Augmentation du diamètre aérodynamique des particules avec le générateur PLUS

Il existe une technique pour augmenter le diamètre aérodynamique des particules sèches dans un générateur à ultrasons. En effet, l’expression du diamètre aérodynamique1 montre que si la masse volumique ρp du solide à dissoudre est élevée, la valeur de dae augmente. Comme expliqué

précédemment, l’uranine pure utilisée jusque là permet d’obtenir des particules sèches de 5 µm maximum (damm) avec le générateur PLUS (ρuranine = 1500 kg.m-3). Il serait donc intéressant de choisir

une espèce chimique telle que ρp > ρuranine. Mais il faut rappeler que l’uranine a l’avantage de

présenter des propriétés fluorescentes, qui permettent sa détection spécifique par fluorimétrie. Cet argument explique à l’origine le choix de ce solide pour les premières expériences. Pour concilier les deux propriétés (fluorescence et masse volumique élevée), la technique consiste à dissoudre un mélange constitué d’une poudre de masse volumique élevée et d’une petite proportion connue de poudre d’uranine (« marquage » à l’uranine). En effet, la détection par fluorimétrie étant très sensible, une faible quantité d’uranine suffit. La proportion d’uranine dans chaque particule générée (et par conséquent sur les filtres de prélèvement) sera la même que dans le mélange de départ, ce qui permet de remonter à la quantité réelle d’aérosols prélevés. La masse volumique ρpm

du mélange de poudres se déduit donc de la relation :

uranine uranine p p pm x x ρ ρ ρ = + 1 (176) avec xp et xp uranine les fractions massiques respectives du composé dense pur et de l’uranine pure

dans le mélange solide.

Le chlorure de césium CsCl est choisi, étant donné sa masse volumique élevée : ρp = 4000 kg.m -3

soit davantage que d’autres sels comme le chlorure de sodium (2160 kg.m-3). De plus, sa solubilité dans l’eau est bonne (environ 1,5 kg.L-1 dans l’eau froide) et il ne réagit pas chimiquement avec l’uranine. Comme pour l’uranine, il sera plus raisonnable de se limiter à 800 ou 900 g.L-1 de chlorure de césium solide.

Ainsi, la solution aqueuse utilisée pour générer des particules de taille supérieure contient 820 g.L-1 de chlorure de césium et 30 g.L-1 d’uranine, soit environ 3,5 % d’uranine en masse (Cm = 850 g.L-1).

La masse volumique du mélange solide est ρpm = 3780 kg.m-3. Avec cette solution, le générateur

PLUS permet d’obtenir des particules de diamètre damm = 9,1 µm d’après les équations (173) et

(174), ce qui répond bien à l’objectif d’approcher les 10 µm (effets de sédimentation et d’inertie).

5.1.2. Systèmes de prélèvement

Pour mesurer la granulométrie des aérosols ainsi que les concentrations en particules ou en gaz, ces derniers doivent être acheminés jusqu’aux filtres de prélèvement ou appareils de mesure selon le cas. Pour cela, plusieurs systèmes de prélèvement ont été utilisés. Ils sont énumérés dans ce paragraphe.

5.1.2.1. Prélèvements gazeux

Comme dans le cas de la génération (ou injection), les prélèvements gazeux sont nettement moins complexes à mettre en œuvre que les prélèvements d’aérosols. Pour acheminer un mélange de gaz traceur dilué dans l’air ambiant depuis un point de prélèvement vers l’appareil de mesure (ou vers sa sonde de mesure), une pompe et un tuyau sont nécessaires, comme l’indique le schéma sur la figure 110.

figure 110. Schéma de prélèvement gazeux pour les mesures de concentration en gaz traceur

Le filtre de protection sert à éviter que des particules présentes dans la pompe (huile, graphite…) endommagent la sonde ou l’appareil de mesure. Le débit de la pompe doit être suffisant pour alimenter le capteur de mesure.

5.1.2.2. Prélèvements d’aérosols

Le prélèvement d’aérosols constitue une étape plus délicate à mettre en oeuvre que le prélèvement gazeux. En effet, un prélèvement d’aérosols est correctement représentatif de l’entrée du dispositif de prélèvement (sonde, porte filtre…) uniquement s’il est isocinétique : les lignes de courant fluide doivent pénétrer dans ce dispositif sans être perturbées. Ce point est détaillé dans l’Annexe 7. L’isocinétisme concerne plusieurs types de prélèvements :

- les prélèvements dans des conduits (gaines), qui sont mis en œuvre pour mesurer des concentrations (prélèvement sur filtre à l’injection d’un générateur d’aérosols par

exemple), ou pour déterminer des granulométries d’aérosols (prélèvement envoyé vers un appareil de mesure). La relation suivante caractérise un prélèvement isocinétique :

2 2 sonde sonde gaine gaine d Q d Q = (177)

- les prélèvements d’ambiance, considérés comme des prélèvements en « air calme », c’est- à-dire pour des vitesses d’air inférieures à 1 m.s-1. Concrètement, un point de l’ambiance est situé en air calme s’il ne se trouve ni dans un jet d’air de soufflage, ni dans un panache d’injection. Lors des expériences, des porte-filtres de type ambiance sont installés en divers points du local, afin de prélever en air calme des aérosols d’uranine sur un filtre pendant une certaine durée. Pour respecter l’isocinétisme, la position du porte-filtre et le débit de prélèvement doivent respecter le critère d’Agarwal, expliqué dans l’Annexe 7. La figure 111 présente des schémas de systèmes de prélèvement d’ambiance utilisés, selon la disponibilité du matériel lors des essais.

figure 111. Schémas de prélèvement pour les mesures de concentration en aérosols dans l’ambiance

5.1.3. Systèmes d’analyse

5.1.3.1. Mesures de concentrations ● Concentrations en gaz traceur

Les expériences de traçage gazeux nécessitent des appareils capables de détecter spécifiquement la concentration en gaz traceur dans l’air. Deux types d’appareils ont été utilisés :

- un spectromètre de masse est utilisé lorsque le gaz traceur est l’hélium,

- un analyseur infrarouge de type Binos est utilisé lorsque le gaz traceur est de l’hexafluorure de soufre (SF6).

● Concentrations en aérosols

Comme expliqué précédemment, les concentrations sont déterminées par fluorimétrie, grâce à un fluorimètre Eppendorf. Plus précisément, cet appareil permet de déterminer la masse d’uranine s’étant déposée sur chaque filtre de prélèvement. Les concentrations en aérosols correspondantes peuvent ensuite être calculées avec les relations suivantes :

ambiance ambiance équilibre V m C = (178) injection injection injection V m C = (179)

Pour un prélèvement d’ambiance, Vambiance peut être déterminé avec un compteur volumétrique ou

avec le débit d’un col sonique et la durée du prélèvement. De même, Vinjection est déterminé à partir

du débit et de la durée du prélèvement isocinétique correspondant (cf. Annexe 7). Le fonctionnement du fluorimètre Eppendorf est détaillé dans l’Annexe 9.

● Mesures de décroissance de la concentration en aérosols

Un néphélomètre a été utilisé pour mesurer en continu l’évolution de la concentration en aérosols, lors de phases de décroissance (injection d’aérosols stoppée). Cet appareil utilise une méthode de comptage optique pour déterminer les concentrations en particules. Il est décrit dans l’Annexe 9.

5.1.3.2. Mesures de granulométries d’aérosols

Plusieurs appareils ont été utilisés pour mesurer la granulométrie des aérosols générés. Pour chaque essai, le choix s’effectue en fonction de leur gamme de détection en termes de tailles, de leur simplicité d’utilisation et de leur disponibilité. Les appareils suivants ont été utilisés :

- l’Aerodynamic Particle Sizer (APS), pour des tailles de particules telles que 0,5 µm < dae < 20 µm,

- l’Aerosizer, pour des tailles de particules telles que 0,5 µm < dae < 200 µm,

- l’Electrical Low pressure Impactor (ELPI), pour des tailles de particules telles que 0,03 µm ≤ dae≤ 10 µm.

Ces trois appareils sont décrits dans l’Annexe 10.