WO2017017179A1 - Methode et dispositif de collecte de particules d'aerosols, a collecte selective en fonction de la granulometrie des particules - Google Patents

Methode et dispositif de collecte de particules d'aerosols, a collecte selective en fonction de la granulometrie des particules Download PDF

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Simon Clavaguera
Arnaud GUIOT
Michel Pourprix
Nicolas Daniel
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Definitions

  • the present invention relates to the field of the collection and analysis of particles that may be present in suspension in an aerosol.
  • It relates more particularly to the production of an electrostatic device for collecting particles by electrostatic precipitation, including nanoparticles contained in aerosols.
  • the present invention aims to allow a collection of particles in suspension in aerosols which is simultaneous but selective depending on their dimensions, the selectivity preferably aimed at collecting, by separating them, the particles of micron and submicron size, ie greater than or equal to at 300 nm, and nanoscale particles.
  • Nanoparticle means the usual definition according to the standard
  • ISO TS / 27687 a nano-object whose three dimensions are nanoscale, ie a particle whose nominal diameter is less than about 100 nm.
  • this high electric field (several thousands to tens of thousands of volts per centimeter in the vicinity of the discharge electrode) is induced by two electrodes arranged close to each other: a first polarized electrode or electrode of discharge, generally in the form of wire or tip, being disposed opposite a second electrode, the latter being in the form of a counter-electrode, generally flat or cylindrical geometry.
  • the electric field existing between the two electrodes ionizes the volume of gas located in the inter-electrode space, and in particular a sheath or ring of ionized gas located around the discharge electrode.
  • the charged particles thus created migrate to the counter electrode, where they can be collected.
  • This counterelectrode is usually called a collection electrode.
  • the discharge electrodes encountered are therefore generally either fine points or small diameter wires. So, through a process which originates from the electrons and ions created by natural irradiation, the electrons are accelerated in the intense electric field created in the vicinity of the electrode with (very) small radius of curvature. By the high voltage imposed, if this field exceeds a critical value, an avalanche effect causes the ionization of the air in this space. This phenomenon is called corona discharge.
  • FIGS. 1A to 1E show a few configurations of electrodes most suitable for obtaining a corona discharge, namely respectively a tip-plane arrangement (FIG. 1A), plate-plane (FIG. 1B), wire-plane (Figure 1C), wire-wire (Figure 1D), wire-cylinder ( Figure 1E).
  • a wind of ions also called ionic wind, is established, characterized by a flow of air directed from the point towards the plane, having as origin the shocks of the positive ions with the surrounding neutral molecules.
  • the tip is negative to the plane, the positive ions move toward the tip, and the electrons move toward the plane by attaching themselves to the air molecules to form negative ions.
  • the unipolar ions migrate from the tip to the plane with a high concentration of the order of 10 6 to 10 9 / cm 3 and, whatever the polarity, there appears an electric wind directed from the point towards the plane.
  • the introduction of aerosol particles in the tip-plane space makes it possible to charge them with the same polarity as the tip, according to a field charging process.
  • the field used to create the corona effect and the electric wind also participate in the field charging process.
  • FIG. 15.9 on page 341 of the publication [1] already cited shows an arrangement allowing the deposition of aerosol particles on a grid of electron microscope, the particles being charged and precipitated in a tip-plane configuration.
  • the unipolar ion diffusion charging mechanism applies predominantly to the finest particles.
  • This mechanism is increasingly used in the metrology of nanoparticles, in particular to determine their particle size.
  • many authors have studied and are still studying devices capable of conferring high electrical mobilities on the finest particles, in order to be able to select them in instruments adapted to this new domain.
  • FIG. 2 schematically reproduces a charging device, also known as a charger, for unipolar ion diffusion whose geometry is of the wire-cylinder type, as illustrated in the publication [4].
  • the charger 10 comprises a two-part symmetrical body of revolution 1 which holds a hollow metal cylinder 11 forming an external electrode connected to an AC power supply and a central wire 12 arranged along the axis of the body and connected to a power supply. high voltage not shown.
  • Around the central wire 12 is also annularly arranged a cylindrical grid 14 forming an inner electrode.
  • the aerosol containing the particles to be charged flows in the charger 10 from the inlet orifice 17 to the outlet orifice 18 by passing through the space delimited between the inner electrode 14 formed by the gate and the outer electrode 11 formed by the cylinder.
  • this charger 10 The operation of this charger 10 is as follows: ions are produced by corona effect at the central wire 12 and are collected by the inner mesh electrode 14 brought to a low potential, typically grounded. Part of these ions out of this gate 14 to go to the inner surface of the peripheral cylinder 11 due to the voltage applied to the latter. The aerosol particles pass through the space between grid 14 and cylinder 11 and are thus charged by diffusion by unipolar ions.
  • the diffusion loading mechanism operates according to the product N * t, where N represents the concentration of unipolar ions and t the residence time of the particles.
  • the diffusion charging mechanism is the only one that can occur because there can be no field charge mechanism since the electric field is very small in space 15.
  • DMA differential electric mobility analyzers
  • the general object of the invention is then to respond at least in part to this need.
  • the invention firstly relates to a method for collecting particles that may be present in an aerosol, comprising the following steps:
  • the method further comprises the following steps:
  • the invention also relates to a device for collecting particles that may be present in an aerosol, comprising:
  • a duct comprising an inlet orifice and an outlet orifice between which the aerosol can circulate;
  • suction means for circulating the aerosol from the inlet orifice to the outlet orifice
  • a unipolar ion diffusion charger comprising an electrode in the form of a wire surrounded by an electrode in the form of a gate, the charger being adapted to charge the particles finer in the space separating the gate from a first conductive portion of the inner wall of the conduit, by diffusion of unipolar ions through the gate;
  • an electrode downstream of the diffusion charger, an electrode adapted to generate, without a corona effect, an electric field in the space separating the electrode from a second portion conductive inner wall of the conduit and thus collect the finest particles, previously loaded by the diffusion charger, by depositing on a first collection zone (Zn);
  • an electric field charger comprising an electrode in the form of a wire or a tip adapted to generate a field in the space between the wire or tip of a third conductive portion of the inner wall of the conduit and thereby charge and collect the largest particles, by depositing on a second collection zone (Zm) distinct from the first zone collection.
  • the invention consists in an electrostatic collection of all the particles present in an aerosol, but with a decoupling of the mechanisms on the one hand charge of the particles by diffusion of unipolar ions to charge and then collect the finest particles and on the other hand corona charging electric field charge to charge and collect the largest particles in a different area of the collection area of the finest particles.
  • the invention consists in first electrically charging the fine particles by diffusion of unipolar ions, then charging the large particles by an electric field and collecting each group of charged particles according to their size on a adequate support.
  • the invention makes it possible judiciously to classify the particles according to their particle size, by depositing them in physically distinct zones.
  • the deposition of the particles may be carried out according to concentric rings in different locations of the same plane substrate arranged orthogonal to the direction of circulation of the aerosol.
  • the substrate or substrates on which the particle deposition collection zones are defined can then be analyzed by conventional physical or physico-chemical characterization techniques, such as optical microscopy or electronics, surface scanner, ⁇ , ⁇ , ⁇ spectrometry if the particles are radioactive, X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), X-ray fluorescence ( ⁇ -XRF), laser-induced plasma spectroscopy (X-Ray Fluorescence) LIBS for "Laser-Induced Breakdown Spectroscopy”) ...
  • XRF X-ray fluorescence spectroscopy
  • ⁇ -XRF X-ray fluorescence
  • X-Ray Fluorescence laser-induced plasma spectroscopy
  • a collection device is particularly well suited for the sampling of particles in gaseous media, in particular the air of premises or the environment in order to know the concentration, the particle size distribution, the composition of the particles of aerosol that can be inhaled.
  • the duct is a hollow cylinder of revolution about a longitudinal axis
  • the suction means consist of a pump
  • the first, second and third wall conducting portions are cylinder portions constituting part of the duct;
  • the field charger comprises an electrode in the form of a thread in wire-cylinder configuration with the corresponding cylinder portion;
  • the wire of the ion diffusion charger, the electrode making it possible to generate an electric field without corona effect and the wire of the charger per field are distinct parts and successively arranged one behind the other along the axis (X).
  • the duct comprises a hollow element of revolution about a longitudinal axis (X) and a planar substrate arranged at one end of the hollow element being orthogonal to the axis (X), the distance separating the hollow element from the planar substrate and its optional support defining the dimensions of the outlet orifice, the planar substrate forming a collection substrate defining both the first (Zn) and the second collection zone (Zm);
  • the suction means consist of the outlet orifice
  • the first conducting portion of the wall is a portion of revolution constituting the conduit
  • the second and third conductive portions are gathered on the same collection substrate;
  • the field charger comprises an electrode in the form of a tip in planar configuration with the collection substrate; the tip being adapted to generate a corona effect participating in the field charge of the particles but also to create an electric field promoting the collection of species previously loaded by the charger by ion diffusion.
  • the wire of the ion diffusion charger, the electrode and the tip of the field charger are portions of the same part having an electrical continuity which extends along the axis (X).
  • the device according to this second mode may comprise plasma actuators arranged near the outlet.
  • the wire of the ion diffusion charger, the electrode for generating an electric field without a corona effect and the wire or the tip of the charger per field are connected to a high voltage power supply, preferably between 2 and 6 kV. .
  • the gate is preferably connected to a low voltage supply, preferably of the order of 100 V.
  • the first, second and third conductive portions are preferably connected to the zero potential. It is also possible to supply the first conductive portion at low voltage, typically at about 50V.
  • the collection device may constitute, after a prior collection, an ionization chamber and a radioactive particle detector with an alarm function in the event of exceeding a predetermined threshold.
  • the invention finally relates to the use of a device described above to collect while separating nanoparticles in the first collection zone (Zn) and micron-sized particles in the second collection zone (Zm).
  • the use of the device can also be done as an ionization chamber.
  • An advantageous use of the device according to the invention is to evaluate the individual exposure of workers or consumers to nanoparticles.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a charging device, or unipolar ion diffusion charger
  • FIG. 3 is a diagrammatic longitudinal sectional view of a first example of a particle collection device according to the invention.
  • FIG. 4 is a diagrammatic view in longitudinal section of a second example of a device for collecting particles according to the invention.
  • FIG. 5 is a view showing the simulation carried out using a finite element calculation software for determining the electric field lines in the downstream part of the device;
  • FIG. 6 is a view showing the forces to which the particles are subjected as well as examples of trajectories of two types of particles in the downstream part of a device according to the invention
  • FIG. 7 is a graph characterizing the influence on the collection efficiency of the voltage applied to the peak electrode for obtaining the corona effect in a device according to FIG. 4, for different distances between the tip electrode and the collection substrate according to the invention (negative polarity);
  • FIG. 8 is a graph characterizing the influence on the collection efficiency of the aerosol flow rate in a device according to FIG. 4 for different distances between the tip electrode and the collection substrate according to the invention, and different polarities;
  • FIG. 9 is a photographic reproduction of a collection substrate implemented in a device according to the invention as illustrated in FIG. 4, FIG. 9 showing a collection zone Zm of particles of micron size (latex polystyrene beads). 2 ⁇ in diameter);
  • FIG. 10 is a view showing the description of models used to perform a simulation using a finite element calculation software for determining the flows and electric fields that occur in a device according to the invention as illustrated. in Figure 4;
  • FIG. 11 is a view derived from the simulation by the finite element calculation software for determining the particle velocity profiles as well as the ion wind produced in a device according to the invention as illustrated in FIG. 4;
  • FIG. 12 is yet another view resulting from the simulation by the finite element calculation software which illustrates the trajectories of particles of diameter equal to 100 nm (left part of the figure) and equal to 10 nm (right part of the figure) in a device according to the invention as illustrated in FIG. 4;
  • inlet refers to the orifice of the device by which the aerosol containing the particles is sucked while the outlet means the one through which the air flow exits.
  • FIG. 3 shows a first example of an electrostatic device 1 according to the invention for the selective collection of particles that may be contained in an aerosol.
  • Such a device according to the invention makes it possible to collect at the same time the finest particles, such as the nanoparticles and the larger particles, such as those of micron size while separating them from one another according to their range of cut.
  • the collection device 1 comprises firstly a conduit 11 which is a hollow cylinder of revolution about the longitudinal axis X and which is electrically connected to a low voltage, for example at a voltage of 50 volts or zero potential .
  • the collection device 1 comprises inside the duct 11, upstream to downstream, between its inlet orifice 17 and its outlet orifice 18, four distinct stages 10, 20, 30, 40.
  • the first stage consists of a unipolar ion diffusion charger 10, and is similar to that previously described in connection with FIG.
  • the charger 10 thus comprises a central electrode which extends along the X axis in the form of a wire 12 connected to a supply delivering a high voltage 13, adapted to thereby create a corona discharge in the vicinity of the wire 12.
  • It also comprises a peripheral electrode in the form of a gate 14 connected to a low voltage supply 16.
  • the stage 20, downstream of the charger 10, comprises a central electrode which extends along the X axis in the form of a rod 22 connected to a power supply delivering a medium voltage 23, adapted to create a corona-free field electrical collection in the space 21 separating the central electrode 22 and the wall of the conduit 11.
  • a hollow cylinder 24 conforming to the wall of the conduit and constituting a first collection zone Zn is arranged around the rod 22 opposite the this.
  • the stage 30, downstream of the stage 20, comprises a central electrode which extends along the X axis in the form of a wire 32 connected to a high voltage supply 33, adapted to create a corona effect in the vicinity wire 32 and therefore an intense electric field in the space 31 between the central wire 32 of the conduit 11.
  • a hollow cylinder 34 conforming to the wall of the conduit and constituting a second collection zone Zm is arranged around the wire 32 opposite the one -this.
  • Stage 40 comprises a structure 41, for example "honeycomb", adapted to prevent the appearance of a vortex in the conduit 11, and downstream a suction device 42.
  • the collecting device according to the invention can overcome the structure 41.
  • the air containing the particles to be collected is sucked by the inlet orifice 17 by the action of the suction device 42.
  • the finest particles of the aerosol are electrically charged by diffusion of unipolar ions in the space 15 separating the gate 14 from the conduit 11.
  • the other larger particles are not collected and still present in the aerosol that enters the third stage 30.
  • the purified air of both the finest particles deposited in the first collection zone Zn and the larger particles Zm is then discharged through the outlet orifice 18 of the device.
  • Each of the zones Zn and Zm can then be analyzed by conventional physical or physico-chemical characterization techniques, such as optical or electronic microscopy, surface scanner, ⁇ , ⁇ , ⁇ spectrometry if the particles are radioactive, X-ray fluorescence spectroscopy ( XRF for "X-Ray Fluorescence"), micro-fluorescence X ( ⁇ -XRF), laser-induced plasma spectroscopy (LIBS for "Laser-Induced Breakdown Spectroscopy”), etc., to determine the particle size on the one hand. the finest particles and on the other hand the largest particles, their concentration, their chemical composition and / or their morphology.
  • XRF X-ray Fluorescence
  • ⁇ -XRF micro-fluorescence X
  • LIBS laser-induced plasma spectroscopy
  • the collection cylinder 24 and the 34 are constituted by a single piece which thus forms a single collection substrate, which can be easily extracted from the conduit once the targeted collection performed.
  • FIG. 4 shows another advantageous example of a collection device 1 according to the invention making it possible to collect the particles not on a cylinder or cylinders arranged along the axis of flow of the aerosol as illustrated in FIG. 3, but on the same disk-shaped substrate 6 placed on its support 5 and arranged orthogonal to the axis of symmetry of the collection device.
  • the collection device illustrated in FIG. 4 has the advantage, compared with that illustrated in FIG. 3, of being able to collect all the particles on the same plane surface of the substrate according to concentric rings as a function of their relative dimensions. the largest particles being collected preferentially at the center of the surface while the finest are collected preferentially at the periphery.
  • the collection device illustrated in FIG. 4 advantageously makes it possible to take advantage of the ionic wind created by the tip-plane configuration for the collection of the largest particles, and thus to induce a flow of air through the device in its part. downstream.
  • This circulation of air can go as far as to make it possible to overcome the presence of a suction pump, which considerably lighten the collection device according to the invention and also makes it possible to reduce its nuisances (vibrations, noise, ).
  • the collecting disk 6 is preferably conductive, typically of metal, or even semiconductor. Its diameter is preferably between 10 and 25 mm, more preferably of the order of 20 mm.
  • the collection device 1 has a cylindrical geometry of revolution about the longitudinal axis X and comprises an elongated hollow body 11 surrounded by a casing 110 which may or may not be conductive and surmounted by an electrically insulating body 3 in which the electrodes are fixed and by which the power supplies are realized.
  • the body 11 and the envelope 110 may be one and the same piece.
  • the conductive envelope 110, as well as the body 11 and the support 5 can be connected to the zero potential by the power supply terminal 2. It is also possible to use a casing 110 and the body 11 of insulating material thus brought to potential floating and maintain the support 5 at zero potential by an electrical wire connecting it to the power terminal 2.
  • the hollow body 1 1 defines, within it, with an insulating element 4, and a collection substrate 6 and its support 5, the aerosol circulation duct from the inlet orifice 17 to the outlet orifice. 18.
  • the collecting device 1 according to FIG. 4 comprises the same elements as that of FIG. 3 as explained above but essentially differs in that:
  • the part to create the corona effect for the collection of the largest particles is in tip-plane configuration, the tip 32 being at a distance from the plane of the collection substrate 6 arranged orthogonal to the X axis; the central corona wire 12 for the diffusion of unipolar ions, the rod 22 making it possible to generate a non-corona electric field for collecting the fine particles and the crown effect tip 32 for the collection of the largest particles forming a single central electrode with portions 12, 22, 32 continuous but of different geometry.
  • the unipolar ion diffusion charger consists of a portion of the central electrode in the form of a wire 12 and a gate 14 arranged around the central wire 12.
  • the central wire 12 preferably has a diameter less than 50 ⁇ .
  • an insulating element 4 judiciously makes it possible to ensure both the centering and the fixing of the electrode portion in the form of a rod 22 thus electrically connected to the wire 12.
  • the rod 22 terminates in a tapered point 32 facing the collecting disk 6.
  • the angle of the tip is less than 35 ° and its apex (vertex) has its largest width less than 50 ⁇ .
  • the collection device 1 may advantageously comprise in its downstream part, that is to say in the widened part of the aerosol circulation duct, downstream of the gate 14, plasma actuators 8 which make it possible to control the flow of the purified air of the particles in this downstream part, before its evacuation through the outlet orifice 18, as explained later.
  • a single high voltage supply 13, 23, 33 makes it possible to perform both the corona effect in the vicinity of the wire 12 and in the vicinity of the tip 32.
  • the high voltage is chosen preferred between 2 and 6 kV, more preferably at about 4 kV.
  • a low voltage power supply 16 of the order of 100V, makes it possible to polarize the gate 14 to control the production of unipolar ions in the diffusion charge space 15.
  • the dimensioning is carried out taking care not to introduce excessive shrinkage with a reduced section. This minimizes the pressure drop of the assembly vis-à-vis the air flowing in the annular space 15.
  • the aerosol flows from the inlet orifice 17 to the outlet orifice 18 because the suction is carried out at the latter.
  • the finest particles are electrically charged by diffusion of unipolar ions in the annular space 15 while the larger particles are electrically charged under the action of the intense electric field in the space 31 between the tip 32 generating the effect crown and collection substrate 6.
  • FIG. 4 illustrates a possible embodiment of the collection device 1 which makes it possible not to use an auxiliary suction pump. Under the effect of the ionic wind created in the gap 31 between the tip 32 and the collection substrate 6, a vacuum appears in the annular charge charging gap 15, which creates flow at the rate q in the device.
  • the suction can be optimized by the more or less wide opening of the outlet orifice 18, by the choice of the high voltage applied to the tip 32 as well as by the distance between the tip 32 and the plane 6.
  • plasma actuators 8 are advantageously of the type used in microelectronics for cooling microcomponents.
  • the flow of collection q which runs through the device is generally increased. In the end, with defined geometry and high voltage, there is a collection flow q that can be set.
  • FIG. 5 illustrates the electric field lines that take place in the downstream part of the aerosol circulation duct. Field lines being perpendicular to the equipotential lines, it is possible to achieve a confinement of the field lines by the equipotentials internal to the collection zones.
  • the tip 32 makes it possible to obtain a very intense electric field locally, which allows the ionization of the air and the charge of the microparticles. But moving away vertically, it decreases very rapidly to a value of about 0.5 * 10 6 V / m where the particles pass.
  • the radius of curvature of 1 mm at the bottom of the wall of the hollow body 11 is sufficient at the critical point to avoid any breakdown problem up to 4000 V.
  • a thin particle, of high mobility, is immediately subjected to the action of the surrounding radial electric field, which results in a radial outward speed w, while being transported by the aeraulic field, which results in a radial velocity inward v.
  • the vector resultant, velocity u thus defines the trajectory and the point of impact of this particle on the disk 6 of collection.
  • the point of impact defines an impact circumference or Zn ring on the substrate 6, given the symmetry of revolution of the device.
  • the larger particles of lower mobility, they are not charged by diffusion, arrive in the vicinity of the tip 32, are charged electrically by bombarding the ions produced locally by the corona effect between the tip 32 and the substrate 6, and are thus deposited on the latter in the vicinity of the X axis on impact circumferences Zm of radius all the smaller as their size is large.
  • the particles are collected on the disc in concentric circles according to their particle size, the finest on the outside, the largest in the center.
  • the inventors have sought to quantitatively evaluate the efficiency of a collection device 1 which has just been described with reference to FIGS. 4 to 6.
  • a first evaluation was made from air loaded with latex-polystyrene beads (PSL) of 2 ⁇ in diameter, sold by ABCR under the name ABCR 210832.
  • PSL latex-polystyrene beads
  • This first evaluation makes it possible to illustrate the field effect charging mechanism of the micron-sized particles in the space 31 between the tip 32 and the metal collection substrate 6 and their deposit on the latter.
  • the inventors proceeded as follows.
  • An aqueous suspension of PSL beads is atomized using an aerosol generator, brand TSI, model 3076, then dried by a desiccant column, brand TSI, model 3062.
  • the aerosol thus generated is then introduced into a chamber in which the collection device 1 as illustrated in FIGS. 4 to 6 is located, at a flow rate of 3.6 L / min.
  • the chamber is provided with an outlet orifice making it possible to avoid an overpressure since the flow rate imposed by a pump external to the collection device, in the range of 0.4 to 1.4 L / min, is always lower than the flow rate. aerosol entering the room.
  • an imposed flow rate Q is applied to the collection device 1 to force a flow to flow from the inlet port 17 to the outlet port 18 by means of a variable flow pump which is controlled by a flowmeter.
  • the high voltage 13, 23, 33 applied to the central electrode 12, 22, 32 is studied for positive (+) and negative (-) polarities of 1500 V at 4000 V and for different distances z between the end of the tip 32 and the collection substrate 6.
  • Figure 7 shows that for a constant flow rate of 1.4 L / min, the collection efficiency that results in the ratio expressed as a percentage between the number of particles leaving the device and the number of particles entering, increases when the voltage applied (in absolute value) increases.
  • the collection efficiency peaks around 90% irrespective of the distance between tip 32 and plane of the substrate 6, which is varied by 2.5 mm. at 6.5 mm.
  • the collection efficiency is highest when the flow rate is low, which is particularly the case for a flow rate of 0.4 L / min. Moreover, it is observed that for a fixed flow the collection efficiency is higher when the polarity used is negative and when the distance tip-plane is large.
  • FIG. 9 shows the photograph of a 20 mm diameter copper collection substrate 6 on which the micron particles have been collected: it is clearly seen that they are deposited according to a Zm ring concentric with the X axis. the device or the tip 32.
  • This white crown Zm corresponds to the deposition of PSL particles of 2 ⁇ in diameter.
  • the inventors have also simulated the operation of the collection device according to the invention as illustrated in FIGS. 4 to 6 using a finite element calculation software marketed under the name "COMSOL Multiphysics”.
  • the collection device 1 with the same geometry as that shown in FIGS. 4 to 6 can be studied under the COMSOL software by looking at the flows, the electric fields, the particle trajectories as well as the ionic wind produced.
  • Fig. 10 is a view showing the description of models used to perform a simulation using finite element computing software to determine the flows and electric fields that occur in a device according to the invention as illustrated in Figs. figure 4.
  • the enlarged wall portion 111 is brought to the same potential as the tip 32.
  • this portion 11 1 may be at a different potential from tip 32.
  • FIG. 11 shows the simulation of the flow for a distance z between tip 32 and plane 31 of 4 mm and an applied voltage U at the tip 32 and at the portion 11 of + 4000 V.
  • FIG. 11 clearly shows the generation of a plasma produced by the corona effect under point 32 where the electric fields are the most high, this plasma inducing an ionic wind towards the collecting disc 6.
  • the jet thus produced blooms on the surface of the collection disc.
  • this ionic wind sucks the aerosol upstream of the tip 32 towards the charge zone 31 by a field effect and therefore contributes to the excellent collection efficiencies encountered for the larger particles.
  • the portion 111 makes it possible to create an aerosol circulation in the device 1 according to the invention.
  • a flow rate of about 0.5 L / min, which is a value very correct to obtain collection efficiencies greater than 94%.
  • the finite element software "Comsol” shows that the nanoparticles are well precipitated, i.e. deposited by electrostatic precipitation.
  • the collection device according to the invention is particularly well suited for the sampling of particles in gaseous media, in particular the air of the premises or the environment in order to know the concentration, the particle size, the morphology and the composition. aerosol particles likely to be inhaled ... Because of its small size and its reduced power consumption, this device could be portable and therefore deployable on a large scale for a moderate cost.
  • the collection device according to the invention can operate as an ionization chamber.
  • the device can operate as an aerosol collector for a time t ls and then as a pulse counter for a time t 2 .
  • the ionization current collected by the tip 32 can then be detected by an appropriate electronic system, of the type commonly used in conventional ion chambers.
  • radioactive aerosols such an ionization chamber can thus constitute a radioactive contamination detector with an alarm function in case of exceeding a predetermined threshold.

Landscapes

  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electrostatic Separation (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

L'invention concerne une méthode et un dispositif de collecte de particules susceptibles d'être présentes dans un aérosol. L'invention consiste en une collecte électrostatique de l'ensemble des particules présentes dans un aérosol, mais avec un découplage des mécanismes d'une part de charge des particules par diffusion d'ions unipolaires pour charger puis collecter les particules les plus fines, et d'autre part de charge par champ électrique avec effet couronne pour charger et collecter les particules les plus grosses dans une zone différente de la zone de collecte des particules les plus fines. Elle concerne également l'utilisation d'un tel dispositif en tant que chambre d'ionisation ou pour l'évaluation des travailleurs ou des consommateurs aux nanoparticules.

Description

METHODE ET DISPOSITIF DE COLLECTE DE PARTICULES D'AEROSOLS, A COLLECTE SELECTIVE EN FONCTION DE LA GRANULOMETRIE DES
PARTICULES
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la collecte et de l'analyse des particules susceptibles d'être présentes en suspension dans un aérosol.
Elle concerne plus particulièrement la réalisation d'un dispositif électrostatique de collecte de particules par précipitation électrostatique, dont des nanoparticules contenues dans des aérosols.
La présente invention vise à permettre une collecte des particules en suspension dans les aérosols qui soit simultanée mais sélective en fonction de leurs dimensions, la sélectivité visant de préférence, à collecter en les séparant, les particules de dimension micronique et submicronique, i.e. supérieure ou égale à 300 nm, et les particules de dimension nanométrique.
Par « nanoparticule », on entend, la définition usuelle selon la norme
ISO TS/27687 : un nano-objet dont les trois dimensions sont à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire une particule dont le diamètre nominal est inférieur à 100 nm environ.
Etat de la technique
Depuis les années 1970, la prise de conscience des effets environnementaux et sanitaires engendrés par les aérosols a été à l'origine de développements technologiques nouveaux afin de mieux évaluer les risques associés.
Le domaine s'est rapidement étendu dans les années 1980 pour inclure l'utilisation des aérosols dans des procédés de production à haute technologie, et la maîtrise de la contamination par les aérosols dans les atmosphères ultra-propres.
A partir des années 1990, les recherches se sont intensifiées sur les propriétés des particules ultrafines, i.e. celles de dimension inférieure à 100 nm, et sur l'effet des aérosols sur le climat. Le domaine est donc très large puisqu'il couvre à la fois le champ de l'hygiène industrielle, du contrôle de la pollution de l'air, de la toxicologie par inhalation, de la physique et de la chimie de l'atmosphère, et de la contamination par des aérosols radioactifs dans les installations ou dans l'environnement.
Plus récemment, l'essor rapide des nanotechnologies dans divers domaines tels que la santé, la microélectronique, les technologies de l'énergie ou les produits de consommation courante tels que peintures et cosmétiques, rend indispensable la poursuite de travaux sur les impacts sanitaires et environnementaux de ces nouveaux matériaux afin de s'entourer des conditions de sécurité optimales.
Il est donc nécessaire de mettre au point des méthodes et des outils d'évaluation de l'exposition aux particules - et notamment aux nanoparticules - des travailleurs, des consommateurs et de l'environnement.
Le développement de méthodes et de dispositifs d'échantillonnage et d'analyse d'aérosols dans une large gamme granulométrique jusqu'aux tailles nanométriques est ainsi un enjeu crucial en termes de santé publique et de prévention des risques associés.
En particulier, le développement de dispositifs de prélèvement adapté pour être portatif et être fixé à l'unité à une combinaison de travail d'un travailleur en poste de fabrication de nano-objets, d'élaboration ou d'utilisation de nanomatériaux pourrait s'avérer impératif.
Pour prélever et collecter des particules en suspension dans des aérosols, en vue de leur analyse in situ ou en laboratoire, de nombreux dispositifs existent. Ils peuvent mettre en œuvre une collecte par fïltration sur fibres ou sur membranes poreuses, une collecte par diffusion pour les particules les plus fines, une collecte sous l'effet d'un champ de forces d'inertie (impacteurs, cyclones, centrifugeuses) ou de pesanteur (chambres de sédimentation, élutriateurs) pour les particules plus grosses, ou encore une collecte sous l'effet d'un champ de forces électriques, thermiques ou radiatives.
Parmi ces dispositifs, ceux électrostatiques, c'est-à-dire dont le principe de fonctionnement repose sur la mise en oeuvre d'un champ électrique, en particulier d'un champ électrique intense pour créer un effet de décharge couronne (en anglais « corona discharge ») sont couramment utilisés.
Lorsqu'on génère un champ électrique intense dans un volume où des particules d'aérosol sont présentes, ces dernières peuvent se charger électriquement selon deux mécanismes de charge distincts et cela peut se produire concomitamment.
La publication [1] , en particulier la figure 15.4 de la page 330 de cet ouvrage, montre que le mécanisme de charge électrique par diffusion d'ions unipolaires, associé au mécanisme de charge électrique par champ, est applicable à une large gamme de tailles de particules, à minima pour les particules de dimensions comprises entre 0,01 à 10 μιη. Il ressort également que le mécanisme de charge électrique par diffusion d'ions unipolaires est surtout prépondérant pour les particules les plus fines, typiquement les nanoparticules, c'est-à-dire celles de dimensions inférieures à 100 nm. A contrario, le mécanisme de charge par champ est plus efficace pour les grosses particules, c'est-à-dire les particules de dimension micronique et submicronique (> 300 nm).
A titre d'exemple, si l'on considère la mobilité électrique d'une particule, notée
Z, de l'ordre de 1 cmVst.V.s en unité électrostatique CGS, soit 3,3xl0"7 m2/V.s en unité SI, alors cette particule placée entre deux plaques planes et parallèles qui génèrent un champ électrique E de 105 V/m, acquiert une vitesse W égale au produit Z*E, soit W de l'ordre de 0,033 m/s. Il est clairement démontré que la force électrostatique engendre des vitesses largement supérieures aux autres champs de forces subies par une particule, que sont les champs de la gravité, inertiels, thermiques et radiatifs. Cet avantage est mis à profit dans le fonctionnement des épurateurs électrostatiques du commerce, où les processus de charge par diffusion et de charge par champ peuvent agir conjointement.
Charger électriquement des particules d'aérosol nécessite la présence d'ions unipolaires en forte concentration. La méthode de loin la plus efficace pour créer ces ions, dans l'air atmosphérique, est la décharge couronne.
Pour produire une décharge couronne, on doit établir un champ électrostatique dans une géométrie qui permet de le rendre non uniforme. Plus exactement, ce champ électrique élevé (plusieurs milliers à dizaines de milliers de volts par centimètre au voisinage de l'électrode de décharge) est induit par deux électrodes disposées à proximité l'une de l'autre: une première électrode polarisée ou électrode de décharge, généralement en forme de fil ou de pointe, étant disposée en regard d'une deuxième électrode, cette dernière se présentant sous la forme d'une contre-électrode, généralement de géométrie plane ou cylindrique. Le champ électrique existant entre les deux électrodes ionise le volume de gaz situé dans l'espace inter-électrodes, et notamment une gaine ou couronne de gaz ionisé située autour de l'électrode de décharge. Les charges créées, en migrant vers la contre-électrode, chargent les particules à séparer contenues dans le gaz. Les particules chargées ainsi créées migrent alors vers la contre-électrode, sur laquelle elles peuvent être collectées. Cette contre-électrode est usuellement appelée électrode de collecte. Du fait du niveau du champ électrique requis, il est nécessaire d'utiliser une électrode de décharge qui a un (très) faible rayon de courbure. Les électrodes de décharge rencontrées sont donc généralement soit des pointes fines, soit des fils de faible diamètre. Ainsi, par un processus qui a pour origine les électrons et les ions créés par l'irradiation naturelle, les électrons sont accélérés dans le champ électrique intense créé au voisinage de l'électrode à (très) faible rayon de courbure. Par la haute tension imposée, si ce champ dépasse une valeur critique, un effet d'avalanche provoque l'ionisation de l'air dans cet espace. Ce phénomène est appelé décharge couronne.
A titre d'exemple, on a représenté aux figures 1 A à 1E quelques configurations d'électrodes les plus adaptées pour obtenir une décharge couronne, à savoir respectivement un agencement pointe-plan (figure 1A), lame-plan (figure 1B), fil-plan (figure 1C), fil- fil (figure 1D), fil- cylindre (figure 1E).
Par exemple en configuration pointe-plan, si la pointe est positive par rapport au plan, les électrons se déplacent rapidement vers la pointe alors que les ions positifs se déplacent vers le plan, créant alors un espace unipolaire positif. Par ailleurs, un vent d'ions, aussi appelé vent ionique, s'établit, caractérisé par un écoulement d'air dirigé de la pointe vers le plan, ayant pour origine les chocs des ions positifs avec les molécules neutres environnantes .
A l'inverse, si la pointe est négative par rapport au plan, les ions positifs se déplacent vers la pointe, et les électrons se déplacent vers le plan en se fixant aux molécules d'air pour former des ions négatifs. Dans tous les cas, même si le processus de création d'ions positifs ou négatifs n'est pas exactement symétrique, les ions unipolaires migrent de la pointe vers le plan avec une grande concentration de l'ordre de 106 à 109/cm3 et, quelle que soit la polarité, il apparaît un vent électrique dirigé de la pointe vers le plan.
Ainsi, l'introduction de particules d'aérosol dans l'espace pointe-plan permet de les charger de la même polarité que la pointe, selon un processus de charge par champ. En outre, le champ utilisé pour créer l'effet couronne et le vent électrique participent aussi au processus de charge par champ.
Pour les autres configurations montrées aux figures 1B à 1E, les processus de production d'ions et de charge par champ des particules sont en tous points similaires.
C'est sur ce principe que fonctionnent certains précipitateurs électrostatiques commercialisés qui sont utilisés pour prélever et collecter des particules sur un support permettant l'analyse.
Par exemple, la figure 15.9 de la page 341 de la publication [1] déjà citée montre un agencement permettant le dépôt de particules d'aérosol sur une grille de microscope électronique, les particules étant chargées et précipitées dans une configuration pointe-plan.
Un autre exemple est illustré en figure 10.10 de la page 223 de cette même publication [1] et met en œuvre la technique de charge et de précipitation en géométrie pointe-plan pour collecter des particules d'aérosol sur un cristal piézoélectrique.
Comme déjà mentionné, le mécanisme de charge par diffusion d'ions unipolaires s'applique de manière prépondérante sur les particules les plus fines. Ce mécanisme est de plus en plus mis en œuvre dans la métrologie des nanoparticules, notamment pour déterminer leur granulométrie. En effet, beaucoup d'auteurs ont étudié et étudient encore des dispositifs capables de conférer des mobilités électriques élevées aux particules les plus fines, afin de pouvoir les sélectionner dans des instruments adaptés à ce nouveau domaine. On peut citer ici notamment l'article [2] qui fait l'inventaire de la plupart des technologies mises au point à ce jour, ou encore le principe développé par l'auteur de la publication [3], qui utilise une configuration fil-cylindre, très étudiée plus récemment comme indiqué dans la publication [4], mais également avant (publication [5]).
On a reproduit schématiquement en figure 2, un dispositif de charge, aussi appelé chargeur, à diffusion d'ions unipolaires dont la géométrie est de type fil-cylindre, tel qu'illustré dans la publication [4]. Le chargeur 10 comprend un corps à symétrie de révolution 1 en deux parties qui maintiennent un cylindre métallique creux 11 formant une électrode extérieure reliée à une alimentation sous courant alternatif et un fil métallique central 12 agencé selon l'axe du corps et relié à une alimentation haute tension non représentée. Autour du fil central 12 est également agencée de manière annulaire une grille cylindrique 14 formant une électrode intérieure. L'aérosol contenant les particules à charger circule dans le chargeur 10 depuis l'orifice d'entrée 17 jusqu'à l'orifice de sortie 18 en passant dans l'espace 15 délimité entre l'électrode intérieure 14 formée par la grille et l'électrode extérieure 11 formée par le cylindre.
Le fonctionnement de ce chargeur 10 est le suivant : des ions sont produits par effet couronne au niveau du fil central 12 et sont collectés par l'électrode intérieure grillagée 14 portée à un faible potentiel, typiquement à la masse. Une partie de ces ions sort de cette grille 14 pour aller vers la surface interne du cylindre périphérique 11 du fait de la tension appliquée sur ce dernier. Les particules d'aérosol transitent dans l'espace 15 entre grille 14 et cylindre 11 et sont donc chargées par diffusion par les ions unipolaires sortis de la grille 14. Le mécanisme de charge par diffusion s'opère en fonction du produit N*t, où N représente la concentration en ions unipolaires et t le temps de séjour des particules. Le mécanisme de charge par diffusion est le seul à pouvoir se produire car il ne peut y avoir de mécanisme de charge par champ puisque le champ électrique est très faible dans l'espace 15.
Il est intéressant de noter que le processus de charge des aérosols par diffusion d'ions unipolaires permet de conférer un nombre de charges électriques donné à une particule de taille donnée.
Ce principe est d'ailleurs mis en œuvre dans les analyseurs différentiels de mobilité électrique (DMA) qui sont des instruments capables de fournir la distribution granulométrique de particules fines par comptage de la concentration en particules dans une classe de mobilité électrique donnée. Un tel dispositif est par exemple mis en œuvre dans le brevet US 8044350 B2.
Il ressort de l'étude de l'état de l'art qu'il n'a pas été proposé de dispositif permettant à la fois de collecter simultanément des particules présentes dans un aérosol et qui sont de dimensions différentes dans une large gamme, typiquement entre quelques nanomètres et quelques dizaines de micromètres, et de les séparer selon des gammes de dimensions restreintes, de préférence séparer les nanoparticules des particules de taille micronique.
Or, il existe un besoin pour un tel dispositif, notamment afin de permettre l'analyse ultérieure des particules collectées et séparées pour en connaître leur concentration et leur composition chimique séquentiellement en fonction de leur gamme restreinte de dimension.
Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l'invention :
Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet une méthode de collecte de particules susceptibles d'être présentes dans un aérosol, comprenant les étapes suivantes:
- aspiration de l'aérosol dans un conduit depuis son orifice d'entrée jusqu'à son orifice de sortie;
- charge des particules les plus fines, en aval de l'orifice d'entrée, par diffusion d'ions unipolaires dans un espace entre une électrode sous la forme d'une grille entourant une électrode sous la forme d'un fil générant un effet couronne, et une première portion conductrice de paroi intérieure du conduit,
- génération d'un champ électrique sans effet couronne dans l'espace entre une électrode et une deuxième portion conductrice de paroi intérieure du conduit, afin de collecter par dépôt sur une première zone de collecte (Zn) des particules les plus fines chargées par le chargeur à diffusion,
- génération d'un champ électrique avec effet couronne dans l'espace entre le fil ou la pointe d'une électrode et une troisième portion conductrice de la paroi intérieure du conduit, afin de collecter par dépôt sur une deuxième zone de collecte (Zm) distincte de la première zone de collecte, les particules les plus grosses, non chargées par le chargeur à diffusion.
Selon une mode de réalisation avantageux, lorsque les particules sont radioactives, le procédé comprend en outre les étapes suivantes :
a/ collecte de particules radioactives sur la première et/ou la deuxième zone de collecte pendant un temps tl ;
b/ comptage d'impulsions générées par le courant d'ionisation de l'air dans les espaces pendant un temps t2.
Selon ce mode, on peut prévoir une étape d'émission d'une alarme en cas de dépassement d'une valeur seuil prédéterminée d'impulsions comptées selon l'étape b/.
L'invention a également pour objet un dispositif de collecte de particules susceptibles d'être présentes dans un aérosol, comprenant :
- un conduit comprenant un orifice d'entrée et un orifice de sortie entre lesquels l'aérosol peut circuler ;
- des moyens d'aspiration pour faire circuler l'aérosol depuis l'orifice d'entrée jusqu'à l'orifice de sortie;
- en aval de l'orifice d'entrée, un chargeur à diffusion d'ions unipolaires comprenant une électrode sous la forme d'un fïl entouré par une électrode sous la forme d'une grille, le chargeur étant adapté pour charger les particules les plus fines dans l'espace séparant la grille d'une première portion conductrice de paroi intérieure du conduit, par diffusion d'ions unipolaires au travers de la grille;
- en aval du chargeur à diffusion, une électrode adaptée pour générer sans effet couronne un champ électrique dans l'espace séparant l'électrode d'une deuxième portion conductrice de paroi intérieure du conduit et ainsi collecter les particules les plus fines, préalablement chargées par le chargeur à diffusion, par dépôt sur une première zone de collecte (Zn);
- en aval du chargeur à diffusion d'ions et de la zone de collecte des nanoparticules, un chargeur par champ électrique comprenant une électrode sous la forme d'un fil ou d'une pointe adapté(e) pour générer avec effet couronne un champ électrique dans l'espace séparant le fil ou la pointe d'une troisième portion conductrice de la paroi intérieure du conduit et ainsi charger puis collecter les particules les plus grosses, par dépôt sur une deuxième zone de collecte (Zm) distincte de la première zone de collecte.
Ainsi, l'invention consiste en une collecte électrostatique de l'ensemble des particules présentes dans un aérosol, mais avec un découplage des mécanismes d'une part de charge des particules par diffusion d'ions unipolaires pour charger puis collecter les particules les plus fines, et d'autre part de charge par champ électrique avec effet couronne pour charger et collecter les particules les plus grosses dans une zone différente de la zone de collecte des particules les plus fines.
Autrement dit, l'invention consiste à charger électriquement tout d'abord les fines particules par diffusion d'ions unipolaires, puis à charger ensuite les grosses particules par champ électrique et à collecter chaque groupe de particules ainsi chargées en fonction de leur dimension sur un support adéquat.
Ainsi, l'invention permet de façon judicieuse de classer les particules selon leur granulométrie, en les déposant dans des zones physiquement distinctes.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dépôt des particules peut être effectué selon des anneaux concentriques en différents endroits d'un même substrat plan agencé orthogonalement au sens de circulation de l'aérosol.
Selon ce mode, Il est possible avantageusement de tirer profit du vent ionique pour induire une circulation d'air à travers le dispositif, ce qui peut permettre de s'affranchir de la présence d'une pompe d'aspiration dans le dispositif, avec comme avantage subséquent d'un poids moindre pour le dispositif et une réduction des nuisances intrinsèques à une pompe (vibrations, bruit, ...).
Le ou les substrats sur lesquelles sont définies les zones de collecte par dépôt des particules peuvent ensuite être analysées par des techniques classiques de caractérisation physique ou physico-chimique, telle que microscopie optique ou électronique, scanner de surface, spectrométrie α, β, γ si les particules sont radioactives, spectroscopie de fluorescence X (XRF pour « X-Ray Fluorescence »), micro-fluorescence X (μ-XRF), spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS pour « Laser-Induced Breakdown Spectroscopy ») ...
Un dispositif de collecte selon l'invention est particulièrement bien adapté pour l'échantillonnage de particules dans des milieux gazeux, notamment l'air des locaux ou de l'environnement dans le but de connaître la concentration, la granulométrie, la composition des particules d'aérosol susceptibles d'être inhalées.
Selon un premier mode de réalisation:
- le conduit est un cylindre creux de révolution autour d'un axe longitudinal
(X);
- les moyens d'aspiration sont constitués par une pompe ;
- les première, deuxième et troisième portions conductrices de paroi sont des portions de cylindre constituant une partie du conduit;
- le chargeur par champ comprend une électrode sous la forme d'un fil en configuration fil-cylindre avec la portion de cylindre correspondante;
- le fil du chargeur à diffusion d'ions, l'électrode permettant de générer un champ électrique sans effet couronne et le fil du chargeur par champ sont des pièces distinctes et agencées successivement l'une derrière l'autre le long de l'axe (X).
Selon un deuxième mode de réalisation:
- le conduit comprend un élément creux de révolution autour d'un axe longitudinal (X) et un substrat plan agencé à une extrémité de l'élément creux en étant orthogonal à l'axe (X), la distance séparant l'élément creux du substrat plan et de son support éventuel définissant les dimensions de l'orifice de sortie, le substrat plan formant un substrat de collecte définissant à la fois la première (Zn) et la deuxième zone (Zm) de collecte;
- les moyens d'aspiration sont constitués par l'orifice de sortie;
- la première portion conductrice de paroi est une portion de révolution constituant le conduit;
- les deuxième et troisième portions conductrices sont rassemblées sur le même substrat de collecte; le chargeur par champ comprend une électrode sous la forme d'une pointe en configuration pointe-plan avec le substrat de collecte; la pointe étant adaptée pour générer un effet couronne participant à la charge par champ des particules mais également pour créer un champ électrique favorisant la collecte des espèces préalablement chargées par le chargeur par diffusion d'ions.
- le fil du chargeur à diffusion d'ions, l'électrode et la pointe du chargeur par champ sont des portions d'une même pièce présentant une continuité électrique qui s'étend le long de l'axe (X).
Le dispositif selon ce deuxième mode peut comprendre des actionneurs-plasma agencés au voisinage de la sortie.
Avantageusement, le fil du chargeur à diffusion d'ions, l'électrode permettant de générer un champ électrique sans effet couronne et le fil ou la pointe du chargeur par champ sont reliées à une alimentation haute tension, de préférence comprise entre 2 et 6 kV.
La grille est de préférence reliée à une alimentation basse tension, de préférence de l'ordre de 100 V.
Les première, deuxième et troisième portions conductrices sont de préférence reliées au potentiel zéro. On peut aussi prévoir d'alimenter la première portion conductrice en basse tension, typiquement à environ 50V.
Le dispositif de collecte selon l'invention peut constituer après une collecte préalable une chambre d'ionisation et un détecteur de particules radioactives avec une fonction d'alarme en cas de dépassement d'un seuil prédéterminé.
L'invention a enfin pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit précédemment pour collecter tout en les séparant des nanoparticules dans la première zone de collecte (Zn) et des particules de taille micronique dans la deuxième zone de collecte (Zm).
L'utilisation du dispositif peut se faire aussi en tant que chambre d'ionisation.
Une utilisation avantageuse du dispositif selon l'invention est pour évaluer l'exposition individuelle des travailleurs ou des consommateurs aux nanoparticules.
Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes parmi lesquelles: - les figures 1A à 1E sont des vues schématiques de différentes configurations d'électrodes pour obtenir un effet de couronne par décharge électrique;
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de charge, ou chargeur à diffusion d'ions unipolaires ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un premier exemple de dispositif de collecte de particules selon l'invention;
- la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un deuxième exemple de dispositif de collecte de particules selon l'invention ;
- la figure 5 est une vue montrant la simulation effectuée à l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis pour déterminer les lignes de champ électrique dans la partie aval du dispositif ;
- la figure 6 est une vue montrant les forces auxquelles sont soumises les particules ainsi que des exemples de trajectoires de deux types de particules dans la partie aval d'un dispositif selon l'invention;
- la figure 7 est un graphe caractérisant l'influence sur l'efficacité de collecte de la tension appliquée à l'électrode de pointe d'obtention de l'effet de couronne dans un dispositif selon la figure 4, et ce pour différentes distances entre l'électrode de pointe et le substrat de collecte conforme à l'invention (polarité négative) ;
- la figure 8 est un graphe caractérisant l'influence sur l'efficacité de collecte du débit d'aérosol dans un dispositif selon la figure 4 pour différentes distances entre l'électrode de pointe et le substrat de collecte conforme à l'invention, et différentes polarités;
- la figure 9 est une reproduction photographique d'un substrat de collecte mis en œuvre dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4, la figure 9 montrant une zone de collecte Zm de particules de taille micronique (billes de polystyrène latex de 2μιη de diamètre) ;
- la figure 10 est une vue montrant la description de modèles utilisés pour effectuer une simulation à l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis pour déterminer les écoulements et les champs électriques qui se produisent dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4 ; - la figure 11 est une vue issue de la simulation par le logiciel de calcul par éléments finis pour déterminer les profils de vitesse de particules ainsi que le vent ionique produit dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4;
- la figure 12 est encore une autre vue issue de la simulation par le logiciel de calcul par éléments finis qui illustre les trajectoires de particules de diamètre égal à lOOnm (partie gauche de la figure) et égal à lOnm (partie droite de la figure) dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4 ;
Dans l'ensemble de la présente demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous », « dessus », « hauteur » sont à comprendre par référence par rapport à un dispositif de collecte agencé à la verticale avec l'orifice d'entrée en haut comme illustré en figure 4.
De même, les termes « entrée », « sortie », « amont » et « aval » sont à comprendre par référence par rapport au sens du flux d'aspiration au travers d'un dispositif de collecte selon l'invention. Ainsi, l'orifice d'entrée désigne l'orifice du dispositif par lequel l'aérosol contenant les particules est aspiré tandis que celui de sortie désigne celui par lequel le flux d'air sort.
Les figures 1 A à 1E et 2 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont pas détaillées ci-après.
Par souci de clarté, les mêmes éléments des dispositifs de collecte selon les deux exemples illustrés sont désignés par les mêmes références numériques.
On a représenté en figure 3 un premier exemple de dispositif électrostatique 1 selon l'invention pour la collecte sélective de particules susceptibles d'être contenues dans un aérosol.
Un tel dispositif selon l'invention permet de collecter à la fois les particules les plus fines, telles que les nanoparticules et les particules les plus grosses, comme celles de taille micronique tout en les séparant l'une de l'autre selon leur gamme de taille.
Le dispositif de collecte 1 comprend tout d'abord un conduit 11 qui est un cylindre creux de révolution autour de l'axe longitudinal X et qui est électriquement relié à une basse tension, par exemple à une tension de 50 Volt, voire au potentiel zéro.
Le dispositif de collecte 1 comprend à l'intérieur du conduit 11, d'amont en aval, entre son orifice d'entrée 17 et son orifice de sortie 18, quatre étages distincts 10, 20, 30, 40. Le premier étage est constitué d'un chargeur à diffusion d'ions unipolaires 10, et est similaire à celui décrit précédemment en relation avec la figure 2.
Le chargeur 10 comprend ainsi une électrode centrale qui s'étend selon l'axe X sous la forme d'un fil 12 relié à une alimentation délivrant une haute tension 13, adaptée pour créer ainsi une décharge couronne au voisinage du fil 12.
Il comprend également une électrode périphérique sous la forme d'une grille 14 reliée à une alimentation basse tension 16.
L'étage 20, en aval du chargeur 10, comprend une électrode centrale qui s'étend selon l'axe X sous la forme d'une tige 22 reliée à une alimentation délivrant une moyenne tension 23, adaptée pour créer sans effet couronne un champ électrique de collecte dans l'espace 21 séparant l'électrode centrale 22 et la paroi du conduit 11. Un cylindre creux 24 épousant la paroi du conduit et constituant une première zone de collecte Zn est agencé autour de la tige 22 en regard de celle-ci.
L'étage 30, en aval de l'étage 20, comprend une électrode centrale qui s'étend selon l'axe X sous la forme d'un fil 32 relié à une alimentation haute tension 33, adapté pour créer un effet couronne au voisinage du fil 32 et donc un champ électrique intense dans l'espace 31 séparant le fil central 32 du conduit 11. Un cylindre creux 34 épousant la paroi du conduit et constituant une deuxième zone de collecte Zm est agencé autour du fil 32 en regard de celui-ci.
L'étage 40 comprend une structure 41, par exemple en « nid d'abeille », adaptée pour éviter l'apparition d'un vortex dans le conduit 11, et en aval un dispositif d'aspiration 42. En fonction des configurations, le dispositif de collecte selon l'invention peut s'affranchir de la structure 41.
Le fonctionnement du dispositif de collecte qui vient d'être décrit en référence à la figure 3 est le suivant.
L'air contenant les particules à collecter est aspiré par l'orifice d'entrée 17 par l'action du dispositif d'aspiration 42.
Les plus fines particules de l'aérosol sont électriquement chargées par diffusion d'ions unipolaires dans l'espace 15 séparant la grille 14 du conduit 11.
Ces particules les plus fines, à grande mobilité électrique, et les autres particules plus grosses à plus faible mobilité électrique, pénètrent dans l'étage 20. Le champ électrique sans effet couronne créé dans l'espace 21 entre la tige 22 et le cylindre 24 assure la collecte des particules les plus fines sur ce dernier en définissant la première zone de collecte Zn.
Les autres particules, plus grosses ne sont pas collectées et, toujours présentes dans l'aérosol qui pénètre dans le troisième étage 30.
Ces particules les plus grosses sont alors chargées électriquement sous l'effet couronne à proximité du fil 32 et du champ intense régnant dans l'espace 31 et sont collectées sur la paroi intérieure du cylindre 34 en définissant la deuxième zone de collecte Zm.
L'air épuré à la fois des particules les plus fines déposées dans la première zone de collecte Zn et des particules les plus grosses Zm est ensuite évacué par l'orifice de sortie 18 du dispositif.
Chacune des zones Zn et Zm peut ensuite être analysée par les techniques classiques de caractérisation physique ou physico-chimique, telles que microscopie optique ou électronique, scanner de surface, spectrométrie α, β, γ si les particules sont radioactives, spectroscopie de fluorescence X (XRF pour « X-Ray Fluoresence »), micro-fluorescence X (μ-XRF), spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS pour « Laser-Induced Breakdown Spectroscopy »).... pour connaître la granulométrie d'une part des particules les plus fines et d'autre part des particules les plus grosses, leur concentration, leur composition chimique et/ou leur morphologie.
Avantageusement, on peut prévoir que le cylindre de collecte 24 et celui 34 sont constitués par une seule et même pièce qui forme ainsi un seul substrat de collecte, qui peut être extrait aisément du conduit une fois la collecte visée effectuée.
On a représenté en figure 4, un autre exemple avantageux d'un dispositif de collecte 1 selon l'invention permettant de collecter les particules non pas sur un ou des cylindres agencés selon l'axe d'écoulement de l'aérosol comme illustré en figure 3, mais sur un même substrat en forme de disque 6 posé sur son support 5 et agencé orthogonalement à l'axe de symétrie du dispositif de collecte.
Outre une meilleure compacité, le dispositif de collecte illustré en figure 4 présente l'avantage, comparativement à celui illustré en figure 3, de pouvoir collecter toutes les particules sur une même surface plane de substrat selon des anneaux concentriques en fonction de leur dimensions relatives, les particules les plus grosses étant collectées préférentiellement au centre de la surface tandis que les plus fines sont collectées préférentiellement à la périphérie.
En outre, le dispositif de collecte illustré en figure 4 permet avantageusement de tirer profit du vent ionique créé par la configuration pointe-plan pour la collecte des particules les plus grosses, et ainsi induire une circulation d'air à travers le dispositif dans sa partie aval. Cette circulation d'air peut aller jusqu'à permettre de s'affranchir de la présence d'une pompe d'aspiration, ce qui allège considérablement le dispositif de collecte selon l'invention et permet également de réduire ses nuisances (vibrations, bruit, ...).
Le disque de collecte 6 est de préférence conducteur, typiquement en métal, voire semi-conducteur. Son diamètre est de préférence compris entre 10 et 25 mm, de préférence encore de l'ordre de 20 mm.
Le dispositif de collecte 1 présente une géométrie cylindrique de révolution autour de l'axe longitudinal X et comprend un corps creux allongé 11 entouré d'une enveloppe 110 qui peut être conductrice ou non et surmontée d'un corps isolant électriquement 3 dans lequel les électrodes sont fixées et par lequel les alimentations électriques sont réalisées. A titre de variante, le corps 11 et l'enveloppe 110 peuvent être une seule et même pièce.
L'enveloppe conductrice 110, ainsi que le corps 11 et le support 5 peuvent être reliés au potentiel zéro par la borne d'alimentation 2. Il est également possible d'utiliser une enveloppe 110 et le corps 11 en matériau isolant ainsi portés à potentiel flottant et de maintenir le support 5 au potentiel zéro par un fil électrique le reliant à la borne d'alimentation 2.
Le corps creux 1 1 définit en son sein avec un élément isolant 4, et un substrat de collecte 6 et son support 5, le conduit de circulation de l'aérosol depuis l'orifice d'entrée 17 jusqu'à l'orifice de sortie 18.
Le dispositif de collecte 1 selon la figure 4 comprend les mêmes éléments que celui de la figure 3 tel qu'explicité ci-avant mais s'en distingue essentiellement par le fait que :
- la partie pour créer l'effet couronne pour la collecte des particules les plus grosses est en configuration pointe-plan, la pointe 32 étant à distance du plan du substrat de collecte 6 agencé orthogonalement à l'axe X ; - le fil central 12 d'effet couronne pour la diffusion d'ions unipolaires, la tige 22 permettant de générer un champ électrique sans effet couronne pour collecter les particules fines et la pointe 32 d'effet couronne pour la collecte des particules les plus grosses formant une seule et même électrode centrale aux portions 12, 22, 32 continues mais de géométrie différente.
Plus précisément, le chargeur à diffusion d'ions unipolaires est constitué d'une portion de l'électrode centrale sous la forme d'un fil 12 et d'une grille 14 agencée autour du fil central 12. Le fil central 12 a de préférence un diamètre inférieur à 50 μιη.
Dans le prolongement de la grille 14, un élément isolant 4 permet judicieusement d'assurer à la fois le centrage et la fixation de la portion d'électrode sous la forme de tige 22 reliée ainsi électriquement au fil 12.
La tige 22 se termine par une pointe effilée 32 en regard du disque de collecte 6. De préférence, l'angle de la pointe est inférieur à 35° et son apex (sommet) a sa plus grande largeur inférieure à 50 μιη.
Le dispositif de collecte 1 peut comprendre avantageusement dans sa partie aval, c'est-à-dire dans la partie élargie du conduit de circulation de l'aérosol, en aval de la grille 14, des actionneurs plasma 8 qui permettent de contrôler l'écoulement de l'air épuré des particules dans cette partie aval, avant son évacuation par l'orifice de sortie 18, comme expliqué par la suite.
Une seule alimentation haute tension 13, 23, 33 permet de réaliser à la fois l'effet couronne au voisinage du fil 12 et au voisinage de la pointe 32. La haute tension est choisie préférée entre 2 et 6 kV, de façon encore préférée à environ 4 kV.
Une alimentation basse tension 16, de l'ordre de 100V, permet de polariser la grille 14 pour contrôler la production d'ions unipolaires dans l'espace de charge par diffusion 15.
Il est à noter qu'il n'y a pas, dans ce dispositif selon la figure 4 d'alimentation moyenne tension, l'électrode 22 permettant de générer un champ électrique sans effet couronne, en tant que telle, les lignes de champ de moyenne tension sans effet couronne pour la collecte des particules les plus fines comme détaillé ci-après, résultant dans ce cas de la haute tension appliquée sur la pointe 32.
Lorsqu'on dimensionne le dispositif, on veille à réaliser une bonne tenue mécanique du sous-ensemble constitué de l'électrode centrale à portions différentes 1 1, 12, 32, de la grille 14 et de l'élément isolant 4 ainsi qu'à garantir une continuité électrique tout le long de l'alimentation haute tension 13, 23, 33 et des différentes portions 12, 22, 32 de l'électrode.
Le dimensionnement est réalisé en veillant à ne pas introduire de rétrécissement trop important avec une section réduite. Cela permet de réduire au minimum la perte de charge de l'ensemble vis-à-vis de l'air circulant dans l'espace annulaire 15.
Ainsi, le fonctionnement du dispositif de collecte selon la figure 4 est similaire à celui de la figure 3.
L'aérosol circule depuis l'orifice d'entrée 17 jusqu'à l'orifice de sortie 18 du fait que l'aspiration est réalisée au niveau de ce dernier.
Les particules les plus fines sont électriquement chargées par diffusion d'ions unipolaires dans l'espace annulaire 15 alors que les particules les plus grosses sont électriquement chargées sous l'action du champ électrique intense dans l'espace 31 entre pointe 32 générant l'effet couronne et le substrat de collecte 6.
On a illustré en figure 4, une réalisation possible du dispositif de collecte 1 qui permet de ne pas utiliser de pompe d'aspiration auxiliaire. Sous l'effet du vent ionique créé dans l'espace 31 entre la pointe 32 et le substrat de collecte 6, une dépression apparaît dans l'espace annulaire 15 de charge par diffusion, ce qui crée une circulation au débit q dans le dispositif.
L'aspiration peut être optimisée par l'ouverture plus ou moins large de l'orifice de sortie 18, par le choix de la haute tension appliquée à la pointe 32 ainsi que par la distance entre la pointe 32 et le plan 6.
Comme illustré en figure 4, il est possible d'entretenir voire amplifier la circulation d'air épuré des particules qui a lieu dans la partie aval du conduit par des actionneurs plasma 8 agencés au voisinage de la sortie 18. Ces actionneurs plasma 8 sont avantageusement du type de ceux utilisés en microélectronique pour le refroidissement de microcomposants. Ainsi, en amplifiant le flux d'air épuré, on augmente globalement le débit de collecte q qui parcourt le dispositif. Au final, à une géométrie et une haute tension définies, correspond un débit de collecte q que l'on peut fixer.
On a illustré en figure 5, les lignes de champ électrique qui ont lieu dans la partie aval du conduit de circulation de l'aérosol. Les lignes de champ étant perpendiculaires aux lignes équipotentielles, il est possible de réaliser un confinement des lignes de champ par les équipotentielles internes aux zones de collecte.
On voit clairement sur cette figure 5 que la pointe 32 permet d'obtenir un champ électrique très intense localement, ce qui permet l'ionisation de l'air et la charge des microparticules. Mais en s'éloignant à la verticale, celui-ci diminue très rapidement jusqu'à une valeur d'environ 0.5* 106 V/m à l'endroit où passent les particules. Le dispositif selon l'invention tel que représenté en figure 4, dimensionné avec une portion 111 de la paroi du corps creux 11 contraignant le flux d'air allant vers la sortie 18 à passer entre deux parois parallèles entre lesquelles le champ électrique est signifîcativement amplifié jusqu'à une valeur de 106 V/m. De plus, le rayon de courbure de 1 mm en bas de la paroi du corps creux 11 est suffisant au niveau du point critique pour éviter tout problème de claquage jusqu'à 4000 V.
Comme illustré en figure 6, c'est la combinaison des effets aérauliques et électriques appliqués aux particules qui va définir leur trajectoire et donc la zone du substrat 6 dans laquelle elles vont être collectées.
Une particule fine, de forte mobilité, est immédiatement soumise à l'action du champ électrique radial environnant, qui se traduit par une vitesse radiale vers l'extérieur w, tout en étant transportée par le champ aéraulique, qui se traduit par une vitesse radiale vers l'intérieur v. La résultante vectorielle, vitesse u définit ainsi la trajectoire et le point d'impact de cette particule sur le disque 6 de collecte.
Ainsi, pour une pluralité de particules fines de même mobilité, injectées de façon laminaire dans l'espace annulaire 15, le point d'impact définit une circonférence d'impact ou anneau Zn sur le substrat 6, compte tenu de la symétrie de révolution du dispositif.
Quant aux plus grosses particules, de plus faible mobilité, elles ne sont pas chargées par diffusion, arrivent au voisinage de la pointe 32, se chargent électriquement par bombardement des ions produits localement par l'effet couronne entre la pointe 32 et le substrat 6, et se déposent donc sur ce dernier au voisinage de l'axe X sur des circonférences d'impact Zm de rayons d'autant plus faibles que leur taille est grande.
Les particules sont donc collectées sur le disque selon des cercles concentriques en fonction de leur granulométrie, les plus fines à l'extérieur, les plus grosses au centre. Les inventeurs ont cherché à évaluer quantitativement l'efficacité d'un dispositif de collecte 1 qui vient d'être décrit en référence aux figures 4 à 6.
Une première évaluation a été faite à partir d'air chargé en billes de latex- polystyrène (PSL) de 2 μιη de diamètre, commercialisées par la société ABCR sous la dénomination ABCR 210832.
Cette première évaluation permet d'illustrer le mécanisme de charge par effet de champ des particules de taille micronique dans l'espace 31 entre la pointe 32 et le substrat métallique de collecte 6 et leur dépôt sur ce dernier.
Les inventeurs ont procédé de la manière suivante.
Une suspension aqueuse de billes de PSL est atomisée à l'aide d'un générateur d'aérosols, de marque TSI, modèle 3076, puis séchée par une colonne dessicante, de marque TSI, modèle 3062.
L'aérosol ainsi généré est ensuite introduit dans une chambre dans laquelle se trouve le dispositif de collecte 1 comme illustré en figures 4 à 6, à un débit de 3,6 L/min.
La chambre est munie d'un orifice de sortie permettant d'éviter une surpression puisque le débit imposé par une pompe externe au dispositif de collecte, dans la gamme de 0,4 à 1,4 L/min est toujours inférieur au débit d'aérosol entrant dans la chambre.
Dans cet exemple, un débit Q imposé est appliqué au dispositif de collecte 1 pour forcer un flux à le parcourir de l'orifice d'entrée 17 à celui de sortie 18 à l'aide d'une pompe à débit variable qui est contrôlée par un débitmètre.
La haute tension 13, 23, 33 appliquée sur l'électrode centrale 12, 22, 32 est étudiée pour les polarités positives (+) et négatives (-) de 1500 V à 4000 V et ce pour différentes distances z entre l'extrémité de la pointe 32 et le substrat de collecte 6.
La figure 7 montre que pour un débit constant de 1,4 L/min, l'efficacité de collecte qui se traduit par le ratio exprimé en pourcentage entre le nombre de particules sortant du dispositif et le nombre de particules entrant, augmente lorsque la tension appliquée (en valeur absolue) augmente. Pour une tension appliquée entre 3500 et 4000 V (en valeur absolue), l'efficacité de collecte plafonne autour de 90% quelle que soit la distance entre pointe 32 et plan du substrat 6, que l'on fait varier de 2,5 mm à 6,5 mm.
La figure 8 quant à elle indique que globalement l'efficacité de collecte est la plus élevée lorsque le débit est faible, ce qui est particulièrement le cas pour un débit de 0,4 L/min. Par ailleurs, on observe que pour un débit fixé l'efficacité de collecte est plus élevée lorsque la polarité utilisée est négative et lorsque la distance pointe-plan est grande.
Ces exemples d'évaluation montrent que le dispositif de collecte selon l'invention, tel que décrit aux figures 4 à 6, peut être utilisé pour collecter des particules de taille micronique grâce à un mécanisme de charge par effet de champ créé par la pointe 32 portée à haute tension avec une efficacité de collecte supérieure à 95 %.
On a reproduit en figure 9, la photographie d'un substrat de collecte 6 en cuivre de 20 mm de diamètre sur lequel les particules microniques ont été collectées : on voit clairement qu'elles sont déposées selon un anneau Zm concentrique à l'axe X du dispositif ou encore de la pointe 32. Cette couronne blanche Zm correspond au dépôt des particules PSL de 2 μιη de diamètre.
Les inventeurs ont également simulé le fonctionnement du dispositif de collecte selon l'invention tel qu'illustré aux figures 4 à 6 et ce à l'aide d'un logiciel de calculs par éléments finis commercialisé sous la dénomination « COMSOL Multiphysics ».
Le dispositif de collecte 1 avec la même géométrie que celle montrée aux figures 4 à 6, peut être étudié sous le logiciel COMSOL en regardant les écoulements, les champs électriques, les trajectoires de particules ainsi que le vent ionique produit.
La figure 10 est une vue montrant la description de modèles utilisés pour effectuer une simulation à l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis pour déterminer les écoulements et les champs électriques qui se produisent dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4.
Dans la géométrie représentée en figure 10 et correspondant à celle du dispositif illustré en figure 4, la portion de paroi élargie 111 est portée au même potentiel que la pointe 32. Dans le contexte de l'invention, il va de soi que cette portion 11 1 peut être à un potentiel différent de la pointe 32.
La figure 11 montre la simulation de l'écoulement pour une distance z entre pointe 32 et plan 31 de 4 mm et une tension appliquée U à la pointe 32 et à la portion 1 11 de + 4000 V.
La représentation de la figure 11 met bien en évidence la génération d'un plasma produit par effet couronne sous la pointe 32 où les champs électriques sont les plus élevés, ce plasma induisant un vent ionique en direction du disque de collecte 6. Le jet ainsi produit s'épanouit sur la surface du disque de collecte.
De cette figure 11 , on remarque aussi que ce vent ionique aspire en quelque sorte l'aérosol en amont de la pointe 32 vers la zone de charge 31 par effet de champ et donc participe aux excellentes efficacités de collecte rencontrées pour les particules les plus grosses, dont les trajectoires n'auront pas été déviées par les lignes de champ, puisque non chargées dans la zone de charge 15 par diffusion d'ions en amont.
Il ressort de cette figure 11, que la portion 111 permet de créer une circulation d'aérosol dans le dispositif 1 selon l'invention. En calculant la valeur moyenne de la vitesse du flux en entrée, au moyen du logiciel par éléments finis « Comsol » et en multipliant cette valeur par la surface, on obtient un débit d'environ 0,5 L/min, qui est une valeur très correcte pour obtenir des efficacités de collecte supérieures à 94%.
Ceci a été vérifié expérimentalement sur le dispositif de la figure 4 par l'utilisation d'un fumigène. Le fumigène a permis de montrer que le vent ionique entraînait bien la création d'un débit d'aspiration sans pompe externe en entrée de dispositif.
Les inventeurs ont également tracé la trajectoire des particules dans le dispositif illustré en figure 4 pour des nanoparticules de diamètre 10 nm et 100 nm et avec un débit Q = 0,5 L/min.
La figure 12 représente ainsi la simulation pour une tension appliquée U égale à + 4000 V et pour une distance z entre pointe 32 et plan 31 de 4 mm, de la trajectoire des particules respectivement de diamètre 100 nm à gauche de la figure (n=4 : nombre de charges élémentaires) et de diamètre 10 nm à droite de la figure (n=l)).
On constate par le logiciel d'éléments finis « Comsol » que les nanoparticules sont bien précipitées, i.e. déposées par précipitation électrostatique.
Ainsi, le dispositif de collecte 1 selon l'invention comme montré au figures 4 à
6 permet de collecter par dépôt sur un même support, par exemple un disque métallique, à la fois des particules de dimensions différentes, selon des zones concentriques correspondant à des granulométries bien déterminées. Les particules les plus grosses, typiquement les particules de taille micronique, sont collectées dans une zone de collecte Zm centrale tandis que les particules les plus fines, typiquement les nanoparticules sont collectées dans une zone annulaire périphérique Zn. Le support peut ensuite être extrait du reste du dispositif de collecte puis analysé par des techniques classiques de caractérisation physique ou physico-chimique (microscopie optique ou électronique, scanner de surface, fluorescence X, spectrométrie LIBS, spectrométrie α, β, γ si les particules sont radioactives, ....
Le dispositif de collecte selon l'invention est particulièrement bien adapté pour l'échantillonnage de particules dans des milieux gazeux, notamment l'air des locaux ou de l'environnement dans le but de connaître la concentration, la granulométrie, la morphologie et la composition des particules d'aérosol susceptibles d'être inhalées... Du fait de son faible encombrement et de sa consommation électrique réduite, ce dispositif pourrait être portatif et donc déployable à grande échelle pour un coût modéré.
Selon une variante avantageuse, il est possible de faire fonctionner le dispositif de collecte selon l'invention en tant que chambre d'ionisation. Ainsi, de façon séquentielle, selon un cycle préétabli, le dispositif peut fonctionner en tant que collecteur d'aérosols pendant un temps tls puis en compteur d'impulsions pendant un temps t2.
En effet, si au préalable des aérosols sont déposés sur le substrat 6 pendant la phase de collecte (temps tl), puis si la haute tension appliquée sur la pointe 32 est ensuite inférieure à la tension d'amorçage de l'effet couronne pendant la phase de comptage (temps t2), une ionisation de l'air va se créer.
Le courant d'ionisation collecté par la pointe 32 peut alors être détecté par un système électronique approprié, du type de ceux utilisés couramment dans les chambres d'ionisation classiques.
Appliquée à des aérosols radioactifs, une telle chambre d'ionisation peut ainsi constituer un détecteur de contamination radioactive avec une fonction d'alarme en cas de dépassement d'un seuil prédéterminé. En outre, le substrat de collecte 6, ayant joué son rôle de collecte des particules selon l'invention, il peut être extrait pour effectuer des analyses radioactives plus poussées avec comme avantage subséquent d'un dépôt en couches minces pour la spectrométrie a.
D'autres variantes et améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. Références citées
[1]: W. Hinds, « Aérosol Technology » , 2nd Edition, 1999.
[2]: P. Intra et N. Tippayawong, « Aérosol an Air Quality Research », 11 : 187-209, 2011 ;
[3]: G.W. Hewitt, « The Charging of small Particles for Electrostatic Précipitation », AIEE Trans., 76 : 300-306, 1957 ;
[4]: G. Biskos, K. Reavell, N. Collings, « Electrostatic Characteriation of Corona-Wire Aérosol Chargers », J. Electrostat. 63 : 69-82, 2005;
[5]: D.Y.H. Pui, S. Fruin, P. H. McMurry, « Unipolar Diffusion Charging of Ultrafine Aérosols », Aérosol Sciences Technology 8 : 173-187, 1988 ;
[6]: P.Bérard, « Etude du vent ionique produit par décharge couronne à pression atmosphérique pour le contrôle d'écoulement aérodynamique, » Engineering Sciences, Ecole Centrale Paris, 2008, NNT : 2008ECAP1085, tel-01071389 ;

Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode de collecte de particules susceptibles d'être présentes dans un aérosol, comprenant les étapes suivantes:
- aspiration (18, 42) de l'aérosol dans un conduit (11) depuis son orifice d'entrée (17) jusqu'à son orifice de sortie (18);
- charge des particules les plus fines, en aval de l'orifice d'entrée, par diffusion d'ions unipolaires (10) dans un espace (15) entre une électrode sous la forme d'une grille (14) entourant une électrode sous la forme d'un fil (12) générant un effet couronne, et une première portion conductrice de paroi intérieure du conduit,
- génération d'un champ électrique sans effet couronne dans l'espace (21) entre une électrode (22) et une deuxième portion conductrice (24) de paroi intérieure du conduit, afin de collecter par dépôt sur une première zone de collecte (Zn) des particules les plus fines chargées par le chargeur à diffusion,
- génération d'un champ électrique avec effet couronne dans l'espace (31) entre le fil ou la pointe d'une électrode (32) et une troisième portion conductrice (34, 6) de la paroi intérieure du conduit, afin de collecter par dépôt sur une deuxième zone de collecte (Zm) distincte de la première zone de collecte, les particules les plus grosses, non chargées par le chargeur à diffusion.
2. Méthode de collecte de particules radioactives selon la revendication 1 , comprenant en outre les étapes suivantes :
a/ collecte de particules radioactives sur la première et/ou la deuxième zone de collecte pendant un temps tl ;
b/ comptage d'impulsions générées par le courant d'ionisation de l'air dans les espaces (21, 31) pendant un temps t2.
3. Méthode de collecte de particules radioactives selon la revendication 2, comprenant une étape d'émission d'une alarme en cas de dépassement d'une valeur seuil prédéterminée d'impulsions comptées selon l'étape b/.
4. Dispositif de collecte (1) de particules susceptibles d'être présentes dans un aérosol, comprenant :
- un conduit (11) comprenant un orifice d'entrée (17) et un orifice de sortie (18) entre lesquels l'aérosol peut circuler ; - des moyens d'aspiration (18, 42) pour faire circuler l'aérosol depuis l'orifice d'entrée jusqu'à l'orifice de sortie;
- en aval de l'orifice d'entrée, un chargeur (10) à diffusion d'ions unipolaires comprenant une électrode sous la forme d'un fil (12) entouré par une électrode sous la forme d'une grille (14), le chargeur étant adapté pour charger les particules les plus fines dans l'espace (15) séparant la grille d'une première portion conductrice de paroi intérieure du conduit, par diffusion d'ions unipolaires au travers de la grille;
- en aval du chargeur à diffusion, une électrode (22) adaptée pour générer sans effet couronne un champ électrique dans l'espace (21) séparant l'électrode (22) d'une deuxième portion conductrice (24) de paroi intérieure du conduit et ainsi collecter les particules les plus fines, préalablement chargées par le chargeur à diffusion, par dépôt sur une première zone de collecte (Zn);
- en aval du chargeur à diffusion d'ions et de la zone de collecte des nanoparticules, un chargeur (30) par champ électrique comprenant une électrode sous la forme d'un fil ou d'une pointe (32) adapté(e) pour générer avec effet couronne un champ électrique dans l'espace (31) séparant le fil ou la pointe d'une troisième portion conductrice (34, 6) de la paroi intérieure du conduit et ainsi charger puis collecter les particules les plus grosses, par dépôt sur une deuxième zone de collecte (Zm) distincte de la première zone de collecte.
5. Dispositif de collecte selon la revendication 4, dans lequel :
- le conduit (11) est un cylindre creux de révolution autour d'un axe longitudinal (X);
- les moyens d'aspiration sont constitués par une pompe (42) ;
- les première, deuxième et troisième portions conductrices de paroi sont des portions de cylindre (11, 24, 34) constituant une partie du conduit;
- le chargeur (30) par champ comprend une électrode sous la forme d'un fil (32) en configuration fil-cylindre avec la portion de cylindre correspondante (34);
- le fil (12) du chargeur à diffusion d'ions, l'électrode (22) permettant de générer un champ électrique sans effet couronne et le fil (32) du chargeur par champ (30) sont des pièces distinctes et agencées successivement l'une derrière l'autre le long de l'axe (X).
6. Dispositif de collecte selon la revendication 4, dans lequel : - le conduit (11) comprend un élément creux de révolution autour d'un axe longitudinal (X) et un substrat plan (6) agencé à une extrémité de l'élément creux en étant orthogonal à l'axe (X), la distance séparant l'élément creux du substrat plan (6) et de son support éventuel (5) définissant les dimensions de l'orifice de sortie (18), le substrat plan formant un substrat de collecte définissant à la fois la première (Zn) et la deuxième zone (Zm) de collecte;
- les moyens d'aspiration sont constitués par l'orifice de sortie (18) ;
- la première portion conductrice de paroi est une portion de révolution constituant le conduit;
- les deuxième et troisième portions conductrices sont rassemblées sur le même substrat de collecte (6) ;
- le chargeur (30) par champ comprend une électrode sous la forme d'une pointe (32) en configuration pointe-plan avec le substrat de collecte (6); la pointe (32) étant adaptée pour générer un effet couronne participant à la charge par champ des particules mais également pour créer un champ électrique favorisant la collecte des espèces préalablement chargées par le chargeur par diffusion d'ions (10).
- le fil (12) du chargeur à diffusion d'ions (10), l'électrode (22) et la pointe (32) du chargeur par champ (30) sont des portions d'une même pièce présentant une continuité électrique qui s'étend le long de l'axe (X).
7. Dispositif de collecte selon la revendication 6, comprenant des actionneurs- plasma (8) agencés au voisinage de la sortie (18).
8. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel le fil (12) du chargeur à diffusion d'ions, la tige d'électrode de collecte (22) et le fil ou la pointe (32) du chargeur par champ (30) sont reliées à une alimentation haute tension, de préférence comprise entre 2 et 6kV.
9. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 4 à 8, dans lequel la grille (14) est reliée à une alimentation basse tension, de préférence de l'ordre de 100V.
10. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 4 à 9, les première, deuxième et troisième portions conductrices (11, 24 ; 34 ou 6) étant reliées au potentiel zéro.
11. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 4 à 10, constituant une chambre d'ionisation de l'air.
12. Dispositif de collecte selon l'une des revendications 4 à 11, constituant un détecteur de particules radioactives.
13. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 4 à 12, pour collecter tout en les séparant des nanoparticules dans la première zone de collecte (Zn) et des particules de taille micronique dans la deuxième zone de collecte (Zm).
14. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 4 à 12, en tant que chambre d'ionisation.
15. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 4 à 12, pour évaluer l'exposition individuelle des travailleurs ou des consommateurs aux nanoparticules.
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