soit maintenue à la surface de l’élément de purification 4 de manière durable sans se décrocher ou s’évaporer.
Par « durable », on entend que la substance active reste fixée sur l’élément de purification 4 pour des périodes allant de 1 à 12 mois, préférentiellemeet de 1 à 4 mois, en comparaison avec les durées de fixation de quelques heures à quelques jours permises par les méthodes d’imprégnation classiques utilisant une phase liquide volatile.
Les liquides ioniques présentent également une grande stabilité sous forme liquide, avec des températures de fusion très hautes ou très basses : dans le cadre de l’invention, on choisit des liquides ioniques stables sous forme liquide entre -30°C et 200°C, préférentiellement entre 5° et 40°C, de façon à ce que le liquide ionique, une fois imprégné sur l’élément de purification 4, reste sous forme liquide quelles que soient les conditions d’utilisation du dispositif de purification.
De par leur caractère modulaire, les liquides ioniques peuvent être adaptés au matériau de la surface sur laquelle ils sont imprégnés : dans le cadre de l’invention, il est possible de leur faire prendre des propriétés hydrophiles à hydrophobes, de façon à optimiser leur compatibilité avec le matériau de l’élément de purification 4.
On considère que le liquide ionique et le matériau de l’élément de purification 4 sont compatibles quand une liaison durable de type adsorption forte permanente est créée entre la surface de contact de l’élément de purification 4 et le liquide ionique.
Une fois le liquide ionique imprégné sur la surface de l’élément de purification, il peut par ailleurs permettre de modifier la propriété physicochimique de la surface solide, par exemple la rendre plus humide, plus électrostatique, hydrophobe, hydrophile ou collante, pour maximiser l’efficacité du traitement de l’air lors du contact entre la surface et l’air à purifier (par exemple, une surface plus humide attirera davantage de particules).
Enfin, ils présentent une haute conductivité ionique qui justifie leur emploi en tant qu’électrolyte, en particulier lorsque l’élément de purification 4 est choisi en matériau métallique (mousse métallique, etc.) ou conducteur (fibre de carbone, etc.). En effet, ils permettent à une réaction d’oxydo-réduction, sous la forme d’un échange d’électrons, d’avoir lieu entre la surface de l’élément de purification 4 et le composé polluant de l’air, via le liquide ionique qui sert donc de vecteur d’électrons.
Cette propriété conductrice est indispensable pour éliminer de l’air des substances oxydables ou réductibles comme l’ozone (O3) ou le formaldéhyde. Notons que le liquide ionique permet d’attirer vers l’élément de purification 4 les molécules polluantes, ce qui facilite l’apparition de la réaction d’oxydo-réduction.
Pour que cet échange d’électrons ait lieu entre la surface de l’élément de purification 4 et le composé polluant de l’air, il est souvent nécessaire d’ajouter dans le liquide ionique une substance active qui joue le rôle d’un « médiateur » entre la surface conductrice et le polluant. Un premier transfert d’électrons a lieu entre la surface et le film de liquide ionique dans lequel est présent le médiateur, celui-ci prenant alors un caractère très réactif par rapport au polluant. Un second transfert d’électrons a lieu entre le polluant et le médiateur, générant la neutralisation du polluant et la désactivation du médiateur. Le médiateur est ensuite réactivé par un nouveau transfert d’électrons entre la surface et le film de liquide ionique.
Dans certains cas, l’échange d’électrons entre la surface de l’élément de purification 4 et un composé polluant de l’air peut consister en un transfert direct d’électrons via le liquide ionique : aucune substance active spécifique n’est alors nécessairement ajoutée dans le liquide ionique pour neutraliser ledit composé polluant, les électrons jouant dans ce cas le rôle de subtances actives.
Les liquides ioniques peuvent présenter une viscosité assez élevée : on choisit dans le cadre de l’invention un liquide ionique dont la viscosité est comprise entre 30 et 1000 Pa.s, de préférence entre 30 et 500 Pa.s, de façon à faciliter l’imprégnation de l’élément de purification 4.
Dans les cas où la viscosité du liquide ionique est trop élevée, il peut être plus difficile de faire pénétrer celui-ci dans le matériau de l’élément de purification 4. Aussi, il s’avère avantageux de dissoudre le liquide ionique et la substance active dans une phase liquide volatile comme un solvant pour favoriser la pénétration du liquide ionique dans l’élément de purification 4.
Dans le cadre de l’invention, on choisit de préférence un liquide ionique comprenant des cations sélectionnés parmi la famille des imidazolium, pyridinium, piperidinium, pyrrolidinium, quinolinium, morpholinium, ou ammonium ou phosphonium quaternaire, et des anions sélectionnés parmi la famille des tetrafluoroborates, hexafluorophosphate, methyl sulfate, octyl sulfate, acesulfame, halogénures, BTSMA, bis(trifluoromethyl)amide, dicyanamide, trifluoromethanesulfo-nate.
Cette liste est bien entendu non exhaustive, tout type de liquide ionique connu et présentant une température de fusion comprise entre -30°C et 200°C et une viscosité comprise entre 30 et 1000Pa.s pouvant être employé pour le dispositif de purification.
On peut citer des exemples d’association de liquides ioniques et de substances actives dont l’efficacité a été prouvée sur différents types de polluants :
- le 1,3-dimthylimidazolium – dimthylphosphate (liquide ionique) associé à l’acyclovir pour ses propriétés antivirales,
- le 1-hexyl-3-hexyloxycarbonylpyridinium – bis(trifluoro-methylsulfonyl)amide (liquide ionique) associé à l’itraco-nazole pour ses propriétés antifongiques.
La méthode d’imprégnation utilisée pour conférer à l’élément de purification 4 ses propriétés comprend trois principales étapes.
Dans une première étape, un ou plusieurs liquides ioniques sont sélectionnés en fonction de différents critères dont :
- une compatibilité d’imprégnation maximale entre la matériau choisi pour l’élément de purification 4 et le liquide ionique,
- un taux de solubilité maximal de l’au moins une substance active dans le liquide ionique,
- une stabilité du liquide ionique sous forme de film à la surface du matériau de l’élément de purification 4, dans les conditions environnementales du procédé de purification de l’air.
Dans une seconde étape, l’au moins une substance active est dissoute dans le liquide ionique.
Si le liquide ionique est trop visqueux pour imprégner facilement le matériau de l’élément de purification 4, il est dissout dans une phase liquide volatile comme un solvant.
Dans une troisième étape, l’élément de purification 4 est imprégné, par toute méthode d’imprégnation connue comme le trempage ou la pulvérisation, avec le mélange de liquide ionique et de substance active (et de phase liquide volatile le cas échéant). Après imprégnation (et évaporation de la phase liquide volatile le cas échéant), il se forme sur la surface de l’élément de purification 4 un fin film 42 de liquide ionique, formé grâce à la viscosité du liquide ionique.
Ce film 42, réprésenté schématiquement sur lesfigures 3 a , 3 b , et 4, présente une épaisseur comprise entre 1nm et 10 microns, préférentiellement comprise entre quelques nm et 2 microns, qui lui confère un toucher en apparence sec.
Le film 42 permet de maintenir durablement les substances actives à la surface de l’élément de purification 4 en formant une sorte d’adhésif liquide entre la surface de l’élément de purication 4 et les subtances actives, et permet de mettre celles-ci en contact continu avec l’air à purifier pour créer les conditions de réaction avec les polluants.
Lesfigures 3a et 3breprésentent schématiquement une fibre 41 vue en trois dimensions et en coupe respectivement, dont la surface externe est recouverte du film 42.
Lafigure 4représente schématiquement une portion en coupe d’un élément de purification 4 comprenant des pores 410, la surface extérieure de l’élément de purification 4 et l’intérieur des pores étant recouverts du film 402.
Que l’élément de purification 4 soit composé de fibres ou de pores, il présente donc une pluralité de surfaces de contact avec l’air à purifier, couvertes par le film 42, 402 : dans le premier cas, l’intégralité de la surface externe des fibres est en contact avec l’air, dans le second cas la surface externe du dispositif est augmentée de la surface intérieure des pores.
Cela permet donc d’augmenter sensiblement la taille totale de la surface spécifique de contact de l’élément de purification 4 avec l’air, par rapport à une surface plane monodimensionnelle, ce qui permet de maximiser l’efficacité du dispositif.
Les substances actives présentes dans le film 42, 402 de liquide ionique peuvent être consommées lors de leurs réactions avec les polluants, cela impliquant une dégradation dans le temps des propriétés de l’élément de purification 4, et une perte de son efficacité, par exemple au bout de 12 mois.
Il est alors nécessaire de réaliser une maintenance du dispositif consistant à remplacer l’élément de purification 4 défectueux par un nouvel élément de purification imprégné d’un mélange de liquide(s) ionique(s) et de substance(s) active(s) formant un film de liquide ionique aux propriétés renouvelées. Préférentiellement, l’élément de purification 4 sortant est réimprégné pour une utilisation ultérieure.
Afin de faciliter cette maintenance, il est prévu que l’élément de purification 4 soit amovible pour être retiré manuellement ou de manière automatisée du dipositif en vue d’une nouvelle imprégnation.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif de purification de l’air comprenant plusieurs étapes.
Selon une première étape, on sélectionne un liquide ionique ayant une température de fusion inférieure ou égale à la température ambiante, et répondant aux critères mentionnés précédemment pour la méthode d’imprégnation.
Selon une seconde étape, on dissout la ou les substance(s) active(s) sélectionnées pour réagir spécifiquement avec un ou plusieurs polluants de l’air, dans le liquide ionique, pour former un liquide ionique chargé en substance active.
Eventuellement, on peut alors ajouter une phase liquide volatile comme un solvant, de manière à diminuer la viscosité du liquide ionique chargé en substance active, avant l’étape d’imprégnation.
Selon une troisième étape, on imprègne par toute méthode connue, dont le trempage ou la pulvérisation, un élément de purification 4 tel que décrit dans l’invention avec le liquide ionique chargé en substance active de façon à former un film 42, 402 sur la surface étendue de l’élément de purification 4 (dont la surface interne des pores et/ou la surface externe des fibres de l’élément de purification 4).
Le cas échéant, on génère l’évaporation du solvant par toute méthode connue comme le chauffage ou le séchage naturel de l’élément de purification 4, pour former le film 42, 402 sur la pluralité de surfaces de contact de l’élément de purification.
Selon une dernière étape, on dispose l’élément de purification 4 dans un compartiment 2, de sorte qu’il puisse être traversé par un flux d’air B, le compartiment 2 étant alimenté via une entrée 1 d’air à purifier A et évacué via une sortie 3 d’air purifié C, de façon à former un dispositif de purification de l’air.
De préférence, ce dispositif de purification de l’air est ensuite intégré à un circuit de ventilation ou de climatisation existant, en mettant l’entrée 1 et la sortie 3 d’air en communication avec des tubulures de circulation d’air existantes ou en remplaçant complètement un système de VMI, VMC ou climatisation.
Dans d’autres cas, il est possible d’intégrer seulement l’élément de purification 4, et non tout le dispositif de purification, dans une VMI, une VMC ou un système de climatisation pour remplacer l’élément de filtration d’air qui y est disposé (classiquement un filtre) mais qui ne filtre qu’une variété limitée de polluants (principalement des particules).
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de mise en œuvre et exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.
Claims (11)
- Dispositif de purification de l’air comprenant une entrée (1) d’air à purifier (A), un compartiment (2) incluant un élément de purification (4) destiné à être traversé par un flux d’air (B), et une sortie (3) d’air purifié (C), le dispositif de purification de l’air étant caractérisé en ce que :
- l’élément de purification (4) comprend des pores (410) et/ou des fibres (41), réparti(e)s de façon aléatoire ou organisée, et présente une pluralité de surfaces de contact couvertes par un film (42,402) composé d’un liquide ionique dans lequel est dissoute au moins une substance active, la pluralité de surfaces de contact incluant des surfaces internes des pores (410) et/ou des surfaces externes des fibres (41), le film étant destiné à être intégralement en contact avec l’air à purifier,
- le liquide ionique a une température de fusion inférieure ou égale à la température ambiante et est inerte vis-à-vis de la substance active, et
- la substance active est spécifiquement choisie pour réagir avec un ou plusieurs composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air, de manière à le purifier, ladite substance active demeurant durablement dans le film (42,402). - Dispositif de purification de l’air selon la revendication précédente, dans lequel :
- le film (42,402) présente une épaisseur comprise entre 1nm et 10 microns, préférentiellement entre quelques nm et 2 microns et,
- le liquide ionique conserve un état liquide stable entre -30°C et 200°C, préférentiellement entre 5°C et 40°C. - Dispositif de purification de l’air selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le liquide ionique composant le film (42,402) présente une viscosité entre 30 et 1000 Pa.s, préférentiellement entre 30 et 500 Pa.s.
- Dispositif de purification de l’air selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’élément de purification (4) est composé d’un matériau conducteur électrique, de manière à favoriser des réactions électrochimiques avec le (ou les) composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air.
- Dispositif de purification de l’air selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le liquide ionique est choisi de manière à établir une liaison permanente avec la surface de contact de l’élément de purification (4).
- Dispositif de purification de l’air selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la substance active est choisie parmi des susbtances viruscides, bactéricides et antifongiques pour leur action biologique, des molécules présentant des fonctions acides, des fonctions amines, des fonctions hydrazine (2,4-phenylhydrazine) pour leur action chimique, et des huiles et des produits électrostatiques pour leur action physicochimique.
- Dispositif de purification de l’air selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’élément de purification (4) solide est amovible de manière à permettre de restaurer le film (42,402) couvrant la pluralité de surfaces de contact.
- Dispositif de purification de l’air selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le compartiment (2) inclut une pluralité d’éléments de purification (40,50,60), disposés en série dans le compartiment (2) de sorte que le flux d’air (B) les traverse successivement, les films (42,402) desdits éléments de purification (40,50,60) étant composés de liquides ioniques identiques ou différents et de substances actives différentes.
- Dispositif de purification de l’air selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’entrée (1) d’air à purifier (A) ou la sortie (3) d’air purifé (C) est configurée pour établir une communication fluidique avec un système de ventilation ou un système de climatisation.
- Elément de purification (4) destiné à être traversé par un flux d’air à purifier et comprenant des pores (410) et/ou des fibres (41), réparti(e)s de façon aléatoire ou organisée,
caractérisé en ce qu’il présente une pluralité de surfaces de contact couvertes par un film (42,402) composé d’un liquide ionique dans lequel est dissoute au moins une substance active, la pluralité de surfaces de contact incluant des surfaces internes des pores (410) et/ou des surfaces externes des fibres (41), le film (42,402) étant destiné à être intégralement en contact avec l’air à purifier,
et en ce que :
- le liquide ionique a une température de fusion inférieure ou égale à la température ambiante et est inerte vis-à-vis de la substance active, et
- la substance active est spécifiquement choisie pour réagir avec un ou plusieurs composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air, de manière à le purifier, ladite substance active demeurant durablement dans le film (42,402). - Procédé de fabrication d’un dispositif de purification de l’air comprenant les étapes suivantes :
a) la sélection d’un liquide ionique ayant une température de fusion inférieure ou égale à la température ambiante, b) la dissolution d’au moins une substance active dans le liquide ionique, pour former un liquide ionique chargé en substance active, le liquide ionique étant inerte vis-à-vis de la substance active et la substance active étant spécifiquement choisie pour réagir avec un ou plusieurs composant(s) polluant(s) présent(s) dans l’air,
c) l’imprégnation directe d’un élément de purification (4) comprenant des pores (410) et/ou des fibres (41) réparti(e)s de façon aléatoire ou organisée, par trempage dans le liquide ionique chargé en substance active ou par pulvérisation de ce dernier, pour former un film (42,402) sur une pluralité de surfaces de contact de l’élément de purification (4) incluant des surfaces internes des pores (410) et/ou des surfaces externes des fibres (41), la substance active étant destinée à demeurer durablement dans le film (42,402),
d) la disposition de l’élément de purification (4) dans un compartiment (2), de sorte que ledit élément (4) puisse être traversé par un flux d’air (B), ledit compartiment (2) étant alimenté via une entrée (1) d’air à purifier (A) et évacué via une sortie (3) d’air purifié (C), le compartiment (2), l’entrée (1) et la sortie (3) d’air étant inclus dans le dispositif de purification de l’air.
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