Développement du pilote de laboratoire

II.1. Estimation du débit nominal de traitement du pilote de

laboratoire

Pour dimensionner le procédé de traitement pour un habitat de type individuel, il est nécessaire de connaître le taux de renouvellement de l’air de l’habitat et donc le débit à traiter. Ce débit nominal d’air à traiter a été déterminé de façon à être représentatif d’un débit de ventilation insufflé dans un logement de type individuel. Le dimensionnement a été réalisé à partir d’un logement type, à savoir la maison QEI (qualité de l’environnement intérieur) de la plateforme TIPEE située sur le site de Lagord à La Rochelle, Figure 3-1. Le volume choisi pour l’étude correspond à celui des pièces de vie du rez-de-chaussée de la maison c'est-à-dire la cuisine, le séjour, la buanderie et le bureau. Pour la surface de 65 m2 et la hauteur sous plafond de 2,5 m, le volume d’air à renouveler est environ égal à 160 m3.

Figure 3-1 - Plan du Rez-de-chaussée de la maison QEI de Lagord

Connaissant le volume d’air à renouveler, le débit d’insufflation est ensuite déterminé en fonction de la règlementation en vigueur, à savoir l’Arrêté du 24 mars 1982 relatif à l'aération des logements. Ici, le rez-de-chaussée comportant deux pièces principales (séjour et bureau), le débit d’extraction minimal imposé par la règlementation est de 60 m3

.h-1 (JORF, 1983). Cependant, d’après l’Institut pour la Conception Eco-responsable du Bâti (ICEB, 2014), le

108 taux de renouvellement d’air préconisé en France est de 0,5 volume par heure, conduisant pour le logement type étudié à un débit nominal de 80 m3.h-1.

Le débit préconisé par l’ICEB étant le plus grand, il est retenu pour définir le débit nominal de traitement des pilotes expérimentaux et pour le dimensionnement de la solution de traitement. Par ailleurs, pour une canalisation de dimensions carrées de 15 cm de côté, classiquement rencontrées en habitat individuel, la vitesse débitante de l’air correspondante à ce débit de 80 m3.h-1 est de 1 m.s-1.

II.2. Conception du pilote de laboratoire

Le pilote de laboratoire a été entièrement construit et développé par l’équipe technique au sein du laboratoire GEPEA sur le site de l’Ecole des Mines de Nantes. L’objectif de ce pilote est de déterminer les performances de traitement des procédés étudiés en conditions contrôlées. A noter que contrairement à la mise en œuvre envisagée du procédé dans un logement individuel, dans le pilote de laboratoire les polluants désorbés pendant les cycles de chauffage ne sont pas by-passés.

Le pilote a été conçu pour fonctionner dans les conditions nominales déterminées précédemment, à savoir, pour un débit de 80m3.h-1 et pour une canalisation de section carrée de 150 mm de côté, représentative des conduites rencontrées dans les réseaux de ventilation, en moyenne comprise entre 12,5 et 15 cm. Le pilote de laboratoire comprend trois parties : la zone de pré-traitement de l’air, la zone d’étude et la zone de post-traitement de l’air avant rejet extérieur (Figure 3-2).

La zone de pré-traitement de l’air est composée d’une grille, d’un pré-filtre d’efficacité G4 et d’un filtre fin F9 (EN779:2012) pour l’abattement des particules. Pour abattre les polluants gazeux, un filtre adsorbant composé de grains de charbon actif est utilisé. Des essais expérimentaux préliminaires ont permis de vérifier que les étages de pré-traitement permettent par ailleurs de lisser les variations d’humidité et de température extérieures vers des valeurs moyennes comprises autour de 50% d’HR et 20°C. Un ventilateur en aval du pré-traitement assure l’alimentation en air du pilote. Une régulation de sa puissance permet d’assurer un débit d’air constant tout au long des essais.

La zone d’étude comprend les deux procédés de traitement mis en œuvre soit de façon combinée, soit de manière étagée. Les filtres sont équipés de capteur de pression différentielle. Deux longueurs droites de stabilisation de l’écoulement en amont et en aval de la zone de traitement permettent la génération et la mesure des polluants à l’aide de cannes de

109 prélèvement placées dans le pilote pour la quantification des efficacités de traitement. La température, l’humidité, la pression et le débit sont également mesurés. En entrée de la zone d’étude, une batterie chauffante permet le cas échéant la désorption partielle de l’adsorbant et la dessiccation du média filtrant. Afin de maintenir la température et ainsi faciliter sa régulation lors des périodes de traitement thermique, des plaques chauffantes sont placées le long de la canalisation jusqu’aux filtres équipés d’un capteur de température pour un suivi lors des périodes de chauffe.

Enfin, la zone de post-traitement comprend un filtre de charbon actif en grains et un filtre F9 (EN779:2012) permettant d’éliminer les polluants gazeux et particulaires résiduels avant rejet extérieur via une cheminée d’évacuation. Un échangeur de chaleur à plaques, placé en amont des filtres de post-traitement, permet d’abaisser la température de sortie pendant les cycles de désorption, afin d’être en dessous de la température limite de 50°C supportée par les filtres de post-traitement. Un capteur de pression différentielle amovible permet d’évaluer les pertes de charge des filtres du pré et post-traitement et ainsi suivre leur degré de colmatage et faciliter la maintenance. La plage de débit de fonctionnement du pilote est de 16 à 160 m3.h-1.

Figure 3-2 - Schéma du pilote de traitement de laboratoire

II.3. Génération et mesure des polluants modèles

Les polluants « modèles » sont générés dans le pilote et leurs concentrations sont quantifiées en amont et en aval des procédés de traitement au cours du temps. Les appareils de génération, d’échantillonnage et de mesure mis en œuvre pour les différents polluants sont récapitulés dans le Tableau 3-1.

Adsorbant Filtre G4 Grille Etage 1 Résistance chauffante Côté : 150 mm T ΔP ΔP T _{: Capteurs}

Entrée air extérieur

Filtre F9

V

Sortie air extérieur

Ventilateur

Génération

des polluants Prélèvement

Amont

Prélèvement Aval

Plaques

chauffante _{refroidissement}Système de

ΔP

ΔP T

P F

Zone de pré-traitement Zone de traitement Zone de post- traitement

110 Les particules « modèles » de suie sont produites via le générateur DNP-2000 (Palas) à partir de décharges électriques entre deux électrodes de carbone graphite. Le générateur de particules DNP-2000 génère des agglomérats de particules composés de carbone graphite pur de granulométrie similaire aux particules de suie naturelles issues des processus de combustion (i.e. suie moteur). Les particules sont échantillonnées et mesurées avec le SMPS 5416 Grimm en termes de nombre de particules et de distribution granulométrique dans la gamme de diamètre de mobilité électrique 10-350 nm. A noter que la gamme de mesure de l’appareil a été adaptée à la distribution granulométrique des particules de suie afin de réduire le temps de mesure. Le débit de prélèvement de l’appareil est de 0,3 l.min-1. Chaque mesure dure 3 min et est suivi de 2 min de pause permettant d’assurer le balayage de la cellule de mesure pour le prélèvement suivant.

Les particules de riz micronisé contenant naturellement Penicillium chrysogenum sont générées avec le générateur à brosse tournante RBG1000 (Palas) en voie sèche. Les champignons générés sont échantillonnés, à un débit de 13 l.min-1, à l’aide d’un échantillonneur BioSampler (SKC) puis une méthode de dénombrement des unités formant colonie (UFC) est appliquée à l’aide de boite de pétri contenant le milieu dichloran rose- bengal chloramphenicol (DRBC, Biokar Diagnostics). Les particules de riz micronisé sont échantillonnées et mesurées, à un débit de 5 l.min-1, avec le compteur APS3321 TSI en termes de nombre de particules et de distribution granulométrique dans la gamme de diamètre aérodynamique 0,5-20 µm. Chaque mesure dure 5 min dont 2 min de pause pour le balayage de la cellule de mesure.

Le toluène est généré dans le pilote de laboratoire par bullage d’un flux d’air dans du toluène liquide. L’échantillonnage est effectué à l’aide de cartouches Tenax TA (Perkin Elmer), le débit de prélèvement de chaque cartouche est mesuré à l’aide d’un débitmètre (4000 series, Mass Flowmeter 4043, TSI). Ces cartouches de prélèvement sont ensuite thermodésorbées à 250°C pendant 10 min sous flux d’hélium à 40 ml.min-1 (TurboMatrix 300, Perkin Elmer). La désorption des cartouches étant longue pour une injection dans la colonne chromatographique, le toluène est d’abord désorbé puis adsorbé dans un piège à 30°C. Ce dernier est ensuite rapidement chauffé à 250°C (40°C.s-1) pour une injection correcte du toluène dans la colonne chromatographique (Rxi-624 Sil MS, Restek) qui est chauffée à 175°C. L’échantillon de toluène est ensuite identifié à l’aide d’un spectromètre de masse (TurboMass Gold Mass Spectrometer, Perkin Elmer) et quantifié à l’aide d’un détecteur à ionisation de flamme (Autosystem XL Gas Chromatograph, Perkin Elmer). Le

111 temps d’analyse est de 10 min et après chaque analyse, les cartouches de prélèvement sont régénérées sous flux d’azote à 280°C pendant 20 min.

Par ailleurs, pour les essais en conditions contrôlées, le toluène étant le seul composé identifié par cette méthode seul le détecteur à ionisation de flamme est utilisé. Pour les essais en conditions réalistes, le détecteur à ionisation de flamme est couplé au spectromètre de masse pour l’identification d’autres composés gazeux. La méthodologie de mesure du toluène a été développée lors de travaux antérieurs (Olivier Debono (2011) et Frédéric Batault (2014)).

Le NO2 est généré dans le pilote de laboratoire à l’aide d’une bouteille pré-concentrée de 10 000 ppm(v). Sa concentration est mesurée à un débit de 2 l.min-1 toute les 3 min par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR DX4030, Gasmet).

Tableau 3-1 - Méthodes de génération, d’échantillonnage et de mesure des polluants modèles

Polluant modèle Génération Echantillonnage Mesure

Particules de suie DNP2000 Palas SMPS 5416 Grimm

Particules de riz

micronisé RBG1000 Palas APS 3321 TSI

Penicillium chrysogenum

Avec les

particules de riz BioSampler SKC

Méthode de culture UFC sur gélose DRBC

Toluène Bullage dans du toluène liquide Cartouche de prélèvement Tenax TA GC/MS après thermodésorption de la cartouche NO2 Bouteille de 10 000 ppm(v) FTIR Gasmet DX4030

112

III. Caractérisation des matériaux