Doudou Géva et le second degré entre nihilisme et subvertson

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Aérosols et leur caractérisation

Dans une premiére partie, les différentes notions et grandeurs nécessaires à la caractérisation des aérosols et à la compréhension de leurs méthodes d’analyses sont introduites. 3.A.1 Généralités Un aérosol est un ensemble de particules solides ou liquides, en suspension dans un milieu gazeux. Les aérosols sont généralement stables pendant quelques secondes au minimum et dans certains cas, des particules peuvent rester en suspension pendant plus d’une année [238]. C’est donc un systéme biphasé qui regroupe de nombreux cas courants tels que la fumée, le brouillard ou encore les nuages. Afin de caractériser un aérosol et ses propriétés, plusieurs grandeurs prépondérantes peuvent ‘tre utilisées : taille des particules, distribution, forme, densité et concentration. Taille des particules La taille des particules d’un aérosol représente un paramétre de premier ordre pour le caractériser. Les tailles rencontrées couvrent une large gamme de 10 -10 m pour les gaz à prés de 1 mm pour certaines suspensions liquides ou solides (Figure 1). Dans la présente étude, ce sont entre autres, les particules inférieures à 1 µm qui seront considérées. Au travers des termes évoqués Figure 1, on peut mentionner la catégorie des particules ultrafines correspondant à des dimensions nanométriques (de 1 à 100 nm). 

Facteur de forme et morphologie des particules

En considérant le cas idéal o˘ toutes les particules de l’aérosol sont des sphéres parfaites, leur diamétre suffit à caractériser la taille des particules de cet aérosol. C’est notamment le cas de particules liquides d’aérosol o˘ celles-ci sont effectivement assimilables à des sphéres. Cette assertion est en revanche, plus délicate à affirmer dans le cas de particules solides qui ont trés souvent des facteurs de forme distribués et des morphologies complexes (Figure 2).Les différentes lois régissant la physique des aérosols et s’appliquant trés souvent à des particules sphériques, impliquent, pour pouvoir généraliser ces relations à des particules non-sphériques, la mise en place de différents paramétres d’équivalence : Le diamétre équivalent en volume, de, correspondant au diamétre de la sphére ayant le m’me volume que la particule considérée ainsi que sa masse volumique. Le diamétre aérodynamique, da, correspondant au diamétre de la sphére ayant la m’me vitesse de sédimentation que la particule considérée ainsi qu’une masse volumique de 1 000 kg.m-3 . Le diamétre équivalent optique, do, correspondant au diamétre de la particule sphérique ayant le m’me indice de réfraction et produisant la m’me intensité lumineuse en diffusion ou en diffraction, à un angle donné, que la particule considérée. Ce diamétre présente la particularité d »tre fortement dépendant de l’orientation de la particule non sphérique. Le diamétre équivalent de mobilité électrique, dm, correspondant au diamétre de la sphére qui aura la m’me vitesse que la particule chargée électriquement sous l’action d’un champ électrique donné. Le diamétre équivalent de diffusion (ou diamétre thermodynamique), dd, correspondant au diamétre de la particule sphérique possédant le m’me coefficient de diffusion brownienne que la particule considérée. Ces différents paramétres permettent de répertorier et de classifier les particules d’un aérosol gr‚ce à l’utilisation de différents appareils de caractérisation (Annexe M).

Densité des particules La densité correspond ici

à la masse par unité de volume de la particule elle-m’me (et pas de l’aérosol). Si la plupart des particules ont la m’me densité que le matériau duquel elles proviennent (à relier à la composition chimique de celui-ci), il arrive cependant, qu’en cas de présence de vide au sein des particules, leur densité soit légérement inférieure à cette valeur initiale (cas des fumées par exemple).

Concentration C’est généralement un des premiers paramétres qui est mesuré. C’est également un des plus significatifs en cas d’étude des effets d’un aérosol sur la santé de l’homme et sur son environnement. Ce paramétre permet de déterminer la quantité de particules qui se trouve dans une unité de volume d’aérosol. Cette mesure de concentration peut ‘tre effectuée en nombre, en masse ou encore en surface. 

 

Distribution Dans le cas o˘ toutes les particules de l’aérosol ont la m’me taille, alors on parlera d’un aérosol monodisperse, dans le cas contraire il s’agira d’un aérosol polydisperse. La grande majorité des aérosols sont polydisperses et l’on peut ‘tre confronté à des dimensions de particules variant de prés de deux ordres de grandeur au sein d’un m’me aérosol. En considérant cette grande variation de dimension et l’influence de la taille des particules sur les propriétés de l’aérosol, il est nécessaire de bien caractériser cette distribution et ainsi de déterminer quels sont les diamétres des particules et la fréquence à laquelle on les trouve. Il s’agit alors de la distribution granulométrique de l’aérosol (Figure 3). 

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Détection de l’aérosolisation de nanoparticules 

Depuis ces derniéres années, la mesure et l’analyse des aérosols en milieu industriel a pris une importance prépondérante et tout particuliérement dans le domaine professionnel des nanoparticules. De ce fait, différentes méthodes ont été développées ou adaptées à l’échelle nanométrique. Pour la grande majorité de ces méthodes, les analyses sont réalisées gr‚ce à un mode de prélévement actif. Les différents types d’analyse peuvent classifiés en fonction des concentrations en nombre, en surface ou en masse par unité de volume d’aérosol. Les principaux outils permettant de caractériser un aérosol sont présentés en Annexe M. Plusieurs auteurs se sont intéressés à la détection de nanoparticules aérosolisées et notamment de nanotubes de carbone.

Etudes consacrées aux nanoparticules seules Afin de connaître le potentiel d’aérosolisation de nanoparticules, plusieurs travaux se sont penchés sur le comportement de nanoparticules lors de leur manipulation. Baron et al [240] ont ainsi travaillé sur la présence de nanotubes de carbone aérosolisés dans l’atmosphére d’une usine de production de SWNT. Ils ont notamment approfondi ces mesures durant l’étape de manipulation des nanotubes aprés leur synthése. Les mesures granulométriques ont été réalisées par compteur à noyaux en condensation (CNC), scanning mobility particle sizer (SMPS) et aerosol particle size (APS) et des observations microscopiques ont également été effectuées. Ils y ont notamment démontré que la méthode de synthése des nanotubes de carbone influence leur potentiel d’aérosolisation (l’aérosolisation est favorisée lorsque les nanotubes sont synthétisés par la méthode ´ hautes pressions ª, HIPco, qui conduit à de plus petites particules que l’ablation laser). Il apparaît par contre, que contrairement aux nanoparticules d’aluminium, la manipulation de SWNT ne génére que trés peu de nanoparticules aérosolisées. Ces particules sont d’ailleurs majoritairement des agglomérats de SWNT qui ont des diamétres compris entre 100 nm et 10 µm (Figure 4). Bien qu’agglomérés, il est tout de m’me important de relever qu’une quantité non négligeable de SWNT est retrouvée sur les gants de l’opérateur aprés leur manipulation.Fujitani et al [241] se sont penchés sur le m’me type de manipulation avec des nanoparticules de fulleréne (seul le facteur de forme différe entre ces nanoparticules et les nanotubes de carbone qui ont la m’me structure atomique carbonée). A l’aide d’un compteur de particules optique (OPC) et d’un scanning mobility particle sizer (SMPS), il a été mis en lumiére que seuls des agglomérats de fullerénes ont été observés et non des particules de fullerénes individualisés. Les données granulométriques ont d’ailleurs été confirmées par des clichés de microscopie MEB. Bello et al [242] ont également travaillé sur l’exposition aux nanotubes de carbone durant leur synthése par CVD. A l’aide des données obtenues avec un fast mobility particle sizer (FMPS) couplées à des observations microscopiques et des analyses par spectroscopie des rayons X (EDX), ils n’ont observé aucun nanotube de carbone aérosolisé. Ceux-ci restent préférentiellement sur le substrat o˘ ils ont été synthétisés sous l’effet des forces de Van der Waals. Cependant, durant le m’me type de synthése, Tsai et al [243] ont observé des agglomérats de nanotubes de carbone mais également la présence, dans les données du FMPS, d’un pic voisin de 50 nm qui peut ‘tre interprété comme la signature de SWNT isolés. Cette hypothése a d’ailleurs été confirmée par des clichés réalisés par microscopie en transmission, o˘ des nanotubes de carbone simplement rev’tus de particules de catalyseur, ont été observés (Figure 5).

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