FR3114514A1 - Use of airgel based on metallic nanowires as filter material for air treatment, Associated electrode cartridge, Associated air treatment system. - Google Patents

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Alexandre CARELLA
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Abstract

Utilisation d’aérogel à base de nanofils métalliques en tant que matériau filtrant pour le traitement de l’air, Cartouche à électrodes associée, Système de traitement de l’air associé. L’invention consiste essentiellement à proposer un aérogel à base de nanofils métalliques dont les propriétés intrinsèques de filtration biologique de l’air (structure poreuse efficace, matériau biocide) ont été mises en évidence par les inventeurs, cet aérogel pouvant en outre être activé thermiquement par effet Joule lorsqu’une tension électrique contrôlée est appliquée, afin de le régénérer. Figure pour l’abrégé : Fig.2Use of airgel based on metallic nanowires as filter material for air treatment, Associated electrode cartridge, Associated air treatment system. The invention essentially consists in proposing an airgel based on metallic nanowires whose intrinsic properties of biological air filtration (effective porous structure, biocidal material) have been demonstrated by the inventors, this airgel also being able to be thermally activated by Joule effect when a controlled electrical voltage is applied, in order to regenerate it. Figure for the abstract: Fig.2

Description

Utilisation d’aérogel à base de nanofils métalliques en tant que matériau filtrant pour le traitement de l’air, Cartouche à électrodes associée, Système de traitement de l’air associé.Use of airgel based on metallic nanowires as filter material for air treatment, Associated electrode cartridge, Associated air treatment system.

La présente invention concerne l’utilisation d’un aérogel à base de nanofils métalliques en tant que matériau filtrant pour traiter, et en particulier décontaminer de l’air, notamment de l’air au travers d’un équipement de protection individuelle comme un masque, ou d’espaces clos habitables (habitations, bureaux, habitacles de véhicules, …).The present invention relates to the use of an airgel based on metallic nanowires as a filtering material for treating, and in particular decontaminating air, in particular air through personal protective equipment such as a mask , or habitable enclosed spaces (homes, offices, vehicle interiors, etc.).

La présente invention vise à améliorer les équipements de traitement de l’air actuellement existants.The present invention aims to improve currently existing air treatment equipment.

La qualité de l'air est un sujet important dans le domaine de la santé publique.Air quality is an important subject in the field of public health.

L’air peut notamment contenir des microbes pathogènes humains transmissibles par voie respiratoire, ou « agents pathogènes ». Ces agents pathogènes peuvent entrainer une pathologie chez un être humain, en particulier au niveau des voies respiratoires.In particular, the air can contain human pathogenic microbes transmitted by the respiratory tract, or “pathogens”. These pathogenic agents can cause a pathology in a human being, in particular in the respiratory tract.

On connaît en particulier des virus, des bactéries et des champignons pouvant se transmettre par voie aérienne. On peut citer les virus Influenza et les coronavirus, notamment SARS, SARS-CoV-2. Ces agents pathogènes peuvent être fixés sur des particules en suspension qui, en fonction de leur taille, peuvent pénétrer dans les régions d'échange gazeux des poumons, voire passer à travers les poumons pour affecter d'autres organes.In particular, viruses, bacteria and fungi which can be transmitted by air are known. We can mention the Influenza viruses and the coronaviruses, in particular SARS, SARS-CoV-2. These pathogens can be attached to airborne particles which, depending on their size, can enter the gas exchange regions of the lungs, or even pass through the lungs to affect other organs.

Les systèmes de filtration de l’air ont fait l’objet de nombreux développements basés par exemple sur des matériaux à faible porosité, l’oxydation de composés organiques volatiles ou l’absorption/adsorption sur des supports actifs (notamment à base de carbone).Air filtration systems have been the subject of numerous developments based, for example, on low porosity materials, the oxidation of volatile organic compounds or the absorption/adsorption on active supports (in particular carbon-based) .

En particulier, la filtration avec un filtre à fibres est largement utilisée pour retenir des particules en suspension car un tel filtre présente généralement un bon compromis entre efficacité de filtration et consommation énergétique. Les équipement de protection collectives ou individuelles ou les dépoussiéreurs industriels sont composés de médias fibreux non tissés, c’est-à-dire d’un voile ou d’une nappe de fibres orientées directement ou au hasard et liées par friction, cohésion ou adhésion. Ces systèmes doivent être régulièrement renouvelés.In particular, filtration with a fiber filter is widely used to retain particles in suspension because such a filter generally presents a good compromise between filtration efficiency and energy consumption. Collective or individual protective equipment or industrial dust collectors are composed of non-woven fibrous media, i.e. a veil or sheet of fibers oriented directly or randomly and linked by friction, cohesion or adhesion. . These systems must be regularly renewed.

En outre, les équipements de protection individuelle utilisent classiquement des filtres en papier ou en tissu. Ces filtres sont cependant à usage unique. Ils génèrent donc des déchets en grandes quantités. Ils nécessitent également un processus de fabrication et de distribution ininterrompu pour éviter la pénurie.In addition, personal protective equipment conventionally uses paper or fabric filters. However, these filters are for single use only. They therefore generate waste in large quantities. They also require an uninterrupted manufacturing and distribution process to avoid shortage.

L’air peut également contenir des polluants.The air can also contain pollutants.

Notamment, les activités humaines, telles que la combustion de combustibles fossiles dans les véhicules et divers processus industriels, génèrent des quantités importantes de particules nocives. Les polluants atmosphériques typiques dans les habitations et les lieux de travail peuvent inclure, par exemple, les particules, les oxydes d'azote (NOx) ou les oxydes de soufre (SOx), les composés organiques, notamment le formaldéhyde et les composés organiques volatils similaires (COV).In particular, human activities, such as the burning of fossil fuels in vehicles and various industrial processes, generate significant amounts of harmful particles. Typical air pollutants in homes and workplaces can include, for example, particulate matter, nitrogen oxides (NOx) or sulfur oxides (SOx), organic compounds including formaldehyde and volatile organic compounds similar (VOC).

Le charbon actif est largement utilisé pour le traitement des molécules par adsorption. Sa résistance mécanique est limitée. Par ailleurs, il nécessite d’être remplacé régulièrement.Activated carbon is widely used for the treatment of molecules by adsorption. Its mechanical resistance is limited. In addition, it needs to be replaced regularly.

La filtration par filtre à fibres est également largement utilisée pour séparer les particules polluantes en suspension dans l’air.Fiber filter filtration is also widely used to separate airborne pollutant particles.

Au cours de l’épidémie récente de coronavirus SARS-CoV-2 il est apparu que la question des équipement de protection individuelle à capacité filtrante était de prime importance pour éviter la propagation du virus. Les virus ont une taille comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de nanomètres. Dans le cas du SARS-CoV-2, un diamètre d’environ 60 à 140 nm a été rapporté : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK554776//.During the recent SARS-CoV-2 coronavirus epidemic, it became apparent that the issue of personal protective equipment with filtering capacity was of prime importance to prevent the spread of the virus. Viruses are between a few tens and a few hundred nanometers in size. In the case of SARS-CoV-2, a diameter of approximately 60-140 nm has been reported: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK554776//.

Comme d’autres coronavirus, il est sensible aux rayons ultraviolets et à la chaleur.Like other coronaviruses, it is sensitive to ultraviolet rays and heat.

Il est connu que les microbes et en particulier les virus sont détruits par action de la chaleur. Par exemple le coronavirus du SARS en 2003 était détruit fortement à 56°C (https://www.who.int/csr/sars/survival_2003_05_04/en/), et celui du SARS-CoV-2 est très vite inactivé à 70°C : https://www.thelancet.com/action/showPdf?pii=S2666-5247%2820%2930003-3.It is known that microbes and in particular viruses are destroyed by the action of heat. For example, the SARS coronavirus in 2003 was strongly destroyed at 56°C (https://www.who.int/csr/sars/survival_2003_05_04/en/), and that of SARS-CoV-2 is very quickly inactivated at 70 °C: https://www.thelancet.com/action/showPdf?pii=S2666-5247%2820%2930003-3.

Il existe un besoin d’améliorer les systèmes de décontamination et/ou de dépollution de l’air, et en particulier de l’air destiné à être inhalé.There is a need to improve the systems for decontamination and/or depollution of the air, and in particular of the air intended to be inhaled.

Il existe un besoin particulier de proposer des équipements de protection individuelle à matériau(x) de filtration qui puissent être chauffés, afin d’assurer la destruction de tout virus ou microbe qui serait piégé dans le(s)dit(s) matériau(x).There is a particular need to provide personal protective equipment with filtration material(s) that can be heated, in order to ensure the destruction of any virus or microbe that would be trapped in the said material(s). ).

Un but de l’invention est de répondre, au moins partiellement à ce(s) besoin(s).An object of the invention is to meet, at least partially, this (these) need(s).

Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet l’utilisation d’aérogel métallique électriquement et thermiquement conducteur à base de nanofils métalliques, en tant que matériau filtrant pour le traitement d’air, l’aérogel présentant une conductivité électrique supérieure ou égale à 50 S/m et une masse volumique inférieure ou égale à 300 mg/cm3.To do this, the invention firstly relates to the use of electrically and thermally conductive metallic airgel based on metallic nanowires, as a filter material for the treatment of air, the airgel having an electrical conductivity greater than or equal to 50 S/m and a density less than or equal to 300 mg/cm 3 .

De préférence, l’aérogel métallique présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :Preferably, the metallic airgel has one or more of the following characteristics:

  • les nanofils sont en argent et/ou en cuivre ou en un mélange métallique comportant au moins 50% massique d’au moins un de ces deux métaux ;the nanowires are made of silver and/or copper or a metallic mixture comprising at least 50% by mass of at least one of these two metals;
  • l’aérogel présente une conductivité électrique entre 50 et 5000 S/m, de préférence comprise entre 100 et 2000 S/m ;the airgel has an electrical conductivity between 50 and 5000 S/m, preferably between 100 and 2000 S/m;
  • la masse volumique de l’aérogel métallique est inférieure ou égale à 100 mg/cm3, de préférence inférieure à 50 mg/cm3 ;the density of the metallic airgel is less than or equal to 100 mg/cm3, preferably less than 50 mg/cm3 ;
  • la structure poreuse de l’aérogel métallique peut être modifiée à souhait en modulant les dimensions des objets (longueur essentiellement) et leur concentration au moment de la fabrication de l’aérogel. Les conditions de procédé tels que les processus de congélation, par exemple la vitesse de congélation, l’axe de congélation notamment radial vs longitudinal ou les procédés de séchage (lyophilisation ou séchage supercritique) ont également une influence sur la structure poreuse. Tous ces paramètres seront choisis par l’homme du métier pour optimiser au mieux la structure poreuse de l’aérogel métallique au regard du système de filtration cible dans lesquels il est destiné à être implanté pour obtenir la filtration préférentielle recherchée ;the porous structure of the metallic airgel can be modified as desired by modulating the dimensions of the objects (mainly length) and their concentration at the time of manufacture of the airgel. Process conditions such as freezing processes, e.g. freezing rate, especially radial vs. longitudinal freezing axis or drying processes (freeze-drying or supercritical drying) also have an influence on the porous structure. All these parameters will be chosen by those skilled in the art to best optimize the porous structure of the metallic airgel with regard to the target filtration system in which it is intended to be implanted in order to obtain the desired preferential filtration;
  • la perte de charge induite par l’aérogel métallique est inférieure à 150 Pa mesurée à une vitesse de 5,33 cm/s, de préférence inférieure à 80 Pa;the pressure drop induced by the metallic airgel is less than 150 Pa measured at a speed of 5.33 cm/s, preferably less than 80 Pa;
  • les nanofils présentent un diamètre moyen inférieur à 500 nm, de préférence inférieur à 200 nm, et une longueur moyenne entre 1 et 500 µm, de préférence entre 5 et 50 µm.the nanowires have an average diameter of less than 500 nm, preferably less than 200 nm, and an average length between 1 and 500 μm, preferably between 5 and 50 μm.

Avantageusement, l’aérogel peut comprendre un ou des polymères pour aider à la structuration. Ainsi, selon une variante de réalisation avantageuse, l’aérogel métallique comprend un ou plusieurs polymères, de préférence à base d’EDOT (3,4-éthylènedioxythiophène) ou des dérivés de la cellulose comme l’hydroxyéthylcellulose, la carboxyméthylcellulose ou l’hydroxypropylméthylcellulose.Advantageously, the airgel can comprise one or more polymers to help with the structuring. Thus, according to an advantageous embodiment variant, the metallic airgel comprises one or more polymers, preferably based on EDOT (3,4-ethylenedioxythiophene) or cellulose derivatives such as hydroxyethylcellulose, carboxymethylcellulose or hydroxypropylmethylcellulose .

De préférence, la proportion massique des nanofils métalliques dans le(s) polymère(s) étant comprise entre 1 et 1000%, de préférence entre 30 et 300%, de préférence entre 60 et 140%.Preferably, the mass proportion of metallic nanowires in the polymer(s) being between 1 and 1000%, preferably between 30 and 300%, preferably between 60 and 140%.

Afin de donner la forme désirée à l’aérogel métallique, pour qu’il corresponde exactement à l’emplacement prévu dans un système de filtration, un moule de dimension spécifique, par exemple en téflon ou en métal (acier inoxydable Inox 316 recouvert ou non d’un film de PTFE (téflon®), peut être utilisé.In order to give the desired shape to the metallic airgel, so that it corresponds exactly to the location provided in a filtration system, a mold of specific size, for example in Teflon or in metal (stainless steel Inox 316 coated or not PTFE (Teflon®) film, can be used.

L’invention a également pour objet, un système de traitement de l’air, comprenant :The invention also relates to an air treatment system, comprising:

- un générateur de tension électrique ;- an electrical voltage generator;

- au moins un élément chauffant comprenant :- at least one heating element comprising:

• un aérogel métallique électriquement et thermiquement conducteur à base de nanofils métalliques, l’aérogel présentant une conductivité électrique supérieure ou égale à 50 S/m et une masse volumique inférieure ou égale à 300 mg/cm3,• an electrically and thermally conductive metallic airgel based on metallic nanowires, the airgel having an electrical conductivity greater than or equal to 50 S/m and a density less than or equal to 300 mg/cm 3 ,

• deux électrodes de reprise de contact, agencées chacune en contact avec l'aérogel métallique en laissant passer un flux d’air à traiter, et connectées au générateur de tension, de sorte qu’elles peuvent appliquer une tension électrique dans l'aérogel.• two contact recovery electrodes, each arranged in contact with the metallic airgel allowing a flow of air to be treated to pass, and connected to the voltage generator, so that they can apply an electrical voltage in the airgel.

Avantageusement, les deux électrodes sont agencées sur deux faces opposées de l’aérogel métallique. La prise de contact électrique sur l’aérogel métallique relève des compétences de l’homme du métier. Un contact ponctuel, typiquement inférieur à 1mm² est possible mais, de préférence, la reprise de contact est établie sur une plus grande surface, au moins 10 mm² pour assurer un passage optimal du courant dans l’aérogel. La structure des électrodes peut avoir toute forme comme un quadrillage de la surface, un carré, une forme zig-zag ou une forme circulaire.Advantageously, the two electrodes are arranged on two opposite faces of the metallic airgel. Making electrical contact on the metallic airgel falls within the competence of a person skilled in the art. A point contact, typically less than 1 mm² is possible but, preferably, the resumption of contact is established on a larger surface, at least 10 mm² to ensure an optimal passage of the current in the airgel. The structure of the electrodes can have any shape such as a grid of the surface, a square, a zig-zag shape or a circular shape.

Un dispositif d’application des électrodes contre l’aérogel à base de ressort de compression peut également être envisagé pour limiter la pression sur l’aérogel.A device for applying the electrodes against the airgel based on a compression spring can also be considered to limit the pressure on the airgel.

De manière préférentielle, les électrodes peuvent être déposées au contact de deux faces opposées d’un matériau aérogel conducteur de forme par exemple cylindrique, l’élément chauffant étant alors fonctionnel par application d’une tension entre les deux électrodes. Elles peuvent être réalisées, par exemple, à partir d’un dépôt métallique. Elles peuvent, par exemple, être élaborées à partir d’un vernis, d’une encre ou d’une laque conductrice (de préférence à base d’argent ou de cuivre) et/ou de fils/films métalliques (cuivre, d’argent, d’indium, d’étain), de matériaux carbonés (nanotubes de carbone ou graphène par exemple), et/ou de polymères conducteurs et/ou d’un eutectique métallique (par exemple Gallium-indium).Preferably, the electrodes can be deposited in contact with two opposite faces of a conductive airgel material of cylindrical shape, for example, the heating element then being functional by applying a voltage between the two electrodes. They can be made, for example, from a metal deposit. They can, for example, be produced from a conductive varnish, ink or lacquer (preferably based on silver or copper) and/or metal wires/films (copper, silver, indium, tin), carbonaceous materials (carbon nanotubes or graphene for example), and/or conductive polymers and/or a metal eutectic (for example gallium-indium).

Les reprises de contact peuvent être réalisées aussi selon des techniques physiques usuelles, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour «Chemical Vapor Deposition») ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD pour «Physical Vapor Deposition»).The contact resumptions can also be carried out according to the usual physical techniques, for example by chemical vapor deposition (CVD for “Chemical Vapor Deposition”) or by physical vapor deposition (PVD for “Physical Vapor Deposition”).

Les électrodes de reprise de contact sont reliées à un générateur de tension externe. L’alimentation électrique peut être fixe ou nomade, par exemple il peut s’agir d’une batterie, ou d’une pile, alimentée de façon continue ou discontinue, rendant ainsi le système de filtration autonome.The contact recovery electrodes are connected to an external voltage generator. The power supply can be fixed or nomadic, for example it can be a battery, or a cell, supplied continuously or discontinuously, thus making the filtration system autonomous.

Avantageusement encore, la résistance électrique de l’élément chauffant est comprise entre 1 et 500 Ω et de préférence entre 5 et 50 Ω.Advantageously again, the electrical resistance of the heating element is between 1 and 500 Ω and preferably between 5 and 50 Ω.

Selon un mode de réalisation avantageux, l’élément chauffant est sous la forme d’une cartouche comprenant un corps rigide en matériau électriquement isolant logeant l’aérogel métallique et supportant les deux électrodes.According to an advantageous embodiment, the heating element is in the form of a cartridge comprising a rigid body of electrically insulating material housing the metallic airgel and supporting the two electrodes.

L’aérogel étant relativement fragile mécaniquement, le fait de l’envelopper dans un corps qui puisse résister à des contraintes mécaniques fortes, permet d’en assurer l’intégrité physique. Par « corps rigide », on entend ici et dans le cadre de l’invention, une enveloppe en matériau rigide (résistance à la déformation), dur (résistance à la déformation sous une forte charge en compression) et solide (capacité d’absorber de l’énergie pendant les chocs).Since the airgel is relatively mechanically fragile, wrapping it in a body that can withstand strong mechanical stresses ensures its physical integrity. By "rigid body" is meant here and in the context of the invention, an envelope made of a material that is rigid (resistance to deformation), hard (resistance to deformation under a high compressive load) and solid (ability to absorb energy during impact).

Le matériau du corps de la cartouche est électriquement isolant afin d’éviter tout court-circuit, les deux reprises de contact étant présentes en face extérieure de la cartouche.The material of the cartridge body is electrically insulating in order to avoid any short circuit, the two contact points being present on the outside of the cartridge.

En outre, le corps doit être léger autant que possible et être hermétique à l’air et à l’eauAlso, the body should be light as much as possible and be airtight and waterproof.

Dans l’optique de produire des cartouches régénérables, le corps de la cartouche est adapté pour supporter des températures supérieures à 220°, de préférence supérieures à 250°C et ce sans subir d’altération notable, car les cycles de régénération de l’aérogel métallique se font de préférence au-delà de 200°C.With a view to producing regenerable cartridges, the body of the cartridge is adapted to withstand temperatures above 220°, preferably above 250° C. and this without undergoing any notable alteration, because the regeneration cycles of the metallic airgel are preferably made above 200°C.

Compte-tenu des exigences, la paroi du corps de la cartouche a une épaisseur d’au moins 2 mm.Considering the requirements, the wall of the cartridge body has a thickness of at least 2 mm.

De préférence, le corps de la cartouche est en matériau thermoplastique, choisi de préférence encore parmi les polyimides, polyamide-imides, les polybenzimidazoles, les polyétheréthercétones, les polysulfures de phénylène, les polyéthers, les perfluoroalkoxy ou tout mélange de ceux-ci. Le polymère ne doit pas être électriquement conducteur, il présente de préférence une résistance surfacique supérieure à 107ohm/carré.Preferably, the body of the cartridge is made of thermoplastic material, more preferably chosen from polyimides, polyamide-imides, polybenzimidazoles, polyetheretherketones, polyphenylene sulphides, polyethers, perfluoroalkoxy or any mixture thereof. The polymer must not be electrically conductive, it preferably has a surface resistance greater than 10 7 ohm/square.

Selon une caractéristique avantageuse, le générateur de tension est adapté pour générer une tension d’alimentation jusqu’à 48V, de préférence comprise entre 0 et 20V, et de préférence encore entre 0 et 12V.According to an advantageous characteristic, the voltage generator is suitable for generating a supply voltage up to 48V, preferably between 0 and 20V, and more preferably between 0 and 12V.

Selon un mode avantageux, le système de filtration comprend un dispositif de mesure de la résistance électrique de l’élément chauffant.According to an advantageous mode, the filtration system comprises a device for measuring the electrical resistance of the heating element.

La mesure de la résistance est réalisée facilement de façon périodique.The resistance measurement is easily carried out periodically.

De préférence, la résistance après régénération est identique à celle mesurée avant utilisation de la cartouche filtrante. Une augmentation significative de cette résistance indique que l’aérogel actif est détérioré et que la cartouche doit être changée.Preferably, the resistance after regeneration is identical to that measured before use of the filter cartridge. A significant increase in this resistance indicates that the active airgel has deteriorated and that the cartridge must be changed.

Ainsi, une mesure de résistance est avantageusement effectuée avant l’utilisation de la cartouche. La valeur mesurée dite R0 est caractéristique de l’état initial de l’aérogel actif. Après régénération ou/et à intervalles réguliers, typiquement de 1 min à 100h, de préférence de 10 min à 1h, cette valeur de résistance Ri est mesurée et comparée à R0 en vue de déterminer la viabilité de la cartouche.Thus, a resistance measurement is advantageously carried out before the cartridge is used. The measured value called R0 is characteristic of the initial state of the active airgel. After regeneration and/or at regular intervals, typically from 1 min to 100 h, preferably from 10 min to 1 h, this resistance value Ri is measured and compared with R0 in order to determine the viability of the cartridge.

A titre d’exemple, si Ri < 1,2 R0, alors le système est considéré comme toujours efficace, et si Ri> 1,2 R0 alors le système n’est plus considéré comme efficace et doit être changé. La mesure peut être réalisée manuellement avec un ohmmètre.For example, if Ri < 1.2 R0, then the system is considered still effective, and if Ri > 1.2 R0 then the system is no longer considered effective and must be changed. The measurement can be performed manually with an ohmmeter.

De préférence, le dispositif de mesure de résistance est autonome et comporte à cet effet une source d’énergie qui est intégrée soit dans la cartouche soit de façon préférentielle dans le système de filtration. L’appareil de détection et/ou de quantification de la résistance de l’invention a une structure simple qui permet de le produire à bas coût et à grande échelle. Cet appareil peut être de très petite taille, nécessitant peu d’énergie pour fonctionner, favorisant ainsi sa portabilité. En cas de dépassement du seuil autorisé de résistance, une alerte sera émise, par exemple au moyen d’un signal lumineux, via une LED rouge par exemple, d’une vibration, d’un signal sonore, d’un signal électromagnétique ou de toute combinaison de ces signaux.Preferably, the resistance measuring device is autonomous and comprises for this purpose a power source which is integrated either in the cartridge or preferably in the filtration system. The resistance detection and/or quantification apparatus of the invention has a simple structure which enables it to be produced at low cost and on a large scale. This device can be very small in size, requiring little power to operate, thus promoting its portability. If the authorized resistance threshold is exceeded, an alert will be issued, for example by means of a light signal, via a red LED for example, a vibration, an audible signal, an electromagnetic signal or any combination of these signals.

L’invention a encore pour objet un procédé de traitement d’air comportant les étapes suivantes :The invention also relates to an air treatment method comprising the following steps:

a) filtration d’une quantité d’air au moyen d’un aérogel électriquement et thermiquement conducteur à base de nanofils métalliques, en tant que matériau filtrant pour le traitement d’air, l’aérogel présentant une conductivité électrique supérieure ou égale à 50 S/m et une masse volumique inférieure ou égale à 300 mg/cm3 ;a) filtration of a quantity of air by means of an electrically and thermally conductive airgel based on metallic nanowires, as filter material for the treatment of air, the airgel having an electrical conductivity greater than or equal to 50 S/m and a density less than or equal to 300 mg/cm3;

b) chauffage de l’aérogel pendant une durée prédéterminée.b) heating the airgel for a predetermined time.

On peut réaliser les étapes a) et b) simultanément ou on peut réaliser l’étape b) une fois l’étape a) réalisée.Steps a) and b) can be carried out simultaneously or step b) can be carried out once step a) has been completed.

Le chauffage selon l’étape b) peut être réalisé selon différents protocoles, dont ceux-ci de façon préférentielle :The heating according to step b) can be carried out according to different protocols, including these preferentially:

b1) le chauffage est maintenu avant, jusqu’à stabilisation d’une certaine température, par exemple à 60°C et pendant au moins le temps de l’utilisation du système de filtration.b1) the heating is maintained before, until a certain temperature stabilizes, for example at 60°C and for at least the time of use of the filtration system.

b2) le chauffage est réalisé en fin d’utilisation pour assurer un nettoyage du filtre (destruction de toute espèce vivante), par exemple jusqu’à une température de 100°C. Dans le cas où le matériau ne comporte que des nanofils et pas de polymère associé, il peut aussi être envisagé de chauffer à plus haute température, par exemple 250°C, afin d’éliminer définitivement tout trace de résidu organique en vue d’une régénération complète du matériau aérogel filtrant.b2) heating is carried out at the end of use to clean the filter (destruction of any living species), for example up to a temperature of 100°C. In the case where the material comprises only nanowires and no associated polymer, it can also be envisaged to heat to a higher temperature, for example 250°C, in order to definitively eliminate any trace of organic residue with a view to a complete regeneration of the airgel filter material.

b3) le chauffage est activé de façon intermittente par des montées et descentes de températures contrôlées, avec des possibilités de plateaux à toutes températures supérieures ou égales à la température ambiante.b3) the heating is activated intermittently by controlled temperature rises and falls, with the possibility of plateaus at all temperatures greater than or equal to the ambient temperature.

Le procédé est avantageusement mis en œuvre par un système de filtration tel que décrit précédemment, l’étape b) étant réalisée par l’application d’une tension aux électrodes de reprises de contact afin de réaliser un chauffage par effet Joule.The method is advantageously implemented by a filtration system as described above, step b) being carried out by applying a voltage to the contact electrodes in order to achieve heating by Joule effect.

Le système de traitement d’air selon l’invention peut être un appareil filtrant activement l’air, par exemple un climatiseur ou un chauffage insufflant de l’air, en particulier un appareil électrique. Il comporte alors un circulateur d’air configuré pour générer un flux d’air à traiter à travers l’aérogel métallique.The air treatment system according to the invention can be a device that actively filters the air, for example an air conditioner or a heater blowing air, in particular an electrical device. It then comprises an air circulator configured to generate a flow of air to be treated through the metallic airgel.

Le système de traitement peut être en particulier utilisé pour la filtration de l’air des espaces clos habitables comme les habitations, les bureaux ou les habitacles de véhicules.The treatment system can be used in particular for filtering the air in habitable enclosed spaces such as homes, offices or vehicle interiors.

Le système de traitement peut être aussi être un équipement de protection individuelle comme un masque.The treatment system can also be personal protective equipment such as a mask.

Ainsi, l’invention consiste essentiellement à proposer un aérogel à base de nanofils métalliques dont les propriétés intrinsèques de filtration biologique de l’air (structure poreuse efficace, matériau biocide) ont été mises en évidence par les inventeurs, cet aérogel pouvant en outre être activé thermiquement par effet Joule lorsqu’une tension électrique contrôlée est appliquée, afin de le régénérer.Thus, the invention essentially consists in proposing an airgel based on metallic nanowires whose intrinsic properties of biological air filtration (effective porous structure, biocidal material) have been demonstrated by the inventors, this airgel also being able to be thermally activated by Joule effect when a controlled electrical voltage is applied, in order to regenerate it.

De manière surprenante, aucun système de filtration biologique d’air n’a mis en œuvre un aérogel métallique, combinant les nombreuses propriétés d’intérêt suivantes :Surprisingly, no biological air filtration system has implemented a metallic airgel, combining the following numerous properties of interest:

- un matériau intrinsèquement antimicrobien, biocide grâce aux métaux des nanofils judicieusement sélectionnés ;- an intrinsically antimicrobial, biocidal material thanks to the carefully selected metals of the nanowires;

-une porosité submicronique empêchant la diffusion des microgouttelettes porteuses potentielles de virus ou autres microbes au sein du matériau ;-a submicron porosity preventing the diffusion of microdroplets potentially carrying viruses or other microbes within the material;

- une faible perte de charge permettant de laisser passer aisément un flux d’air à traiter ;- a low pressure drop allowing the flow of air to be treated to pass easily;

- un faible poids de matériau actif, ce qui limite la masse globale d’un système de filtration, ce qui est particulièrement avantageux, par exemple pour des masques de protection individuelle ;- a low weight of active material, which limits the overall mass of a filtration system, which is particularly advantageous, for example for personal protective masks;

- une conductivité électrique permettant de pouvoir chauffer l’aérogel par l’application d’une tension de préférence faible (<48V, de préférence <20V) aux bornes de celui-ci, de façon continue ou discontinue suivant l’utilisation envisagée, notamment en vue de le regénérer à haute température. Pour l’application d’une tension sur l’aérogel conducteur, afin de chauffer l’élément de façon contrôlée on pourra se reporter à la demande de brevet FR3070973.- an electrical conductivity making it possible to be able to heat the airgel by applying a preferably low voltage (<48V, preferably <20V) to the terminals thereof, continuously or discontinuously depending on the intended use, in particular to regenerate it at high temperature. For the application of a voltage on the conductive airgel, in order to heat the element in a controlled manner, reference may be made to the patent application FR3070973.

Un système de traitement d’air selon l’invention peut utiliser plusieurs éléments chauffants, de préférence sous la forme de cartouches, par exemple en série ou en parallèle fluidique.An air treatment system according to the invention can use several heating elements, preferably in the form of cartridges, for example in series or in fluidic parallel.

Il est tout à fait possible de combiner un système de traitement d’air selon l’invention avec un autre système filtrant, avec un système d’oxydation, par plasma par exemple, avec un ioniseur, ou avec un système de traitement UV ou tout autre système visant à purifier l’air.It is quite possible to combine an air treatment system according to the invention with another filtering system, with an oxidation system, by plasma for example, with an ionizer, or with a UV treatment system or any another system to purify the air.

Une cartouche conforme à l’invention peut en particulier être placée en série fluidique, de préférence après un premier système filtrant. Par exemple, un filtre en papier imprégné pour améliorer la résistance à l'humidité, agencé en amont permettra d’augmenter la performance du système de traitement selon l’invention et de prolonger la durée de vie de la cartouche à aérogel métallique. Un filtre en amont de la cartouche à aérogel métallique, peut également contenir des matériaux connus de l’homme de l’art comme, et de façon non limitative, du charbon actif, des fibres ou mousses plastiques, du coton, des fibres de verre, des gels ou aérogels de silice.A cartridge according to the invention can in particular be placed in fluidic series, preferably after a first filtering system. For example, a paper filter impregnated to improve resistance to humidity, arranged upstream will increase the performance of the treatment system according to the invention and extend the life of the metal airgel cartridge. A filter upstream of the metal airgel cartridge can also contain materials known to those skilled in the art such as, and without limitation, activated carbon, plastic fibers or foams, cotton, glass fibers , silica gels or aerogels.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics will emerge better on reading the detailed description, given by way of illustration and not limitation, with reference to the following figures.

la est une vue en perspective d’un aérogel métallique selon l’invention, sous la forme d’un cylindre, utilisé pour réaliser le traitement d’un flux d’air. there is a perspective view of a metal airgel according to the invention, in the form of a cylinder, used to carry out the treatment of an air flow.

la est une vue en perspective d’un aérogel métallique selon la , comprenant en outre deux électrodes de reprise de contact afin de chauffer l’aérogel par effet Joule lors du traitement d’air. there is a perspective view of a metal airgel according to , further comprising two contact electrodes in order to heat the airgel by the Joule effect during the air treatment.

la est une vue en perspective d’un aérogel métallique selon la intégré dans le corps d’une cartouche intégrant les deux électrodes de reprise de contact. there is a perspective view of a metal airgel according to integrated in the body of a cartridge integrating the two contact recovery electrodes.

Description détailléedetailed description

La montre un cylindre 1 d’aérogel métallique à base d’aérogels métalliques en argent qui est utilisé pour réaliser le traitement d’air.There shows a metallic airgel cylinder 1 based on silver metallic aerogels which is used to carry out the air treatment.

Pour réaliser la fabrication de cet aérogel aux dimensions attendues, on a procédé comme suit.To carry out the manufacture of this airgel with the expected dimensions, the following procedure was carried out.

Des nanofils d’argent sont préparés selon le procédé décrit dans la demande de brevet WO2015/177717 et dispersés dans de l’eau à une concentration de 40 g/L.Silver nanowires are prepared according to the process described in patent application WO2015/177717 and dispersed in water at a concentration of 40 g/L.

De la CMC (carboxymethylcellulose) 250K est dissoute dans l’eau à une concentration de 1,5% massique.CMC (carboxymethylcellulose) 250K is dissolved in water at a concentration of 1.5% by weight.

Les nanofils sont dispersés dans la solution de CMC pour obtenir les concentrations massiques totales de 3wt.% (ratio Ag:CMC = 1:1).The nanowires are dispersed in the CMC solution to obtain the total mass concentrations of 3 wt.% (Ag:CMC ratio = 1:1).

Le mélange est agité 30 min puis laissé ainsi durant 5h avant d’être introduit dans un moule cylindrique en PTFE (Teflon®) de diamètre de 3cm et de hauteur de 3cm.The mixture is stirred for 30 min then left like this for 5 hours before being introduced into a cylindrical mold made of PTFE (Teflon®) with a diameter of 3 cm and a height of 3 cm.

L’ensemble est refroidi par contact sur des plateaux thermorégulés froids à -20°C, puis le solide obtenu est lyophilisé.The whole is cooled by contact on cold thermoregulated trays at -20°C, then the solid obtained is freeze-dried.

Un aérogel sous forme du cylindre 1 est ainsi obtenu aux dimensions attendues.An airgel in the form of the cylinder 1 is thus obtained with the expected dimensions.

Le cylindre 1 peut être utilisé tel quel en tant que dispositif de filtration d’air.Cylinder 1 can be used as is as an air filtration device.

Le cylindre 1 décrit peut également être une partie d’un dispositif de filtration mettant en œuvre un chauffage par effet JouleThe cylinder 1 described can also be part of a filtration device implementing Joule effect heating.

On décrit maintenant un exemple de dispositif de filtration à conduction électrique.An example of an electrical conduction filtration device will now be described.

Sur les deux faces opposées du cylindre l’aérogel 1, tel que montré en , des électrodes de reprises de contact 10, 11 sont réalisées par dépôt de fils plats en cuivre de forme de disque creux qui sont collés avec une colle conductrice sur chaque face, comme montré en .On the two opposite faces of the cylinder, the airgel 1, as shown in , contact electrodes 10, 11 are made by depositing flat copper wires in the shape of a hollow disc which are glued with a conductive glue on each side, as shown in .

A titre d’exemple, l’anneau d’une électrode 10, 11 peut avoir une largeur de circonférence d’environ 2 mm.By way of example, the ring of an electrode 10, 11 may have a circumference width of approximately 2 mm.

L’ensemble de l’aérogel 1 avec ses électrodes 10, 11 est placé dans un réceptacle 2 en PEEK (polyétheréthercétone) qui est fermé, laissant uniquement les deux fils de contact sortir pour une connexion à un générateur basse tension. Une cartouche de filtration d’air 3 est ainsi formée, comme montré en .The whole of the airgel 1 with its electrodes 10, 11 is placed in a receptacle 2 made of PEEK (polyetheretherketone) which is closed, leaving only the two contact wires to come out for connection to a low voltage generator. An air filtration cartridge 3 is thus formed, as shown in .

La résistance R0 aux bornes de la cartouche 3 est mesurée égale à 10 ohm.The resistance R0 across the terminals of cartridge 3 is measured equal to 10 ohm.

A titre d’exemple d’utilisation de la cartouche de filtration 3, on fait circuler un flux d’air à la vitesse de 50 L.min-1durant 120 min à travers la cartouche 3.As an example of the use of the filtration cartridge 3, a flow of air is circulated at the speed of 50 L.min -1 for 120 min through the cartridge 3.

A la fin de cette étape de filtration, la résistance R0 aux bornes de la cartouche 3 est mesurée égale à 11 ohm.At the end of this filtration step, the resistance R0 across the terminals of the cartridge 3 is measured equal to 11 ohm.

Une tension de 20V est appliquée aux électrodes 10, 11 et donc dans l’aérogel 1. L’application de cette tension permet une montée en température à 200°C, qui est une température de surface, cette température étant alors stabilisée durant 10 min.A voltage of 20V is applied to the electrodes 10, 11 and therefore in the airgel 1. The application of this voltage allows a rise in temperature to 200° C., which is a surface temperature, this temperature then being stabilized for 10 min .

La résistance R0 aux bornes de la cartouche 3 est mesurée égale à 10 ohm.The resistance R0 across the terminals of cartridge 3 is measured equal to 10 ohm.

La cartouche 3 est à nouveau réutilisée avec un flux d’air à la vitesse de 50 L.min-1durant 120 min sans modification significative de la mesure de perte de charge, car inférieure à 3%.The cartridge 3 is again reused with an air flow at a speed of 50 L.min −1 for 120 min without significant modification of the pressure drop measurement, since it is less than 3%.

D’autres avantages et améliorations pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.Other advantages and improvements may be made without departing from the scope of the invention.

La synthèse de nanofils métalliques par exemple d’argent ou de cuivre, qui constituent un aérogel métallique selon l’invention peut être également réalisé comme décrit respectivement dans les articles Nanotechnology 24 (2013) 215501 et Nano Research 2014, 7(3): 315–324.The synthesis of metallic nanowires, for example silver or copper, which constitute a metallic airgel according to the invention can also be carried out as described respectively in the articles Nanotechnology 24 (2013) 215501 and Nano Research 2014, 7(3): 315 –324.

L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.The invention is not limited to the examples which have just been described; it is in particular possible to combine together characteristics of the examples illustrated within variants not illustrated.

Claims (19)

Utilisation d’aérogel métallique électriquement et thermiquement conducteur à base de nanofils métalliques, en tant que matériau filtrant pour le traitement d’air, l’aérogel présentant une conductivité électrique supérieure ou égale à 50 S/m et une masse volumique inférieure ou égale à 300 mg/cm3.Use of electrically and thermally conductive metallic airgel based on metallic nanowires, as a filtering material for the treatment of air, the airgel having an electrical conductivity greater than or equal to 50 S/m and a density less than or equal to 300 mg/cm 3 . Utilisation selon la revendication 1, les nanofils étant en argent et/ou en cuivre ou en un mélange métallique comportant au moins 50% massique d’au moins un de ces deux métaux.Use according to claim 1, the nanowires being made of silver and/or copper or of a metallic mixture comprising at least 50% by weight of at least one of these two metals. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, l’aérogel présentant une conductivité électrique entre 50 et 5000 S/m, de préférence comprise entre 100 et 2000 S/m.Use according to claim 1 or 2, the airgel having an electrical conductivity between 50 and 5000 S/m, preferably between 100 and 2000 S/m. Utilisation selon l’une des revendications précédentes, la masse volumique de l’aérogel métallique étant inférieure ou égale à 100 mg/cm3, de préférence inférieure à 50 mg/cm3.Use according to one of the preceding claims, the density of the metallic airgel being less than or equal to 100 mg/cm 3 , preferably less than 50 mg/cm 3 . Utilisation selon l’une des revendications précédentes, la perte de charge induite par l’aérogel métallique étant inférieure à 150 Pa mesurée à une vitesse de 5,33 cm/s, de préférence inférieure à 80 Pa.Use according to one of the preceding claims, the pressure drop induced by the metallic airgel being less than 150 Pa measured at a speed of 5.33 cm/s, preferably less than 80 Pa. Utilisation selon l’une des revendications précédentes, les nanofils présentant un diamètre moyen inférieur à 500 nm, de préférence inférieur à 200 nm, et une longueur moyenne entre 1 et 500 µm, de préférence entre 5 et 50 µm.Use according to one of the preceding claims, the nanowires having an average diameter of less than 500 nm, preferably less than 200 nm, and an average length between 1 and 500 μm, preferably between 5 and 50 μm. Utilisation selon l’une des revendications précédentes, l’aérogel métallique comprenant un ou plusieurs polymères , de préférence à base d’EDOT (3,4-éthylènedioxythiophène) ou des dérivés de la cellulose comme l’hydroxyéthylcellulose, la carboxyméthylcellulose ou l’hydroxypropylméthylcellulose.Use according to one of the preceding claims, the metallic airgel comprising one or more polymers, preferably based on EDOT (3,4-ethylenedioxythiophene) or cellulose derivatives such as hydroxyethylcellulose, carboxymethylcellulose or hydroxypropylmethylcellulose . Utilisation selon la revendication 7, la proportion massique des nanofils métalliques dans le(s) polymère(s) étant comprise entre 1 et 1000%, de préférence entre 30 et 300%, de préférence entre 60 et 140%.Use according to claim 7, the mass proportion of the metal nanowires in the polymer(s) being between 1 and 1000%, preferably between 30 and 300%, preferably between 60 and 140%. Système de traitement de l’air, comprenant :
  • un générateur de tension électrique ;
  • au moins un élément chauffant (3) comprenant :
un aérogel métallique (1) électriquement et thermiquement conducteur à base de nanofils métalliques, l’aérogel présentant une conductivité électrique supérieure ou égale à 50 S/m et une masse volumique inférieure ou égale à 300 mg/cm3,
deux électrodes de reprise de contact (10, 11), agencées chacune en contact avec l'aérogel métallique en laissant passer un flux d’air à traiter, et connectées au générateur de tension, de sorte qu’elles peuvent appliquer une tension électrique dans l'aérogel.
Air treatment system, including:
  • an electric voltage generator;
  • at least one heating element (3) comprising:
an electrically and thermally conductive metallic airgel (1) based on metallic nanowires, the airgel having an electrical conductivity greater than or equal to 50 S/m and a density less than or equal to 300 mg/cm3,
two contact electrodes (10, 11), each arranged in contact with the metallic airgel by allowing a flow of air to be treated to pass, and connected to the voltage generator, so that they can apply an electric voltage in the airgel.
Système de traitement selon la revendication 9, les deux électrodes étant agencées sur deux faces opposées de l’aérogel métallique.Treatment system according to claim 9, the two electrodes being arranged on two opposite faces of the metallic airgel. Système de traitement selon la revendication 9 ou 10, la résistance électrique de l’élément chauffant étant comprise entre 1 et 500 Ω et de préférence entre 5 et 50 Ω.Treatment system according to claim 9 or 10, the electrical resistance of the heating element being between 1 and 500 Ω and preferably between 5 and 50 Ω. Système de traitement selon l’une des revendications 9 à 11, l’élément chauffant étant sous la forme d’une cartouche comprenant un corps rigide (2) en matériau électriquement isolant logeant l’aérogel métallique et supportant les deux électrodesTreatment system according to one of Claims 9 to 11, the heating element being in the form of a cartridge comprising a rigid body (2) of electrically insulating material housing the metallic airgel and supporting the two electrodes Système de traitement selon la revendication 12, le corps de la cartouche étant adapté pour supporter des températures supérieures à 220°, de préférence supérieures à 250°C.Treatment system according to claim 12, the body of the cartridge being adapted to withstand temperatures above 220°, preferably above 250°C. Système de traitement selon la revendication 12 ou 13, le corps de la cartouche étant en matériau thermoplastique, choisi de préférence parmi les polyimides, polyamide-imides, les polybenzimidazoles, les polyétheréthercétones, les polysulfures de phénylène, les polyéthers, les perfluoroalkoxy ou tout mélange de ceux-ci.Treatment system according to claim 12 or 13, the body of the cartridge being made of thermoplastic material, preferably chosen from polyimides, polyamide-imides, polybenzimidazoles, polyetheretherketones, polyphenylene sulphides, polyethers, perfluoroalkoxy or any mixture of these. Système de traitement selon l’une des revendications 9 à 14, le générateur de tension étant adapté pour générer une tension d’alimentation jusqu’à 48V, de préférence comprise entre 0 et 20V, et de préférence encore entre 0 et 12V.Processing system according to one of Claims 9 to 14, the voltage generator being adapted to generate a supply voltage of up to 48V, preferably between 0 and 20V, and more preferably between 0 and 12V. Système de traitement selon l’une des revendications 9 à 15, comprenant un dispositif de mesure de la résistance électrique de l’élément chauffant.Treatment system according to one of Claims 9 to 15, comprising a device for measuring the electrical resistance of the heating element. Procédé de traitement d’air comportant les étapes suivantes :
  1. filtration d’une quantité d’air au moyen d’un aérogel électriquement et thermiquement conducteur à base de nanofils métalliques, en tant que matériau filtrant pour le traitement d’air, l’aérogel présentant une conductivité électrique supérieure ou égale à 50 S/m et une masse volumique inférieure ou égale à 300 mg/cm3,
b) chauffage de l’aérogel pendant une durée prédéterminée.
Air treatment process comprising the following steps:
  1. filtration of a quantity of air by means of an electrically and thermally conductive airgel based on metallic nanowires, as a filtering material for the treatment of air, the airgel having an electrical conductivity greater than or equal to 50 S/ m and a density less than or equal to 300 mg/cm 3 ,
b) heating the airgel for a predetermined time.
Procédé de traitement selon la revendication 17, selon lequel on réalise les étapes a) et b) simultanément ou on réalise l’étape b) une fois l’étape a) réalisée.Treatment process according to claim 17, according to which steps a) and b) are carried out simultaneously or step b) is carried out once step a) has been carried out. Procédé de traitement selon l’une des revendications 17 ou 18, mis en œuvre par un système selon l’une des revendications 9 à 16, l’étape b) étant réalisée par l’application d’une tension aux électrodes de reprises de contact. Treatment method according to one of Claims 17 or 18, implemented by a system according to one of Claims 9 to 16, step b) being carried out by applying a voltage to the contact electrodes .
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