WO2014005931A1 - Système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux - Google Patents

Système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux Download PDF

Info

Publication number
WO2014005931A1
WO2014005931A1 PCT/EP2013/063551 EP2013063551W WO2014005931A1 WO 2014005931 A1 WO2014005931 A1 WO 2014005931A1 EP 2013063551 W EP2013063551 W EP 2013063551W WO 2014005931 A1 WO2014005931 A1 WO 2014005931A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
chamber
gas
block
coating
resin
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/063551
Other languages
English (en)
Inventor
Marion MUSIELAK
Ruddy SOEPARNO
Manuel MARCOUX
Michel Quintard
Original Assignee
Institut National Polytechnique De Toulouse
Universite Paul Sabatier Toulouse Iii
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut National Polytechnique De Toulouse, Universite Paul Sabatier Toulouse Iii, Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Institut National Polytechnique De Toulouse
Publication of WO2014005931A1 publication Critical patent/WO2014005931A1/fr

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/0806—Details, e.g. sample holders, mounting samples for testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/38—Concrete; Lime; Mortar; Gypsum; Bricks; Ceramics; Glass

Definitions

  • the present invention is in the field of the characterization of gas transfer through porous solid materials. More particularly, it relates to a system for measuring physico-chemical parameters of the transfer of a gas through a porous solid material, a method for preparing such a system, and its use for determining in particular the effective diffusion coefficient and / or the sorption coefficient of a gas through a porous solid material.
  • a particularly preferred field of application of the invention is that of the characterization of the transfers of polluting gases, in particular volatile organic compounds (VOCs), from the soil towards the interior of the buildings, through the materials by composing the foundations, so as to make it possible to estimate the concentrations of gaseous pollutants likely to be reached in buildings built on polluted areas, and consequently to evaluate the health risks and the means to put in place to remedy them.
  • the porous solid material is in this case a so-called consolidated porous material, that is to say consisting of grains or fibers bonded together by a binder, most commonly a concrete.
  • the fraction of the total volume of material occupied by the air permeability, defined as the ability of the material to carry a gas
  • permeability defined as the ability of the material to carry a gas
  • the effective diffusion coefficient of the gas in the material expressing the ability of the gas molecules to move in the material under the effect of a concentration gradient
  • the sorption coefficient of the gas in the material e.g., the sorption coefficient of the gas in the material.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks of systems for measuring physico-chemical parameters of the transfer of a gas through a porous solid material proposed by the prior art, especially to those described above, by proposing such a system which allows to measure a plurality of such parameters reliably, and this for any gas, including aggressive gases such as TCE.
  • a system for the measurement of physico-chemical parameters of the transfer of a gas through a porous solid material making it possible in particular to determine the porosity, the permeability, the effective diffusion coefficient and the sorption coefficient characterizing such a transfer.
  • This device comprises: a cell comprising a first chamber and a second chamber; a block of said material held tightly sealed to gas between the first chamber and the second chamber, this block comprising:
  • the block of said material is further coated on the surface, on each peripheral face and on the peripheral zone of each of its main faces, with a coating of a vinylester-based polymer resin.
  • the porous solid material may be of any type for which it is advantageous to characterize the gas transfers therethrough. It may for example be any consolidated porous medium such as concrete or cement, wood, etc.
  • the block formed in this material preferably has a solid cylindrical shape, that is to say having a single peripheral face of circular cross section, and whose two flat faces constitute the opposite major faces.
  • it is a slab removed from a soil by coring.
  • the coating of which it is coated on a part of its surface, more precisely on the surface which is not in communication with the internal volume of the first or second chamber of the cell, coating obtained by curing a polymeric resin based on vinylester, is advantageously gas-tight, including VOCs and especially very aggressive gases such as TCE.
  • Such a coating also has the advantage of not releasing chemical compounds, which would be likely to distort the measurements, in the cell chambers.
  • the system according to the invention makes it possible to conduct a whole set of operations, such as diffusion experiments, convection, short or long-term sorption, etc., without it being possible to produce a gas leak out of the system. It makes it possible to characterize the material in a complete manner, and in particular to accurately and reliably estimate the effective parameters characterizing macroscopically the transfers of gas in a consolidated material such as concrete, namely the porosity, the permeability, the effective diffusion coefficient and the sorption coefficient. This is particularly advantageous in cases where the material to be tested is highly impermeable, so that its characterization requires long-term diffusion experiments, or even in cases where the gas studied is reactive and is sorbed on the material. It is then quite advantageous to be able to couple a diffusion experiment with a sorption experiment, to obtain a reliable characterization of the transfer.
  • the system according to the invention alone makes it possible to conduct all of these experiments, without modifying the block-cell assembly. After a single step of placing the block of material previously coated with the coating in the cell, all the measurement operations can be performed successively, to obtain all the values of the parameters necessary to characterize the transfer.
  • This system is also easy to assemble and disassemble, and the cell can be reused for subsequent measurements. Its manufacturing cost is low.
  • the system according to the invention has a wide range of applications. In particular, it makes it possible to carry out a precise study of the habitability of a building built on a site polluted by VOCs, by the characterization of the transfers of these gases through the material by constituting the foundations.
  • the invention also fulfills the following characteristics, implemented separately or in each of their technically operating combinations.
  • the vinylester-based polymeric resin can be of any conventional type in itself. It may especially be an epoxy type resin, commonly called “epoxyvinylester", for example bisphenol A or novolak type, or a non-epoxy resin, such as a vinyl ester urethane type resin.
  • epoxy type resin commonly called “epoxyvinylester”
  • novolak type for example bisphenol A or novolak type
  • non-epoxy resin such as a vinyl ester urethane type resin.
  • the resin is a vinylester urethane type resin, particularly easy to prepare and handle, and very resistant to aggressive gases, especially TCE.
  • the system may further comprise means enabling the establishment in the cell of controlled conditions of transfer of the gas through the material, by diffusion and convection.
  • control means may comprise means for controlling the flow rate of gas introduced into the first chamber, and if necessary in the second chamber, and / or means for controlling the flow of gas taken out of the second chamber, and the case out of the first room. It may also include means for controlling the flow of gas taken from the first chamber.
  • control means make it possible to regulate, in particular, the speeds and fluid flow rates at the inlet and / or outlet of each of the chambers, as well as the pressure gradient between the first chamber and the second chamber.
  • They may include flow meters controlling pumps, preferably with high accuracy, for example to 0.001 ml / min. These flowmeters are placed at fluid inlet / outlet lines connected, in fluid-tight manner, to orifices provided for this purpose in the peripheral walls of each of the first chamber and the second chamber.
  • the system further comprises means for measuring the pressure difference between the first chamber and the second chamber, which are preferably controlled by the flow meters controlling the flow rates of gas introduced into and / or taken out of the rooms.
  • the system may also include means for measuring the concentration of the gas in the second chamber, and preferably also in the first chamber.
  • These means can be of any type known per se, for example a gas chromatograph supplied with gaseous sample taken from a chamber.
  • each chamber advantageously comprises on its peripheral wall.
  • the first chamber and the second chamber are of the same volume, and preferably of substantially identical shapes, with manufacturing tolerances.
  • the cell is formed of an inert material and resistant to aggressive gases, for example glass.
  • the present invention relates to a method for preparing a system for measuring physico-chemical parameters of the transfer of a gas through a porous solid material, corresponding to one or more of the above characteristics. .
  • This process comprises the steps of:
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the method comprises a prior surfacing step of each peripheral face and the peripheral zone of each of the main faces of the block of said material, this being preferentially by filling any surface irregularities. by a surfacing coating, then polishing so as to obtain a flat and smooth surface for increasing the degree of gastightness of the contact zone between the block of material and the cooperating bearing surfaces of the chambers.
  • the surfacing coating may be of any conventional type in itself. It is the responsibility of the skilled person to choose the appropriate coating according to the material chosen. For example, it is possible to use a paste paste based on acrylic resin, obtained in particular from methyl ester of acrylic acid and of methyl methacrylate.
  • the method may further comprise, after the step of forming the polymeric resin coating on the block of material, the application on this coating of a layer of vacuum grease, in particular based on silicone.
  • the invention relates to the use of a system for measuring physico-chemical parameters of the transfer of a gas through a porous solid material, corresponding to one or more of the above characteristics, for the determination of permeability, porosity, Peclet number, Klinkenberg coefficient, effective diffusion and / or sorption coefficient of the gas through a sample block of the material.
  • a method of using the system according to the invention comprises:
  • a method of using the system comprises: introducing said gas, or a liquid able to volatilize to form said gas, in the first chamber,
  • the transport parameters (number of Peclet Pe, effective diffusion coefficient Deff) as well as the permeability (k) of the material can be established by means of such a non-reactive tracer gas.
  • the measurement of the permeability can be carried out by imposing a pressure gradient between the two main faces of the block of material, and by measuring the flow rate of gas passing through the block, at the outlet of the second chamber.
  • the apparent permeability is then determined from Darcy's law, for a compressible gas, according to the following equation: a pp A (P 0 2 - P a 2 ) where A is the section of the test body (cm 2 ), L the block thickness (cm), P 0 the absolute pressure at the inlet to the first chamber (bar), P at atmospheric pressure, Q the volume flow rate (cm 3 .s "1 ), and ⁇ the dynamic viscosity of the gas used (oxygen for example).
  • the transfer may be described by other laws than the classical laws of Fick and Darcy. Indeed, when the average free path of the molecules is close to the pore size, the many shocks of particles on the walls then generate a "sliding" effect, called the Klinkenberg effect.
  • Kn Knudsen
  • the determination of the intrinsic permeability therefore requires the measurement of the apparent permeability for several measurement pressures, plus especially from 1.2 to 4 bar.
  • the system according to the invention advantageously makes it easy to perform such a permeability measurement.
  • it is particularly advantageous that it comprises, in addition to gas inlet means in the first chamber, for example from a gas cylinder, and gas sampling means out of the second chamber, a differential pressure sensor connected between the first chamber and the second chamber, and a flow meter connected to the gas sampling means out of the second chamber.
  • a measurement of the transport properties, for example a tracer gas, through the block of the material comprises for its part to pass a controlled gas flow through the block of material, from the first chamber, and to measure the gas concentration at the outlet of the second chamber.
  • the system according to the invention comprises means capable of imposing an advective flow in the cell, comprising flowmeters at the inlet of the first chamber and at the outlet of the second chamber, as well as a differential pressure sensor for controlling the pressure difference between the two chambers, and means for measuring the tracer gas concentration at the outlet of the second chamber.
  • This concentration measurement can be carried out either by punctual sampling of gas from the second chamber or by continuous analysis by means of a chromatograph or any other suitable measuring device connected to the output of the second chamber.
  • the system then comprises means for applying a stable gas concentration in the first chamber, in the form of a well, which can be means for connecting a bottle of said pressurized gas to the first chamber.
  • the analysis of the results is adimensional, using the curve of the relative concentrations (concentration measured at the output of the second chamber / concentration injected into the first chamber) as a function of the relative time (or number of volume of pore, PV), and by coupling an analysis by the method of moments (described in particular in the publication of Govindaraju et al (2007)) and / or resolution of the transport equation with estimation of the parameters by the least squares method.
  • the transport equation is the following conventional convection-diffusion equation:
  • c is the concentration (ML 3 ), t the time (t), D eff the effective diffusion coefficient (L 2 .f 1 ), v the filtration rate (from Darcy) (Lf 1 ) , and x the distance.
  • the determination of the sorption coefficient of the gas on the block of the material as it passes through it comprises the same advection / diffusion experiment as that described above with the non-reactive tracer gas, and the comparison of the results obtained during these two experiences.
  • the system according to the invention then preferably comprises the same components as described above, except that the bottle of tracer gas is replaced by a bottle containing the gas to be studied, or by any other means for forming this gas in the first chamber of the cell, for example from the compound in liquid form.
  • an automatic pressure regulating device is integrated in the system according to the invention so as to maintain a pressure gradient imposed and constant between the first chamber and the second chamber.
  • This device can in this case consist of a very sensitive differential pressure sensor, for example measuring pressure differences of 0 to 50 Pa, with an accuracy of 0.01 Pa, and two diaphragm pumps, one pushing fresh air inside the second chamber, the other gas aspirant contained in the second chamber.
  • These pumps can be controlled by flow meters.
  • the flow rate entering the second chamber is imposed at a chosen value, for example from 0.5 to 2 ml / min, while the output flow rate is regulated by a proportional integral proportional regulator (PID) as a function of the measured value.
  • PID proportional integral proportional regulator
  • FIG. 1 represents a block of material coated with a coating, forming part of a system for measuring physico-chemical parameters of the transfer of a gas through said material according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 schematically shows a system for measuring physico-chemical parameters of the transfer of a gas through a material, according to one embodiment of the invention, comprising a cell, a block of said material and means. sealing said block between the first and second chambers of the cell;
  • FIG. 3 illustrates the system of FIG. 2, further comprising additional components for measuring physico-chemical parameters of the transfer of a gas through said material;
  • FIG. 4 represents a graph showing, as a function of time, the concentrations of TCE (in g / m 3 ) measured from samples taken in each chamber, during a TCE diffusion experiment through a block of concrete implementing a system according to an embodiment of the invention
  • FIG. 5 represents a graph showing, as a function of time, the TCE concentration (in g / m 3 ) measured on the one hand from samples taken in the second chamber during a diffusion experiment.
  • TCE through a concrete block implementing a system according to an embodiment of the invention (“exp.”), and secondly calculated by mathematical modeling ("num.”).
  • Measurement of physico-chemical parameters of the transfer of a gas through a porous solid material, according to one embodiment of the invention, is prepared in the following manner:
  • the material is a consolidated porous medium, more specifically concrete.
  • a block 10 of the material is first prepared.
  • this block 10 is a cake of solid cylindrical shape. It can be obtained by coring a floor slab of a building. It has for example a diameter of 15 cm ⁇ 0.2 cm, which corresponds to the conventional diameter of the bells commonly used for coring in the building sector. Its thickness, measured between the two opposite planar faces, called principal faces, 101, 102, may for example be between 0.1 and 15 cm, more particularly between 3 and 5 cm. Such dimensions, given solely by way of example, are however not at all limitative of the invention.
  • the block 10 further comprises a peripheral face 103, disposed between the two main faces 101, 102.
  • Each of these main faces has a substantially annular peripheral zone 104, a width of which can vary and is preferably about 1.5 to 2.5 cm.
  • a first preparation step the surface of the block 10 is sanded and polished.
  • the peripheral face 103 and the peripheral zone 104 of each main face 101, 102, are then, if necessary, subjected to a surfacing treatment, so as to give them a flat and smooth surface.
  • a surfacing coating is preferably a paste based on acrylic resin, for example a so-called HBM paste, reference Schellklebstoff X60. The surfaces thus treated are again subject to polishing.
  • the resin marketed by DSM, reference ATLAC 580 ACT can be used with a suitable hardener, for example BUTANOX M50, based on methyl ethyl ketone peroxide.
  • the resin and the hardener are mixed extemporaneously, in respective proportions of 200: 1, then the resulting mixture is applied over the entire surface of the block 10 concerned, for example by brush.
  • the assembly is then allowed to dry, typically for 48 hours, so as to ensure crosslinking and curing of the resin. This operation can be repeated at least one additional time, so as to form a second coating layer on the block of material.
  • the block 10 shown in FIG. 1 is obtained, in which the peripheral face 103 and the peripheral zone 104 of each main face 101, 102 are coated on the surface with a resin coating. These coated surfaces are then smooth and impervious. On the peripheral face 103, the coating 105 prevents lateral gas transfers during the subsequent implementation of the system. On the peripheral zones 104 of the faces 101, 102, it constitutes a smooth contact surface capable of providing a gas-tight contact with a cooperating surface which is also smooth, for example made of glass.
  • a layer of vacuum grease based on silicone for example, is applied to the resin coating 105.
  • the block 10 thus prepared is assembled to a cell that further comprises the system.
  • This cell is for example formed of glass, or any other material inert to the majority of chemical compounds, especially chlorinated compounds such as TCE, and preferentially transparent so as to allow a visual control of its internal volume. It comprises two separate chambers from each other, including a first chamber 201, arranged at the bottom in Figure 2, and a second chamber 202, arranged at the top in this same figure.
  • the chambers 201, 202 which may have any shape, for example a substantially circular cross section, preferably have the same volume, for example about 0.7 L. Their volume advantageously allows to contain enough fluid for samples to be taken. inside them do not disturb the progress of the transfer experiments.
  • They are each equipped, on their peripheral wall, with a plurality of taps 205, formed for example, as illustrated in FIG.
  • connection 205 also make it possible to connect connecting pipes to gas supply devices, to gas sampling devices, to devices for measuring flow, pressure, temperature, concentration, etc.
  • FIG. 2 shows two taps 205 for the first chamber 201, and three for the second chamber 202, such numbers being of course in no way limiting of the invention.
  • the block 10, carrying the resin coating 105, which for clarity has been shown in Figure 2 thicker than it actually is, and if necessary the vacuum grease layer (not shown on the FIG. 1) is arranged in the cell between the first chamber 201 and the second chamber 202. This is done so that each of the main faces 101, 102 of the block 10 is disposed inside the first chamber 201 and the first chamber 201 respectively.
  • the contact zone preferably has a width of at least 1 cm, preferably between 1 and 2.5 cm.
  • a neutral silicone layer 106 is interposed between the coating 105 of the block 10 and the support bearing surfaces 203, 204 of the chambers, and applied at the periphery of this contact zone.
  • This silicone conventional in itself, is advantageously chosen for its low ability to release solvent or any other chemical compound.
  • a layer 107 of polytetrafluoroethylene (PTFE), inert material and resistant to organochlorines, in particular TCE, can then be applied around the peripheral face 103 of the block 10 and adjacent areas of each chamber 201, 202, so as to perfect the gas tightness. Again, this layer 107 has been shown in Figure 2 thicker than it actually is, for the sake of clarity of the figure.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the block 10 is thus sandwiched between the first chamber 201 and the second chamber 202 in a gas-tight manner. This sealing persists despite the implementation in the cell of very aggressive solvents, such as TCE.
  • the system further comprises a clamping device enabling maintain the block 10 thus clamped between the chambers 201, 202.
  • This clamping device comprises for example two wedges 207, 207 'bearing respectively on the respective edges 208, 209 of the chambers 201, 202 arranged opposite the block 10, and means for adjusting the distance between these spacers 207, 207 '.
  • These means are for example threaded rods 210 fixed at one end to a first wedge 207, and able to slide at an opposite end through the second wedge 207 ', and cooperating bolts 21 1 engaged at this opposite end on each rod 210 , able to exert pressure on the second wedge 207 'in the direction of the first wedge 207.
  • the system according to the invention may comprise other components necessary for this measurement.
  • the system comprises, as means for introducing TCE into the first chamber 201: a pipe 301, preferably made of an inert hard pipe (all as preferably all the pipes implemented in the system), connecting a tapping 206 carried by the wall of the first chamber 201 to a feeder.
  • a pipe 301 preferably made of an inert hard pipe (all as preferably all the pipes implemented in the system)
  • This supply device may comprise, successively mounted on this pipe 301, a pump 303, for example of the membrane type, a flow meter 302 controlling this pump, a bubbler 305 containing a volume 306 of TCE in liquid form, and a valve of security 304 disposed between the bubbler 305 and the pump 303.
  • a pump 303 for example of the membrane type
  • a flow meter 302 controlling this pump
  • a bubbler 305 containing a volume 306 of TCE in liquid form
  • a valve of security 304 disposed between the bubbler 305 and the pump 303.
  • a differential pressure sensor 307 may be connected, via a line 308, to the first chamber 201 and the second chamber 202 through respective branched connections 206 at the wall. periphery of each of these rooms.
  • the system comprises, as means for taking TCE out of the second chamber 202: a pipe 309 connecting a tapping 206 carried by the wall of the second chamber 202 to a sampling device.
  • This sampling device may comprise, successively mounted on this pipe 309, a pump 31 1, for example of the membrane type, and a flow meter 310 controlling the pump.
  • the pipe 309 is extended to be connected to a TCE concentration measuring device in the gas sample taken out of the second chamber 202 (not shown in the figures).
  • the system may also include means for withdrawing gas from the first chamber 201, which may be similar to those described above for the second chamber 202, and means for introducing gas into the second chamber 202, which may also be similar to those described above for the first chamber 201.
  • the resin used is a vinylester urethane-type resin obtained after curing a resin mixture marketed by the company DSM, reference ATLAC 580 ACT, with the hardener BUTANOX M50.
  • the surfacing coating is HBM paste, reference Schellklebstoff X60.
  • 5 ml of pure liquid TCE are brought into contact with:
  • HBM paste in 4 pieces of respective dimensions 1 ⁇ 9 mm, 12 ⁇ 1 mm, 14 ⁇ 13 mm, 12 ⁇ 15 mm (thicknesses ⁇ 1 mm), - or 1, 957 g of resin, in two triangular pieces of respective dimensions 21 x9x1 1 mm, 16x10x17 mm (thickness of 2 mm).
  • each bottle is emptied of TCE, and placed under a hood for ventilation for 18 hours, to remove the remnants of TCE by evaporation.
  • EXAMPLE 2 - TCE diffusion experiment through a concrete sample block A system as described above with reference to FIGS. 2 and 3 is used for this experiment, which is conducted in an air-conditioned room, at a temperature of 23 ° C. C + / - 1 ° C.
  • the block of material having a diameter of 14.6 cm and a thickness of 4.5 cm, was obtained by coring and cutting from a larger concrete slab, 2 m in diameter and 20 cm in diameter. thickness.
  • composition of this concrete is given in Table 1 below.
  • Table 2 Concrete properties measured by the techniques of the prior art
  • the concrete block was dried until reaching a constant mass of 1780.2 g and prepared as indicated above, by polishing, application of the surfacing coating (HBM paste, reference Schellklebstoff X60 ), then the resin coating (obtained after curing an ATLAC 580 ACT resin mixture with the BUTANOX M50 hardener) and finally silicone based vacuum grease.
  • the block of material is gas tightly sealed between the first chamber and the second chamber of the cell as described above.
  • a neutral silicone layer is interposed between the coating and the bearing surfaces of the chambers, and applied at the periphery of this contact zone, and a layer of PTFE is then applied to the assembly.
  • VOC Volatile Organic Compound
  • TCE Volatile Organic Compound
  • Gas samples each 250 ⁇ , are taken from the first chamber and the second chamber at regular intervals. For each time step, 1 sample is taken in the first chamber, and 2 samples in the second chamber: one at the top of the chamber, and the other at the side, in order to check the homogeneity of the concentration in the chamber. For each chamber, the total number of samples is chosen so that the total volume taken remains less than 3% of the volume of gas in the chamber, in order to avoid disrupting the gas diffusion process through the block. of material. The TCE concentration in each of the samples thus taken is measured by gas chromatography.
  • each gaseous sample of 250 ⁇ is diluted in a glass flask containing 10 ml of methanol.
  • the flasks are shaken for 15 minutes, then an extract is analyzed by gas chromatography with an electron capture detector (CG / ECD) equipped with an autosampler (Clarus® 500, PerkinElmer, capillary column: Elite 5) .
  • the temperature of the injector is set at 110 ° C, the oven temperature is kept constant at 80 ° C, and the detector temperature is set at 320 ° C.
  • the total run time for TCE analysis is 6.10 minutes. For each sample, the analysis is repeated twice. The reproducibility of the analysis is good, with an average standard deviation of 1.8%.
  • V. p (VP + pg) F - where k is the permeability of the cement paste, ⁇ the viscosity of the vapor
  • TCE vapor concentrations measured from the samples taken in each room, as a function of time are shown in Figure 4 (in this figure, "1 st Ch.” Refers to the first chamber, and "2nd Floor.” means the second room).
  • concentrations indicated on this graph each represent the average of the two samples taken at the same time.
  • the TCE concentrations measured in the first chamber always remained lower than the saturation concentrations of TCE in the gas phase: the maximum was approximately 80% of the saturation concentration. It is also apparent from FIG. 4 that, 300 hours after the injection of the liquid TCE into the first chamber, the latter is completely volatilized and the vapor concentration in the tank begins to decrease.
  • the TCE concentrations reached equilibrium with the same amount of TCE vapor in both chambers, about 200 g. m "3.
  • the rate at which the concentration increases in the second chamber is approximately the same as the speed at which the concentration decreases in the first chamber, once all the liquid has evaporated TCE.
  • the delay necessary to obtain a constant concentration in the second chamber can be explained by different phenomena: a delay induced by sorption on the porous medium, and the diffusion time imposed by the diffusion coefficient.
  • This system makes it possible to determine the transfer properties of all gaseous substances in any consolidated porous medium, particularly in civil engineering (cement, plaster, concrete, brick, etc.), geology (rock, sandstone, etc.), chemical engineering (sintered, membranes, filters, etc.), or in cellulosic products (wood, paper, cardboard, etc.), ceramics, etc. ; this including and especially for aggressive substances, for which such properties can not be determined in particular by means of devices dedicated to measurements of sorption isotherms proposed by the prior art.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

L'invention concerne un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques caractérisant le transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux, qui comporte une cellule pourvue d'une première chambre (201) et d'une deuxième chambre (202), des moyens pour introduire un fluide dans la première chambre, des moyens pour prélever du gaz dans la deuxième chambre, et un bloc (10) dudit matériau maintenu serré de manière étanche au gaz entre ces deux chambres. Ce bloc (10) est enduit en surface d'un revêtement (105) d'une résine polymérique à base de vinylester, sur chaque face périphérique (103) et sur la zone périphérique (104) de chacune de ses faces principales (101, 102) en contact avec une portée d'appui coopérante (203, 204) d'une des chambres.

Description

SYSTÈME POUR LA MESURE DE PARAMÈTRES PHYSICO-CHIMIQUES DU TRANSFERT D'UN GAZ À TRAVERS UN MATÉRIAU SOLIDE POREUX
La présente invention s'inscrit dans le domaine de la caractérisation des transferts de gaz à travers les matériaux solides poreux. Plus particulièrement, elle concerne un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux, un procédé de préparation d'un tel système, et son utilisation pour la détermination notamment du coefficient de diffusion effectif et/ou du coefficient de sorption d'un gaz à travers un matériau solide poreux.
Un domaine d'application particulièrement préféré de l'invention est celui de la caractérisation des transferts de gaz polluants, en particulier de composés organiques volatils (COV), du sol vers l'intérieur des bâtiments, à travers les matériaux en composant les fondations, de sorte à permettre d'estimer les concentrations en polluants gazeux susceptibles d'être atteintes dans les bâtiments construits sur des zones polluées, et par voie de conséquence d'évaluer les risques sanitaires et les moyens à mettre en place pour y remédier. Le matériau solide poreux est dans ce cas un matériau poreux dit consolidé, c'est-à-dire constitué de grains ou fibres liés entre eux par un liant, le plus généralement un béton.
Le transfert de gaz ou vapeurs du sol vers l'intérieur des bâtiments a été le sujet de nombreuses études durant la dernière décennie. Des avancées significatives ont été réalisées dans la modélisation des interactions entre contaminants gazeux et matériaux de construction. Il a été développé des modèles tenant compte de divers phénomènes, notamment de la diffusion des gaz dans les matériaux. Le principal obstacle au développement de modèles capables de simuler des configurations de construction réalistes reste cependant le manque de données expérimentales pour les paramètres physiques impliqués dans les équations, plus particulièrement pour les quatre paramètres principaux suivants : la porosité, c'est-à-dire la fraction du volume total de matériau occupée par l'air ; la perméabilité, définie comme la capacité du matériau à transporter un gaz ; le coefficient de diffusion effectif du gaz dans le matériau, exprimant la capacité des molécules du gaz à se déplacer dans le matériau sous l'effet d'un gradient de concentration ; et le coefficient de sorption du gaz dans le matériau.
Il a été proposé par l'art antérieur plusieurs dispositifs permettant de mesurer le coefficient de diffusion effectif d'un gaz, en particulier d'un COV, à travers un matériau solide poreux tel que du béton. Trois de ces technologies sont présentées dans l'article de Haghighat et al. (2002). Il s'agit des technologies dites respectivement « cup method », méthode des chambres jumelles, et méthode du test de porosité. Aucune de ces technologies ne permet cependant de réaliser des mesures correctes permettant de calculer le coefficient de diffusion effectif et le coefficient de sorption de tous gaz, y compris des gaz particulièrement agressifs tels que le trichloréthylène (TCE), à travers un matériau solide poreux, tel qu'un milieu poreux consolidé. Le TCE étant le solvant le plus souvent présent dans les eaux souterraines, et ce dans le monde entier et étant responsable de nombreux problèmes d'intrusion de vapeur à l'intérieur d'un bâtiment (Lerner et al. (1991 ), Conant et al. (1996)), la caractérisation de son transfert à travers les matériaux constituant les dalles de fondation des bâtiments présente un intérêt particulier.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients des systèmes de mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux proposés par l'art antérieur, notamment à ceux exposés ci-avant, en proposant un tel système qui permette de mesurer une pluralité de tels paramètres de façon fiable, et ce pour n'importe quel gaz, y compris pour les gaz agressifs tels que le TCE. A cet effet, il est proposé selon la présente invention un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux, permettant de déterminer notamment la porosité, la perméabilité, le coefficient de diffusion effectif et le coefficient de sorption caractérisant un tel transfert. Ce dispositif comporte : - une cellule comportant une première chambre et une deuxième chambre, - un bloc dudit matériau maintenu serré de manière étanche au gaz entre la première chambre et la deuxième chambre, ce bloc comportant :
- deux faces dites principales opposées disposées respectivement dans la première chambre et dans la deuxième chambre, et en contact chacune au niveau d'une zone périphérique avec une portée d'appui coopérante respectivement de la première chambre et de la deuxième chambre, - et au moins une face dite périphérique,
- des moyens pour introduire un fluide dans la première chambre,
- et des moyens pour prélever, en continu ou ponctuellement, du gaz dans la deuxième chambre.
Le bloc dudit matériau est en outre enduit en surface, sur chaque face périphérique et sur la zone périphérique de chacune de ses faces principales, d'un revêtement d'une résine polymérique à base de vinylester.
Le matériau solide poreux peut être de tout type pour lequel il s'avère avantageux de caractériser les transferts de gaz à son travers. Il peut par exemple s'agir de tout milieu poreux consolidé tel que du béton ou du ciment, de bois, etc. Le bloc formé dans ce matériau présente de préférence une forme cylindrique pleine, c'est-à-dire présentant une unique face périphérique de section transversale circulaire, et dont les deux faces planes constituent les faces principales opposées. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, il s'agit d'une galette retirée d'un sol par carottage. Le revêtement dont il est enduit sur une partie de sa surface, plus précisément sur la surface qui n'est pas en communication avec le volume interne de la première ou de la deuxième chambre de la cellule, revêtement obtenu par durcissement d'une résine polymérique à base de vinylester, est avantageusement étanche aux gaz, y compris aux COV et notamment aux gaz très agressifs tels que le TCE. Il permet de maintenir un contact étanche entre le bloc de matériau et les portées d'appui coopérantes de chacune des chambres, sur de longues périodes de temps, et ce même lorsqu'il est mis en présence de gaz agressifs. Un tel revêtement présente en outre l'avantage de ne pas relarguer de composés chimiques, qui seraient susceptibles de fausser les mesures, dans les chambres de la cellule.
Grâce à cette étanchéité au gaz élevée et durable, le système selon l'invention permet de conduire tout un ensemble d'opérations, telles que des expériences de diffusion, convection, sorption de courte ou longue durée, etc., sans qu'il se produise de fuite de gaz hors du système. Il permet de caractériser le matériau de façon complète, et notamment d'estimer de façon précise et fiable les paramètres effectifs caractérisant à l'échelle macroscopique les transferts de gaz dans un matériau consolidé tel que du béton, à savoir la porosité, la perméabilité, le coefficient de diffusion effectif et le coefficient de sorption. Ceci s'avère notamment tout à fait avantageux dans les cas où le matériau à tester est fortement imperméable, si bien que sa caractérisation nécessite des expériences en diffusion de longue durée, ou encore dans les cas où le gaz étudié est réactif et se sorbe sur le matériau. Il est alors tout à fait avantageux de pouvoir coupler une expérience en diffusion avec une expérience de sorption, pour obtenir une caractérisation fiable du transfert.
Le système selon l'invention permet à lui seul de mener l'ensemble de ces expériences, sans modification de l'ensemble bloc-cellule. Après une unique étape de mise en place du bloc de matériau préalablement enduit du revêtement dans la cellule, l'ensemble des opérations de mesure peuvent être réalisées successivement, pour obtenir l'ensemble des valeurs des paramètres nécessaires pour caractériser le transfert.
Ce système est en outre facile à monter et à démonter, et la cellule peut être réutilisée pour des mesures ultérieures. Son coût de fabrication est faible. Le système selon l'invention présente un large champ d'applications. En particulier, il permet de réaliser une étude précise de l'habitabilité d'un bâtiment construit sur un site pollué par des COV, par la caractérisation des transferts de ces gaz à travers le matériau en constituant les fondations.
Selon des modes de réalisation particuliers, l'invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.
La résine polymérique à base de vinylester peut être de tout type classique en lui-même. Il peut notamment s'agir d'une résine de type époxy, couramment nommée « époxyvinylester », par exemple de type bisphénol A ou novolaque, ou d'une résine non-époxy, telle qu'une résine de type vinyl ester uréthane.
Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, la résine est une résine de type vinylester uréthane, particulièrement facile à préparer et manipuler, et de résistance très élevée aux gaz agressifs, notamment au TCE. De manière tout à fait avantageuse, le système peut en outre comporter des moyens permettant la mise en place dans la cellule de conditions contrôlées de transfert du gaz à travers le matériau, par diffusion et convection.
En particulier, il peut comporter des moyens de contrôle du débit de gaz introduit dans la première chambre, et le cas échéant dans la deuxième chambre, et/ou des moyens de contrôle du débit de gaz prélevé hors de la deuxième chambre, et le cas échéant hors de la première chambre. Il peut également comporter des moyens de contrôle du débit de gaz prélevé dans la première chambre. Ces moyens de contrôle permettent de régler notamment les vitesses et débits de fluide en entrée et/ou sortie de chacune des chambres, ainsi que le gradient de pression entre la première chambre et la deuxième chambre. Ils peuvent notamment comporter des débitmètres contrôlant des pompes, de préférence avec une grande précision, par exemple à 0,001 ml/min près. Ces débitmètres sont placés au niveau de canalisations d'entrée/sortie de fluide connectées, de manière étanche aux fluides, à des orifices prévus à cet effet dans les parois périphériques de chacune de la première chambre et de la deuxième chambre.
Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le système comporte en outre des moyens de mesure de la différence de pression entre la première chambre et la deuxième chambre, auxquels sont préférentiellement asservis les débitmètres contrôlant les débits de gaz introduits dans et/ou prélevés hors des chambres.
Le système peut également comporter des moyens de mesure de la concentration du gaz dans la deuxième chambre, et de préférence également dans la première chambre. Ces moyens peuvent être de tout type connu en lui- même, par exemple un chromatographe en phase gazeuse alimenté en échantillon gazeux prélevé hors d'une chambre.
L'ensemble de ces moyens externes à la cellule peuvent être facilement et rapidement assemblés à cette dernière, ou en être désassemblés en vue d'une expérience différente, sans modifier l'ensemble bloc-cellule, notamment grâce à des canaux d'entrée / sortie, dits piquages, que chaque chambre comporte avantageusement sur sa paroi périphérique.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, la première chambre et la deuxième chambre sont de même volume, et préférentiellement de formes sensiblement identiques, aux tolérances de fabrication près.
La cellule est formée en un matériau inerte et résistant aux gaz agressifs, par exemple en verre.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un procédé de préparation d'un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux, répondant à l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-avant. Ce procédé comprend les étapes de :
- formation sur chaque face périphérique et sur la zone périphérique de chacune des faces principales du bloc dudit matériau, d'un revêtement d'une résine polymérique à base de vinylester, - et serrage du bloc de manière étanche au gaz entre la première chambre et la deuxième chambre, de telle sorte que les faces principales opposées du bloc soient disposées respectivement dans la première chambre et la deuxième chambre, et que leurs zones périphériques portant le revêtement de résine polymérique soient en contact chacune avec une portée d'appui respectivement de la première chambre et de la deuxième chambre.
Le cas échéant, afin de minimiser encore les risques qu'il se produise une fuite de gaz hors du système, il peut être appliqué sur la partie extérieure de la cellule, plus particulièrement autour de la zone de contact entre le bloc de matériau et chaque portée d'appui d'une chambre coopérante, une couche de silicone neutre et/ou une couche de polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l'invention, le procédé comporte une étape préalable de surfaçage de chaque face périphérique et de la zone périphérique de chacune des faces principales du bloc dudit matériau, ceci préférentiellement par comblement d'éventuelles irrégularités de surface par un enduit de surfaçage, puis polissage de sorte à obtenir une surface plane et lisse permettant d'augmenter le degré d'étanchéité au gaz de la zone de contact entre le bloc de matériau et les portées d'appui coopérantes des chambres. L'enduit de surfaçage peut être de tout type classique en lui-même. Il est du ressort de l'homme du métier de choisir l'enduit adéquat en fonction du matériau choisi. Par exemple, on peut utiliser un enduit en pâte à base de résine acrylique, obtenue notamment à partir d'ester méthylique d'acide acrylique et de méthacrylate de méthyle.
Le procédé peut en outre comporter, après l'étape de formation du revêtement de résine polymérique sur le bloc de matériau, l'application sur ce revêtement d'une couche de graisse à vide, notamment à base de silicone.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne l'utilisation d'un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux, répondant à l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-avant, pour la détermination de la perméabilité, de la porosité, du nombre de Péclet, du coefficient de Klinkenberg, du coefficient de diffusion effectif et/ou du coefficient de sorption du gaz à travers un bloc échantillon du matériau.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers, en vue notamment de déterminer la perméabilité du matériau, un procédé d'utilisation du système selon l'invention comprend :
- l'introduction du gaz, ou d'un liquide apte à se volatiliser pour former ledit gaz, dans la première chambre,
- l'imposition d'un gradient de pression entre la première chambre et la deuxième chambre, - et la mesure du débit de gaz traversant le bloc de matériau, après prélèvement dudit gaz hors de la deuxième chambre.
En vue par exemple de déterminer le coefficient de sorption et le coefficient de diffusion effectif du gaz à travers le matériau, un procédé d'utilisation du système comprend : - l'introduction dudit gaz, ou d'un liquide apte à se volatiliser pour former ledit gaz, dans la première chambre,
- le maintien d'une concentration stable dudit gaz dans la première chambre,
- l'imposition d'un gradient de pression entre la première chambre et la deuxième chambre,
- le prélèvement d'un échantillon gazeux hors de la deuxième chambre,
- et les mesures, au cours du temps de la concentration dudit gaz dans l'échantillon gazeux ainsi prélevé. Ces opérations peuvent être mises en œuvre d'une part avec un gaz traceur non réactif, c'est-à-dire non-sorbant sur le matériau, par exemple l'hexafluorure de soufre SF6, et d'autre part avec le gaz à étudier.
De manière générale, les paramètres de transport (nombre de Péclet Pe, coefficient de diffusion effectif Deff) ainsi que la perméabilité (k) du matériau peuvent être établis au moyen d'un tel gaz traceur non réactif.
Pour chaque paramètre à mesurer, les conditions opératoires adéquates peuvent aisément être mises en place, grâce à la grande poly- fonctionnalité du système conforme à l'invention.
A titre d'exemple, la mesure de la perméabilité peut être effectuée en imposant un gradient de pression entre les deux faces principales du bloc de matériau, et en mesurant le débit de gaz traversant le bloc, en sortie de la deuxième chambre. La perméabilité apparente est ensuite déterminée à partir de la loi de Darcy, pour un gaz compressible, selon l'équation suivante : app A (P0 2 - Pa 2) où A est la section du corps d'épreuve (cm2), L l'épaisseur du bloc (cm), P0 la pression absolue à l'entrée dans la première chambre (bar), Pa la pression atmosphérique, Q le débit volumique (cm3.s"1), et μ la viscosité dynamique du gaz utilisé (oxygène par exemple).
En fonction de la dimension des pores du matériau à étudier, le transfert peut être décrit par d'autres lois que les lois classiques de Fick et Darcy. En effet, quand le libre parcours moyen des molécules est proche de la dimension des pores, les nombreux chocs des particules sur les parois engendrent alors un effet de « glissement », appelé effet Klinkenberg. Cet effet est significatif quand le nombre de Knudsen (Kn), parfois appelé « taux de raréfaction du gaz», est compris entre 0,007 et 5. La valeur de la perméabilité apparente {kapp) mesurée varie alors linéairement en fonction de la pression de mesure, et pour obtenir la perméabilité intrinsèque du matériau, on calcule l'ordonnée à l'origine de la courbe kapp = f(1 /P). La pente de cette courbe correspond au coefficient de Klinkenberg. Pour un milieu où l'effet Klinkenberg n'est pas présent, la courbe est une droite horizontale.
La détermination de la perméabilité intrinsèque demande donc la mesure de la perméabilité apparente pour plusieurs pressions de mesure, plus particulièrement de 1 ,2 à 4 bars. Le système selon l'invention permet avantageusement de réaliser aisément une telle mesure de perméabilité. A cet effet, il est particulièrement avantageux qu'il comporte, outre des moyens d'entrée de gaz dans la première chambre, à partir par exemple d'une bouteille de gaz, et des moyens de prélèvement de gaz hors de la deuxième chambre, un capteur de pression différentiel relié entre la première chambre et la deuxième chambre, et un débitmètre connecté aux moyens de prélèvement de gaz hors de la deuxième chambre.
Une mesure des propriétés de transport, par exemple d'un gaz traceur, à travers le bloc du matériau, comprend quant à elle de faire passer un flux de gaz contrôlé à travers le bloc de matériau, depuis la première chambre, et de mesurer la concentration en gaz en sortie de la deuxième chambre. Il est alors avantageux que le système selon l'invention comporte des moyens aptes à imposer un flux advectif dans la cellule, comprenant des débitmètres en entrée de la première chambre et en sortie de la deuxième chambre, ainsi qu'un capteur de pression différentiel pour contrôler la différence de pression entre les deux chambres, et des moyens de mesure de la concentration en gaz traceur en sortie de deuxième chambre. Cette mesure de concentration peut s'effectuer soit par prélèvement ponctuel de gaz hors de la deuxième chambre, soit par analyse en continu grâce à un chromatographe ou tout autre appareil de mesure adéquat branché en sortie de la deuxième chambre. Enfin, le système comprend alors des moyens permettant d'appliquer une concentration de gaz stable dans la première chambre, sous forme de puise, qui peuvent être des moyens de connexion d'une bouteille dudit gaz sous pression à la première chambre.
L'analyse des résultats s'effectue de manière adimensionnelle, en utilisant la courbe des concentrations relatives (concentration mesurée en sortie de la deuxième chambre / concentration injectée en entrée dans la première chambre) en fonction du temps relatif (ou en nombre de Volume de pore, PV), et en couplant une analyse par la méthode des moments (décrite notamment dans la publication de Govindaraju et al. (2007)) et/ou une résolution de l'équation de transport avec estimation des paramètres par la méthode des moindres carrés. A cet effet, on peut utiliser par exemple le code CXTFIT sous Excel, développé par Toride et al. (1995).
Pour un gaz traceur non-réactif, l'équation du transport est l'équation classique de convection-diffusion suivante :
Figure imgf000013_0001
dt elt dx2 dx où c est la concentration (M.L3), t le temps (t), Deff le coefficient de diffusion effectif (L2.f1), v la vitesse de filtration (de Darcy) (L.f1), et x la distance.
La forme adimensionnelle de cette équation est :
M 1 d2C M M
dT Pe dX2 dX avec les paramètres adimensionnels suivants : c0 L L Deff où L est l'épaisseur du bloc de matériau. La résolution de cette équation, avec les conditions limites proposées ci-dessous :
Figure imgf000013_0002
et limCM(x,r) = 0 ^ (Χ,0) = ^ (Χ,0) = 0
x→∞ permet, par comparaison avec les résultats expérimentaux, de déterminer le nombre de Péclet, Pe, et donc de déduire le coefficient de diffusion effectif Deff (v étant mesuré). La détermination du Deff du gaz traceur permet de calculer la tortuosité (r) du matériau, et donc de calculer le Deff de tout autre gaz dont on connaît le coefficient de diffusion moléculaire (D0). Par exemple, si le gaz à étudier est le TCE, on peut déterminer son coefficient de diffusion effectif par l'équation suivante :
traceur /rt traceur /-> TCE /rt TCE
T=L>o /Ueff = Uo /Ueff
La détermination du coefficient de sorption du gaz sur le bloc du matériau lorsqu'il le traverse comprend la même expérience d'advection / diffusion que celle décrite ci-dessus avec le gaz traceur non réactif, et la comparaison des résultats obtenus lors de ces deux expériences. Le système selon l'invention comporte alors de préférence les mêmes composants que décrit ci-avant, hormis que la bouteille de gaz traceur est remplacée par une bouteille contenant le gaz à étudier, ou par tout autre moyen permettant de former ce gaz dans la première chambre de la cellule, par exemple à partir du composé sous forme liquide.
L'analyse s'effectue alors de la même manière que pour le gaz traceur. La seule différence réside dans le fait que le gaz à étudier n'est pas neutre et va se sorber sur le matériau, ce qui va induire un retard sur l'arrivée des concentrations dans la deuxième chambre. En effet, l'équation régissant le transfert de composé réactif (sorbant), induit un terme de retard et un coefficient de sorption reliant la concentration « libre » et la concentration sorbée sur le matériau. Par exemple, si on considère un matériau composé d'une double porosité (deux tailles de pores, des macro-pores ou des fissures par exemple, où le gaz va circuler, et des micro-pores où le gaz est plutôt immobile), comme c'est le cas pour de nombreux matériaux poreux consolidés, tels que le béton, et en considérant des isothermes de sorption linéaire (par souci de simplicité), l'équation adimensionnelle du transfert correspond alors à un modèle de non-équilibre physique (équations de Van Genuchten et al. (1976)) : dT dT Pe dX2 dX avec la relation entre les concentrations dans les deux types de pores :
Figure imgf000015_0001
et les paramètres adimensionnels :
Pe = ^ , R = l + &- , β = θΜ + ίρΚΏ a = a L
Deff θ θ + /ρΚΰ θν où Pe est le nombre de Péclet, R est le facteur de retard, KD est le coefficient de sorption (L3 M), p est la masse volumique du matériau traversé (M L"3), Θ et ΘΜ sont les porosités totales et macroscopique, respectivement, β est la proportion de sites de sorption à l'équilibre, est la proportion de sites de sorption en contact direct avec la phase gazeuse dans la macroporosité, ω est le nombre de Damkôhler, et a est le coefficient de transfert de masse (T1). CM and Ομ sont les concentrations relatives du composé dans le domaine macro et micro, respectivement.
En appliquant les méthodes inverses mentionnées ci-avant, à savoir la méthode des moments et/ou la méthode des moindres carrés, on obtient les valeurs du Pe, puis indirectement du coefficient de diffusion effectif Deff (la vitesse étant connue, puisque mesurée par les débitmètres que comporte le système), du retard R, donc du coefficient de sorption KD, ainsi que des coefficients de non-linéarité β et ω. Si la sorption est celle d'un simple milieu, les équations présentées ci-dessus sont toujours valables, mais β vaut 1 et ω vaut 0. Sans se limiter aux exemples de mise en œuvre décrits ci-avant, le système selon l'invention peut trouver nombre d'autres applications. Par exemple, il peut être utilisé pour reproduire, à l'échelle de laboratoire, les conditions limites d'un cas réel de pollution. A l'intérieur des bâtiments, il existe en effet toujours une légère dépression, typiquement de 1 à 1 0 Pa, entre l'air intérieur et l'air atmosphérique et du sol. Cette dépression est due aux effets du chauffage et de la ventilation. Un tel gradient de pression engendre un effet d'advection qui n'est pas négligeable. Le système selon l'invention permet avantageusement de recréer une telle dépression dans la deuxième chambre, afin d'en apprécier les effets sur le transfert de gaz présent dans la première chambre à travers le bloc de matériau. A cet effet, un dispositif de régulation automatique de pression est intégré au système selon l'invention de sorte à pouvoir maintenir un gradient de pression imposé et constant entre la première chambre et la deuxième chambre. Ce dispositif peut dans ce cas être constitué d'un capteur de pression différentiel très sensible, par exemple mesurant des différences de pression de 0 à 50 Pa, avec une précision de 0,01 Pa, et de deux pompes à membrane, l'une poussant de l'air frais à l'intérieur de la deuxième chambre, l'autre aspirant du gaz contenu dans cette deuxième chambre. Ces pompes peuvent être contrôlées par des débitmètres. Le débit en entrée dans la deuxième chambre est imposé à une valeur choisie, par exemple de 0,5 à 2 ml/min, tandis que le débit de sortie est régulé par un régulateur proportionnel intégral dérivé (PID) en fonction de la valeur mesurée du gradient de pression entre les deux chambres. Le gaz à étudier est introduit dans la première chambre, et sa concentration en sortie de la deuxième chambre est mesurée, ce qui permet de caractériser le transfert du gaz à travers le bloc de matériau dans des conditions reproduisant les conditions réelles d'une habitation.
Les caractéristiques et avantages du système selon l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière des exemples de réalisation et de mise en œuvre ci-après, fournis à simple titre illustratif et nullement limitatifs de l'invention, avec l'appui des figures 1 à 5, dans lesquelles :
- la figure 1 représente un bloc de matériau enduit d'un revêtement, entrant dans la constitution d'un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers ledit matériau selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 montre de manière schématique un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau, selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant une cellule, un bloc dudit matériau et des moyens de serrage étanche dudit bloc entre la première et la deuxième chambre de la cellule ; - la figure 3 illustre le système de la figure 2, comprenant en outre des composants additionnels pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers ledit matériau ;
- la figure 4 représente un graphe montrant, en fonction du temps, les concentrations en TCE (en g. m"3) mesurées à partir de prélèvements réalisés dans chaque chambre, lors d'une expérience de diffusion de TCE à travers un bloc de béton mettant en œuvre un système conforme à un mode de réalisation de l'invention ;
- et la figure 5 représente un graphe montrant, en fonction du temps, la concentration en TCE (en g. m"3), d'une part mesurée à partir de prélèvements réalisés dans la deuxième chambre, lors d'une expérience de diffusion de TCE à travers un bloc de béton mettant en œuvre un système conforme à un mode de réalisation de l'invention (« exp. »), et d'autre part calculée par modélisation mathématique (« num. »). Un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux, selon un mode de réalisation de l'invention, est préparé de la façon suivante. A titre d'exemple, le matériau est un milieu poreux consolidé, plus précisément du béton.
Un bloc 10 du matériau est tout d'abord préparé. A titre d'exemple, comme illustré sur la figure 1 , ce bloc 10 est une galette de forme cylindrique pleine. Il peut être obtenu par carottage d'une dalle de sol d'un bâtiment. Il présente par exemple un diamètre de 15 cm ± 0,2 cm, qui correspond au diamètre classique des cloches couramment mises en œuvre pour le carottage dans le domaine du bâtiment. Son épaisseur, mesurée entre les deux faces planes opposées, dites faces principales, 101 , 102, peut par exemple être comprise entre 0,1 et 15 cm, plus particulièrement entre 3 et 5 cm. De telles dimensions, données uniquement à titre d'exemple, ne sont toutefois nullement limitatives de l'invention.
Le bloc 10 comporte en outre une face périphérique 103, disposée entre les deux faces principales 101 , 102. Chacune de ces faces principales comporte une zone périphérique 104 sensiblement annulaire, dont une largeur peut varier et est de préférence d'environ 1 ,5 à 2,5 cm.
Dans une première étape de préparation, la surface du bloc 10 est poncée et polie. La face périphérique 103 et la zone périphérique 104 de chaque face principale 101 , 102, sont ensuite, si nécessaire, soumises à un traitement de surfaçage, de sorte à leur conférer une surface plane et lisse. A cet effet, d'éventuelles irrégularités de surface, pouvant résulter d'un sciage mis en œuvre pour prélever le bloc d'une dalle, sont comblées au moyen d'un enduit de surfaçage. Cet enduit est de préférence une pâte à base de résine acrylique, par exemple une pâte dite HBM, référence Schellklebstoff X60. Les surfaces ainsi traitées sont à nouveau soumises à polissage.
Un revêtement d'une résine polymérique à base de vinylester, plus particulièrement d'une résine de type vinylester uréthane, visible en plus sombre sur la figure 1 , est ensuite formé sur la face périphérique 103 et la zone périphérique 104 de chaque face principale 101 , 102 du bloc 10. A titre d'exemple, on peut utiliser la résine commercialisée par la société DSM, référence ATLAC 580 ACT, avec un durcisseur adapté, par exemple le BUTANOX M50, à base de peroxyde de méthyléthylcétone. A cet effet, la résine et le durcisseur sont mélangés extemporanément, dans des proportions respectives de 200:1 , puis le mélange obtenu est appliqué sur toute la surface du bloc 10 concernée, par exemple au pinceau. L'ensemble est ensuite laissé sécher, typiquement pendant 48 heures, de sorte à assurer la réticulation et le durcissement de la résine. Cette opération peut être renouvelée au moins une fois supplémentaire, de sorte à former une deuxième couche de revêtement sur le bloc de matériau.
On obtient le bloc 10 représenté sur la figure 1 , dans lequel la face périphérique 103 et la zone périphérique 104 de chaque face principale 101 , 102, sont enduites en surface d'un revêtement de résine. Ces surfaces enduites sont alors lisses et imperméables. Sur la face périphérique 103, le revêtement 105 permet d'éviter les transferts de gaz latéraux lors de la mise en œuvre ultérieure du système. Sur les zones périphériques 104 des faces principales 101 , 102, il constitue une surface de contact lisse apte à assurer un contact étanche au gaz avec une surface coopérante également lisse, par exemple en verre.
Le cas échéant, une couche de graisse à vide, à base de silicone par exemple, est appliquée sur le revêtement de résine 105.
Le bloc 10 ainsi préparé est assemblé à une cellule que comporte en outre le système.
Cette cellule est par exemple formée en verre, ou en tout autre matériau inerte envers la majorité des composés chimiques, notamment les composés chlorés tels que le TCE, et préférentiellement transparent de sorte à permettre un contrôle visuel de son volume intérieur. Elle comporte deux chambres distinctes l'une de l'autre, dont une première chambre 201 , disposée en bas sur la figure 2, et une deuxième chambre 202, disposée en haut sur cette même figure. Les chambres 201 , 202, qui peuvent présenter toute forme, par exemple une section transversale sensiblement circulaire, ont préférentiellement le même volume, par exemple d'environ 0,7 L. Leur volume permet avantageusement de contenir suffisamment de fluide pour que des prélèvements réalisés en leur intérieur ne perturbent pas le déroulement des expériences de transfert. Elles sont chacune équipées, sur leur paroi périphérique, d'une pluralité de piquages 205, formés par exemple, comme illustré sur la figure 2, de petits tubes de verre filetés qui peuvent être fermés par des bouchons 206 pleins ou comportant un septum en PTFE permettant de réaliser des prélèvements de gaz avec une seringue. Les piquages 205 permettent également le branchement de tuyaux de connexion à des dispositifs d'alimentation en gaz, à des dispositifs de prélèvement de gaz, à des appareils de mesure de débit, de pression, de température, de concentration, etc.
A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 2 deux piquages 205 pour la première chambre 201 , et trois pour la deuxième chambre 202, de tels nombres n'étant bien entendu nullement limitatifs de l'invention. Le bloc 10, portant le revêtement de résine 105, qui pour des fins de clarté a été représenté sur la figure 2 plus épais qu'il ne l'est réellement, et le cas échéant la couche de graisse à vide (non représentée sur la figure), est disposé dans la cellule entre la première chambre 201 et la deuxième chambre 202. Ceci est réalisé de telle sorte que chacune des faces principales 101 , 102 du bloc 10 soit disposée à l'intérieur respectivement de la première chambre 201 et de la deuxième chambre 202, et qu'une portée d'appui périphérique annulaire, respectivement 203, 204, de chaque chambre soit en contact avec la zone périphérique 104 de la face principale du bloc associée 101 , 102, plus précisément avec le revêtement 105 porté par cette zone périphérique 104. La zone de contact présente de préférence une largeur d'au moins 1 cm, de préférence comprise entre 1 et 2,5 cm.
Le cas échéant, pour augmenter le degré d'étanchéité au gaz du contact entre le bloc 10 et chaque portée d'appui des chambres 201 , 202, une couche de silicone neutre 106, représentée plus épaisse que dans la réalité sur la figure, pour des besoins de meilleure compréhension, est intercalée entre le revêtement 105 du bloc 10 et les portées d'appui 203, 204 des chambres, et appliquée en périphérie de cette zone de contact. Cette silicone, classique en elle-même, est avantageusement choisie pour sa faible capacité à relarguer du solvant ou tout autre composé chimique.
Une couche 107 de polytétrafluoroéthylène (PTFE), matériau inerte et résistant aux organochlorés, notamment au TCE, peut ensuite être appliquée autour de la face périphérique 103 du bloc 10 et des zones voisines de chaque chambre 201 , 202, de sorte à parfaire l'étanchéité au gaz. Là encore, cette couche 107 a été représentée sur la figure 2 plus épaisse qu'elle ne l'est en réalité, pour des besoins de clarté de la figure.
Le bloc 10 est ainsi pris en sandwich entre la première chambre 201 et la deuxième chambre 202, de manière étanche au gaz. Cette étanchéité perdure malgré la mise en œuvre dans la cellule de solvants très agressifs, tels que le TCE.
Le système comporte en outre un dispositif de serrage permettant de maintenir le bloc 10 ainsi serré entre les chambres 201 , 202. Ce dispositif de serrage comporte par exemple deux cales 207, 207' prenant appui respectivement sur des bords respectifs 208, 209 des chambres 201 , 202 disposés à l'opposé du bloc 10, et des moyens de réglage de la distance entre ces cales 207, 207'. Ces moyens sont par exemple des tiges filetées 210 fixées à une extrémité à une première cale 207, et aptes à coulisser à une extrémité opposée à travers la deuxième cale 207', et des boulons coopérants 21 1 engagés à cette extrémité opposée sur chaque tige 210, aptes à exercer une pression sur la deuxième cale 207' en direction de la première cale 207. En fonction de la mesure à réaliser, le système selon l'invention peut comporter d'autres composants nécessaires à cette mesure.
A titre d'exemple, il a été représenté sur la figure 3 un système complet, adapté pour la réalisation de mesures des propriétés de sorption d'un gaz, par exemple de TCE, à travers le bloc de matériau 10. Outre les composants décrits ci-avant en référence à la figure 2, qui ne seront pas décrits ici à nouveau, le système comporte, en tant que moyens pour introduire du TCE dans la première chambre 201 : une canalisation 301 , réalisée de préférence en tuyau dur inerte (tout comme de préférence l'ensemble des canalisations mises en œuvre dans le système), connectant un piquage 206 porté par la paroi de la première chambre 201 à un dispositif d'alimentation. Ce dispositif d'alimentation peut comporter, montés successivement sur cette canalisation 301 , une pompe 303, par exemple du type à membrane, un débitmètre 302 contrôlant cette pompe, un bulleur 305 contenant un volume 306 de TCE sous forme liquide, et une vanne de sécurité 304 disposée entre le bulleur 305 et la pompe 303. Une fois le TCE sous forme liquide introduit dans la première chambre 101 , il s'y volatilise presque instantanément. Pour d'autres gaz, le bulleur peut être remplacé par une simple bouteille de gaz sous pression associée à un détendeur.
Un capteur de pression différentielle 307 peut être connecté, par une canalisation 308, à la première chambre 201 et à la deuxième chambre 202, par le biais de piquages 206 respectifs formés au niveau de la paroi périphérique de chacune de ces chambres.
Enfin, le système comporte, en tant que moyens pour prélever du TCE hors de la deuxième chambre 202 : une canalisation 309 connectant un piquage 206 porté par la paroi de la deuxième chambre 202 à un dispositif de prélèvement. Ce dispositif de prélèvement peut comporter, montés successivement sur cette canalisation 309, une pompe 31 1 , par exemple du type à membrane, et un débitmètre 310 contrôlant cette pompe. Au-delà de la pompe, la canalisation 309 se prolonge pour être connectée à un appareil de mesure de concentration de TCE dans l'échantillon gazeux prélevé hors de la deuxième chambre 202 (non représenté sur les figures).
Le système peut également comporter des moyens pour prélever du gaz hors de la première chambre 201 , pouvant être similaires à ceux décrits ci- dessus pour la deuxième chambre 202, et des moyens pour introduire du gaz dans la deuxième chambre 202, pouvant également être similaires à ceux décrits ci-dessus pour la première chambre 201 .
EXEMPLE 1 - Tests de résistance au TCE de la résine et de l'enduit de surfaçage
Afin de vérifier que la résine polymérique à base de vinylester et l'enduit de surfaçage mis en œuvre dans le système selon l'invention présentent une résistance élevée au TCE, il est réalisé l'expérience suivante.
La résine utilisée est une résine de type vinylester uréthane, obtenue après durcissement d'un mélange de résine commercialisée par la société DSM, référence ATLAC 580 ACT, avec le durcisseur BUTANOX M50.
L'enduit de surfaçage est la pâte HBM, référence Schellklebstoff X60. Dans un flacon de 15 ml, sont mis en contact 5 ml de TCE liquide pur, avec :
- 0,358 g de pâte HBM, en 4 morceaux de dimensions respectives 1 1 x9 mm, 12x1 1 mm, 14x13 mm, 12x15 mm (épaisseurs <1 mm), - ou 1 ,957 g de résine, en 2 morceaux triangulaires de dimensions respectives 21 x9x1 1 mm, 16x10x17 mm (épaisseur de 2 mm).
Après 7 mois, un prélèvement de 5 μΙ_ de liquide est réalisé dans chaque flacon. Chaque solution prélevée est diluée dans 10 ml d'hexane, et analysée en chromatographie en phase gazeuse. Il est à cet effet utilisé un chromatographe Clarus® 500, PerkinElmer, avec une colonne capillaire Elite 5, adaptée à l'analyse des composés chlorés, et avec un détecteur à capture d'électron (ECD). Les chromatogrammes obtenus, comparés à un chromatogramme témoin réalisé dans les mêmes conditions sur une solution du même TCE pur dilué dans l'hexane, montrent que les échantillons prélevés des flacons ne comportent que du TCE et de l'hexane, et aucun autre composé pouvant résulter d'une dégradation de la résine ou de l'enduit.
Après 13 mois, chaque flacon est vidé du TCE, et placé sous une hotte aspirante pour ventilation pendant 18 h, afin d'éliminer par évaporation les restes de TCE.
Pour le flacon contenant l'enduit de surfaçage, sont récupérés 0,358 g de solides. Les dimensions de chaque morceau s'avèrent sensiblement identiques à celles des morceaux initialement introduits dans le flacon. La consistance de la pâte et sa couleur semblent inchangées. Pour le flacon contenant la résine, sont récupérés 1 ,945 g de solides.
Une telle différence de poids de 0,012 g (0,6 %) n'est pas significative. Les dimensions de chaque morceau s'avèrent sensiblement identiques à celles des morceaux initialement introduits dans le flacon. La consistance de la résine et sa couleur semblent inchangées. Ces résultats démontrent que la résine et l'enduit de surfaçage sélectionnés conformément à l'invention ne montrent pas de signes de dégradation au contact prolongé de TCE pur liquide. On peut en conclure que ces matériaux sont résistants aux vapeurs de TCE, moins concentrées que le liquide pur, et ce sur de très longues durées de temps, bien supérieures aux durées des expériences de transfert susceptibles d'être conduites avec le système selon l'invention.
EXEMPLE 2 - Expérience de diffusion de TCE à travers un bloc échantillon de béton Un système tel que décrit ci-avant en référence aux figures 2 et 3 est utilisé pour cette expérience, qui est menée dans une salle climatisée, à une température de 23 °C + / - 1 °C.
Le bloc de matériau, présentant un diamètre de 14,6 cm et une épaisseur de 4,5 cm, a été obtenu par carottage et découpe à partir d'une plus grande dalle de béton, de 2 m de diamètre et 20 cm d'épaisseur.
La composition de ce béton est donnée dans le Tableau 1 ci-après.
Figure imgf000024_0001
Tableau 1 - Composition du béton
Les données caractéristiques de ce béton, obtenues par des techniques de l'art antérieur, sont indiquées dans le Tableau 2 ci-après.
Figure imgf000024_0002
Tableau 2 - Propriétés du béton mesurées par les techniques de l'art antérieur Avant l'expérience, le bloc de béton est séché jusqu'à atteindre une masse constante, de 1780,2 g, et préparé comme indiqué ci-avant, par polissage, application de l'enduit de surfaçage (pâte HBM, référence Schellklebstoff X60), puis du revêtement de résine (obtenu après durcissement d'un mélange de résine ATLAC 580 ACT, avec le durcisseur BUTANOX M50) et enfin de graisse à vide à base de silicone. Ensuite, le bloc de matériau est serré de manière étanche au gaz entre la première chambre et la deuxième chambre de la cellule, comme décrit ci-avant. En particulier, une couche de silicone neutre est intercalée entre le revêtement et les portées d'appui des chambres, et appliquée en périphérie de cette zone de contact, et une couche de PTFE est ensuite appliquée sur l'ensemble.
Le COV (Composé Organique Volatil) utilisé pour cette expérience est le TCE. Ses propriétés physiques et chimiques, décrites par Cotel et al. (201 1 ), sont représentatives de la famille des COV, et résumées dans le Tableau 3 ci- après.
Figure imgf000025_0001
Tableau 3 - Propriétés physiques et chimiques du TCE, à 20
Au début de l'essai, 25 ml de TCE en phase liquide sont injectés dans la première chambre, dans laquelle on observe qu'ils se vaporisent très rapidement.
Des échantillons de gaz, chacun de 250 μΙ, sont prélevés de la première chambre et de la deuxième chambre à intervalles réguliers. Pour chaque pas de temps, 1 échantillon est prélevé dans la première chambre, et 2 échantillons dans la deuxième chambre : un au sommet de la chambre, et l'autre sur le côté, afin de vérifier l'homogénéité de la concentration dans la chambre. Pour chaque chambre, le nombre total de prélèvements est choisi de sorte à ce que le volume total prélevé reste inférieur à 3 % du volume de gaz dans la chambre, ceci afin d'éviter de perturber le processus de diffusion du gaz à travers le bloc de matériau. La concentration en TCE dans chacun des échantillons ainsi prélevés est mesurée par chromatographie en phase gazeuse.
A cet effet, chaque échantillon gazeux de 250 μΙ est dilué dans un flacon en verre contenant 10 ml de méthanol. Les flacons sont agités pendant 15 minutes, puis un extrait est analysé par chromatographie en phase gazeuse avec un détecteur à capture d'électrons (CG/ECD) équipé d'un passeur automatique (Clarus® 500, PerkinElmer ; colonne capillaire : Elite 5). La température de l'injecteur est réglée à 1 10 °C, la température du four est maintenue constante à 80 °C, et la température du détecteur est réglée à 320 °C. Le temps total d'exécution pour l'analyse du TCE est de 6,10 minutes. Pour chaque échantillon, l'analyse est répétée deux fois. La reproductibilité de l'analyse est bonne, avec un écart-type moyen de 1 ,8 %.
Modélisation de l'expérience
Pour modéliser le transport de vapeur de TCE à travers le bloc de béton, il est considéré que la diffusion pour la phase gazeuse (l'échantillon séché de béton étant considéré comme totalement exempt d'eau) se réalise uniquement dans la direction z verticale, entre la première chambre et la deuxième chambre. Il est pris en compte la sorption sur la pâte de ciment ainsi que l'advection due à la gravité. L'équation du transport prise en compte est la suivante : er{l + Kr)^ = V.{erD:ff .Vc - erv c) où c est la concentration moyenne en TCE, εγ la porosité de la pâte de ciment, KY le coefficient de sorption, v la vitesse de pore du gaz, calculée d'après la résolution de l'équation suivante :
V. p (VP + pg) F —— où k est la perméabilité de la pâte de ciment, μ la viscosité de la vapeur
(variant peu sur la gamme de concentration testée), et p la densité du mélange air-TCE, variant avec la concentration en TCE, et exprimée comme tel par Thomson et al. (1997) :
P = Pair + c (1— M AIR I MTCE ) où M gjr et MTCE sont les masses moléculaires de l'air pur et du TCE respectivement, et pa/r est la densité de l'air pur.
Enfin, pour comprendre d'une manière semi-quantitative la phénoménologie de l'expérience, il est reproduit en 2 dimensions la géométrie du système selon l'invention et du bloc de béton (taille et répartition des granulats, obtenues à partir d'une reproduction de la géométrie de béton). Il est imposé les mêmes conditions aux limites (sous le bloc de béton, il est imposé la concentration mesurée dans la première chambre, en fonction du temps). Les paramètres d'entrée sont tels qu'indiqués dans les Tableaux 2 et 3 ci- avant. Résultats
Les concentrations de vapeurs de TCE mesurées à partir des prélèvements réalisés dans chaque chambre, en fonction du temps, sont montrées sur la figure 4 (sur cette figure, « 1 ere Ch. » désigne la première chambre, et « 2eme Ch. » désigne la deuxième chambre). Pour la deuxième chambre, les concentrations indiquées sur ce graphe représentent chacune la moyenne des deux échantillons prélevés au même temps.
Ces analyses montrent que la concentration peut être considérée comme homogène dans chaque chambre, même s'il n'a pas été utilisé de système de ventilation : l'écart-type entre les deux échantillons prélevés au même moment, dans la même chambre, mais à partir de différentes zones est inférieur à 1 ,5 %.
Comme l'ont observé Cotel et al. (201 1 ), les concentrations en TCE mesurées dans la première chambre sont toujours restées inférieures aux concentrations de saturation de TCE dans la phase gazeuse : le maximum était à peu près de 80% de la concentration de saturation. Il ressort également de la figure 4 que, 300 h après l'injection du TCE liquide dans la première chambre, celui-ci est entièrement volatilisé et la concentration en vapeur dans le réservoir commence à diminuer.
Après 600 h, les concentrations en TCE ont atteint l'équilibre, avec la même quantité de vapeur de TCE dans les deux chambres, soit environ 200 g. m"3. La vitesse à laquelle la concentration augmente dans la deuxième chambre est à peu près la même que la vitesse à laquelle la concentration diminue dans la première chambre, une fois que tout le TCE liquide s'est évaporé.
Le retard nécessaire pour obtenir une concentration constante dans la deuxième chambre peut être expliqué par des phénomènes différents : un retard induit par la sorption sur le milieu poreux, et le temps de diffusion imposé par le coefficient de diffusion.
Les résultats de la modélisation, comparés aux résultats expérimentaux, sont présentés sur la figure 5. On constate sur cette figure qu'en tenant compte de l'advection générée par la gravité, les résultats numériques obtenus sont cohérents avec ceux de l'expérience menée au moyen d'un système conforme à un mode de réalisation de l'invention.
Pour toutes les expériences ci-avant, des résultats similaires sont obtenus en mettant en œuvre des résines différentes, de type époxyvinylester, telles que les résines de type bisphénol A et les résines de type novolaque, commercialisées par la société Reichhold sous la gamme Dion®. Le système selon l'invention est ainsi apte à permettre la réalisation d'une caractérisation précise du transfert du gaz très agressif qu'est le TCE à travers un matériau poreux solide, le béton, par des expériences menées de façon fiable sur de très longues durées. Ce système permet la détermination des propriétés des transferts de toutes substances gazeuses dans tout milieu poreux consolidé, relevant notamment du génie civil (ciment, plâtre, béton, brique, etc.), de la géologie (roche, grés, etc.), du génie chimique (frittés, membranes, filtres, etc.), ou encore dans des produits cellulosiques (bois, papier, carton, etc.), céramiques, etc. ; ceci y compris et surtout pour les substances agressives, pour lesquelles de telles propriétés ne peuvent notamment pas être déterminées au moyen des appareils dédiés aux mesures d'isothermes de sorption proposés par l'art antérieur.
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Conant et al (1996), Vapor transport of trichloroethylene in the unsaturated zone: field and numerical modeling investigations, Water Resources Research 32, 9-22
Cotel et al. (201 1 ), Effect of Density-Driven Advection on Trichloroethylene Vapor Diffusion in a Porous Médium, Vadose Zone Journal 10, 565-581
Govindaraju et al. (2007), Temporal Moment Analysis for Soluté Transport in Porous Media, Chap 5 in Moment Analysis For Subsurface Hydrologie Applications, Water Science and Technology Library, 2007, Volume 61 , 105- 141
Haghighat et al. (2002), Measurement of diffusion coefficient of VOCs for building materials: review and development of calculation procédure, IndoorAir 12: 81 -91 Lerner et al (1991 ), Sources et mouvements des solvants chlorés dans les eaux souterraines de Conventry (Grande Bretagne), Hydrogéologie 4, 275-282
Thomson et al. (1997), A numerical investigation into factors affecting gas and aqueous phase plumes in the subsurface, Journal of Contaminant Hydrology 28, 39-70 Toride et al. (1995), The CXTFIT Code for estimating transport parameters from laboratory or field tracer experiments, version 2.0. U.S. Salinity Laboratory, Agricultural Research Services, U.S. Department of Agriculture, Riverside, CA
Van Genuchten et al. (1976), Mass Transfer Studies in Sorbing Porous Media I. Analytical Solutions, Soil Science Society of America Journal 40, 473-480

Claims

REVENDICATIONS
1. Système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux, comportant :
- une cellule comportant une première chambre (201 ) et une deuxième chambre (202), - un bloc (10) dudit matériau maintenu serré de manière étanche au gaz entre ladite première chambre (201 ) et ladite deuxième chambre (202), ledit bloc comportant :
- deux faces dites principales opposées (101 , 102) disposées respectivement dans ladite première chambre et ladite deuxième chambre, et en contact chacune au niveau d'une zone périphérique
(104) avec une portée d'appui coopérante (203, 204) respectivement de ladite première chambre et de ladite deuxième chambre,
- et au moins une face dite périphérique (103),
- des moyens pour introduire un fluide dans la première chambre, - et des moyens pour prélever du gaz dans la deuxième chambre, caractérisé en ce que le bloc (10) dudit matériau est enduit en surface, sur chaque face périphérique (103) et sur la zone périphérique (104) de chacune des faces principales (101 , 102), d'un revêtement (105) d'une résine polymérique à base de vinylester.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel ladite résine est une résine vinylester uréthane.
3. Système selon la revendication 1 , dans lequel ladite résine est une résine époxyvinylester.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, comportant des moyens (302, 310) de contrôle du débit de gaz introduit dans la première chambre (201 ) et/ou prélevé dans la deuxième chambre (202).
5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, comportant des moyens (307) de mesure de la différence de pression entre la première chambre (201 ) et la deuxième chambre (202).
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, comportant des moyens de mesure de la concentration dudit gaz dans la deuxième chambre
(202) et de préférence dans la première chambre (201 ).
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la première chambre (201 ) et la deuxième chambre (202) sont de même volume.
8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la cellule est en verre.
9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le bloc (10) dudit matériau présente une forme cylindrique pleine.
10. Procédé de préparation d'un système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant les étapes de :
- formation sur chaque face périphérique (103) et sur la zone périphérique (104) de chacune des faces principales (101 , 102) du bloc (10) dudit matériau, d'un revêtement (105) d'une résine polymérique à base de vinylester, - et serrage de manière étanche au gaz dudit bloc entre la première chambre (201 ) et la deuxième chambre (202), de telle sorte que les faces principales opposées dudit bloc soient disposées respectivement dans ladite première chambre et ladite deuxième chambre, et que leurs zones périphériques portant le revêtement de ladite résine polymérique soient en contact chacune avec une portée d'appui (203, 204) respectivement de ladite première chambre et de ladite deuxième chambre.
11. Procédé de préparation selon la revendication 10, comportant une étape préalable de surfaçage de chaque face périphérique (103) et de la zone périphérique (204) de chacune des faces principales (101 , 102) du bloc (10) dudit matériau, par comblement d'éventuelles irrégularités de surface par un enduit de surfaçage, puis polissage de sorte à obtenir une surface plane et lisse.
12. Procédé de préparation selon l'une des revendications 10 à 1 1 , comportant après l'étape de formation dudit revêtement (105) sur ledit bloc (10), l'application sur ledit revêtement d'une couche de graisse à vide.
13. Utilisation d'un système pour la mesure de paramètres physico- chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux selon l'une des revendications 1 à 9, pour la détermination du coefficient de diffusion effectif et/ou du coefficient de sorption dudit gaz à travers un bloc échantillon (10) dudit matériau.
14. Utilisation selon la revendication 13, selon laquelle on réalise : - l'introduction dudit gaz dans la première chambre (201 ),
- l'imposition d'un gradient de pression entre la première chambre (201 ) et la deuxième chambre (202),
- et la mesure du débit de gaz traversant ledit bloc (10) dudit matériau, après prélèvement dudit gaz hors de la deuxième chambre.
15. Utilisation selon l'une des revendications 13 à 14, selon laquelle on réalise :
- l'introduction dudit gaz dans la première chambre (201 ),
- le maintien d'une concentration stable dudit gaz dans ladite première chambre, - l'imposition d'un gradient de pression entre la première chambre (201 ) et la deuxième chambre (202),
- le prélèvement d'un échantillon gazeux hors de la deuxième chambre, - et les mesures, au cours du temps, de la concentration dudit gaz dans l'échantillon gazeux ainsi prélevé.
PCT/EP2013/063551 2012-07-03 2013-06-27 Système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux WO2014005931A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1256382 2012-07-03
FR1256382A FR2993051A1 (fr) 2012-07-03 2012-07-03 Systeme pour la mesure de parametres physico-chimiques du transfert d'un gaz a travers un materiau solide poreux

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014005931A1 true WO2014005931A1 (fr) 2014-01-09

Family

ID=46754704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/063551 WO2014005931A1 (fr) 2012-07-03 2013-06-27 Système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d'un gaz à travers un matériau solide poreux

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2993051A1 (fr)
WO (1) WO2014005931A1 (fr)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108827859A (zh) * 2018-09-11 2018-11-16 东华理工大学 一种氡气扩散式岩石有效孔隙度测量装置及方法
CN109883892A (zh) * 2019-03-26 2019-06-14 福州大学 一种非饱和土壤中气体扩散系数测量装置及方法
CN110865009A (zh) * 2019-11-06 2020-03-06 长安大学 沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置及测定方法
CN113155701A (zh) * 2021-04-25 2021-07-23 温州大学 膨润土渗透-扩散-膨胀力的组合试验装置及其试验方法
CN114279935A (zh) * 2021-12-28 2022-04-05 上海理工大学 一种多功能多孔材料风道测试平台
CN114279889A (zh) * 2020-09-28 2022-04-05 必照岩土科技(南京)有限公司 一种用于土体voc气体吸附试验装置及测试方法
FR3139001A1 (fr) * 2022-08-28 2024-03-01 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives Dispositif portable d'estimation d’une concentration de gaz dégagé par un milieu.

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107290250B (zh) * 2017-05-16 2023-11-03 浙江工业大学 一种水泥基材料中氧气扩散系数的测定方法及装置
CN110672494B (zh) * 2019-10-25 2022-05-20 浙江天地环保科技股份有限公司 一种多孔混凝土不同孔隙率的快速测定方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1470372A (fr) * 1966-01-10 1967-02-24 Union Tech Interfederale Du Ba Appareillage de mesure de l'ensemble des caractéristiques d'un échantillon poreux
US4710948A (en) * 1985-12-13 1987-12-01 Atlantic Richfield Company Geologic core holder with composite barrel
FR2715471A1 (fr) * 1994-01-21 1995-07-28 Commissariat Energie Atomique Dispositif de mesure de la perméabilité d'un échantillon plat de matériau.
EP1519186A1 (fr) * 2003-09-27 2005-03-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Méthode et appareil de test pour des matériaux perméables à l'air
US20100294025A1 (en) * 2007-09-28 2010-11-25 Daisuke Omori Apparatus and method for measurement of water vapor permeability

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1470372A (fr) * 1966-01-10 1967-02-24 Union Tech Interfederale Du Ba Appareillage de mesure de l'ensemble des caractéristiques d'un échantillon poreux
US4710948A (en) * 1985-12-13 1987-12-01 Atlantic Richfield Company Geologic core holder with composite barrel
FR2715471A1 (fr) * 1994-01-21 1995-07-28 Commissariat Energie Atomique Dispositif de mesure de la perméabilité d'un échantillon plat de matériau.
EP1519186A1 (fr) * 2003-09-27 2005-03-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Méthode et appareil de test pour des matériaux perméables à l'air
US20100294025A1 (en) * 2007-09-28 2010-11-25 Daisuke Omori Apparatus and method for measurement of water vapor permeability

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CONANT ET AL.: "Vapor transport of trichloroethylene in the unsaturated zone: field and numerical modeling investigations", WATER RESOURCES RESEARCH, vol. 32, 1996, pages 9 - 22
COTEL ET AL.: "Effect of Density-Driven Advection on Trichloroethylene Vapor Diffusion in a Porous Medium", VADOSE ZONE JOURNAL, vol. 10, 2011, pages 565 - 581
GOVINDARAJU ET AL.: "Temporal Moment Analysis for Solute Transport in Porous Media, Chap 5 in Moment Analysis For Subsurface Hydrologic Applications", WATER SCIENCE AND TECHNOLOGY LIBRARY, vol. 61, 2007, pages 105 - 141
HAGHIGHAT ET AL.: "Measurement of diffusion coefficient of VOCs for building materials: review and development of calculation procedure", INDOOR AIR, vol. 12, 2002, pages 81 - 91
LERNER ET AL.: "Sources et mouvements des solvants chlorés dans les eaux souterraines de Conventry (Grande Bretagne", HYDROGÉOLOGIE, vol. 4, 1991, pages 275 - 282
THOMSON ET AL.: "A numerical investigation into factors affecting gas and aqueous phase plumes in the subsurface", JOURNAL OF CONTAMINANT HYDROLOGY, vol. 28, 1997, pages 39 - 70
TORIDE ET AL.: "The CXTFIT Code for estimating transport parameters from laboratory or field tracer experiments", 1995, U.S. DEPARTMENT OF AGRICULTURE, RIVERSIDE
VAN GENUCHTEN ET AL.: "Mass Transfer Studies in Sorbing Porous Media . Analytical Solutions", SOIL SCIENCE SOCIETY OF AMERICA JOURNAL, vol. 40, 1976, pages 473 - 480

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108827859A (zh) * 2018-09-11 2018-11-16 东华理工大学 一种氡气扩散式岩石有效孔隙度测量装置及方法
CN108827859B (zh) * 2018-09-11 2024-04-02 东华理工大学 一种氡气扩散式岩石有效孔隙度测量装置及方法
CN109883892A (zh) * 2019-03-26 2019-06-14 福州大学 一种非饱和土壤中气体扩散系数测量装置及方法
CN109883892B (zh) * 2019-03-26 2021-11-30 福州大学 一种非饱和土壤中气体扩散系数测量装置及方法
CN110865009A (zh) * 2019-11-06 2020-03-06 长安大学 沥青混合料中氧气扩散系数和消耗系数的测定装置及测定方法
CN114279889A (zh) * 2020-09-28 2022-04-05 必照岩土科技(南京)有限公司 一种用于土体voc气体吸附试验装置及测试方法
CN113155701A (zh) * 2021-04-25 2021-07-23 温州大学 膨润土渗透-扩散-膨胀力的组合试验装置及其试验方法
CN114279935A (zh) * 2021-12-28 2022-04-05 上海理工大学 一种多功能多孔材料风道测试平台
FR3139001A1 (fr) * 2022-08-28 2024-03-01 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives Dispositif portable d'estimation d’une concentration de gaz dégagé par un milieu.
EP4331485A1 (fr) * 2022-08-28 2024-03-06 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Dispositif portable d'estimation d'une concentration de gaz dégagé par un milieu

Also Published As

Publication number Publication date
FR2993051A1 (fr) 2014-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014005931A1 (fr) Système pour la mesure de paramètres physico-chimiques du transfert d&#39;un gaz à travers un matériau solide poreux
Nie et al. Sorption charateristics of methane among various rank coals: impact of moisture
EP0729022B1 (fr) Méthode et dispositif pour déterminer différents paramètres physiques d&#39;échantillons de matériaux poreux, en présence de fluides di- ou triphasiques
CA2383764C (fr) Methode pour modeliser des deplacements de fluides dans un milieu poreux tenant compte d&#39;effets d&#39;hysteresis
Ylä-Mäihäniemi et al. Inverse gas chromatographic method for measuring the dispersive surface energy distribution for particulates
Zhan et al. Influence of clod size and water content on gas permeability of a compacted loess
Gritti et al. Particle size distribution and column efficiency. An ongoing debate revived with 1.9 μm Titan-C18 particles
US20100268488A1 (en) Methods and Apparatus for Determining the Permeability and Diffusivity of a Porous Solid
FR2952181A1 (fr) Dispositif de mesure de l&#39;activite d&#39;un liquide dans un milieu complexe et procede associe
Brazinha et al. Gas transport through cork: Modelling gas permeation based on the morphology of a natural polymer material
Seethapathy et al. Polydimethylsiloxane-based permeation passive air sampler. Part II: Effect of temperature and humidity on the calibration constants
Feia et al. Experimental evaluation of the pore-access size distribution of sands
Valenciano et al. A critical short review of equilibrium and kinetic adsorption models for VOCs breakthrough curves modelling
Jung et al. Determination of the interparticle void volume in packed beds via intraparticle Donnan exclusion
WO2016050797A1 (fr) Procede de chromatographie sur un garnissage multicapillaire
Madaleno et al. Drying kinetics of granulated cork: Effect of air drying stream conditions and granule size
Hamamoto et al. Unified measurement system for the gas dispersion coefficient, air permeability, and gas diffusion coefficient in variably saturated soil
He et al. The ‘ideal selectivity’vs ‘true selectivity’for permeation of gas mixture in nanoporous membranes
Hamamoto et al. The solute diffusion coefficient in variably compacted, unsaturated volcanic ash soils
Rodinkov et al. Assessment of the possibility of the performance of a chromatomembrane mass-exchange process on granular composite carbon–fluoroplastic sorbents for the generation of standard gas mixtures
Poulsen et al. Simple and rapid method for measuring gas dispersion in porous media: Methodology and applications
Leonardis et al. Temperature effects on nano‐LC column packing technology
Unger et al. Surface modified silica gels as porous material for GPC
Petropoulos et al. Unified formulation of isothermal adsorbate flow in mesoporous media over the full vapor pressure range
Anwar Estimation of mass-transfer coefficients using air-liquid interfacial area in porous media

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13732490

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13732490

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1