Prélèvement des aérosols par cyclone

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Prélèvement des aérosols par cyclone

OBJECTIFS

Cette fiche décrit une méthode de prélèvement d’un aérosol soit en fraction alvéolaire, soit en fraction thoracique. La définition de ces fractions conventionnelles est donnée par les normes CEN EN 481 [1] et ISO 7708 [2]. Un exemple d’utilisation de la méthode est le mesurage en individuel de l'exposition d’un travailleur à des polluants particulaires renfermant une substance pour laquelle il existe une valeur limite d’exposition professionnelle relative à la fraction alvéolaire ou à la fraction thoracique.

Principe de fonctionnement d’un cyclone ................................................ 2

Montage et utilisation d’un cyclone .......................................................... 2

Exemples de cyclones .................................................................................. 4

Performances du cyclone 10 mm Dorr‐Oliver ........................................... 4

Bibliographie ................................................................................................ 7

Auteurs ......................................................................................................... 8

Historique ..................................................................................................... 9

Prélè

Version

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Un cyaérodplupaguidése retparticintéridans

La prfonctla comet de %. Le appelgéomcoupudébit

Pour filtrattravaisur lamaintd’un ddébit

èvement de

n 1 ‐ Octobre

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PR

yclone est udynamique (Fart des cyclonées par la forctrouvent finacules de pluseur ascendan la cassette po

obabilité qu'aion décroissambinaison de l'efficacité de diamètre aérlé diamètre d

métriques du ure sans influ pour atteind

le prélèvemetion) et monilleur [4] et rea ceinture detenu dans la dispositif à l’a initial doit do

es aérosols

e 2015

inrs/PDF/metro

RINCIPE

un dispositif Figure 1). Un nes utilise unce centrifuge alement colles faible inertint vers la sororte‐filtre où

F

a une particuante du diamè l'efficacité de sélection durodynamique de coupure. L cyclone. Le uer de manièrre un diamèt

MONTA

ent individueté dans un pelié à une pome l'opérateur. position horiautre, en fononc en consé

s par cyclon

opol‐preleveme

DE FONC

de séparatio mouvement ne entrée d’a vers la périphctées dans uie s’éloignenrtie axiale sit elles sont col

igure 1 : Schém

ule entrant daètre aérodyne captage (cfu cyclone, l’ef correspondaLa pente de l débit du cyre sensible sure de coupur

AGE ET U

el d'un aéroso porte‐échantmpe de prélè. Lors de l'écizontale orienction des géoquence être

ne

ent‐cyclone.pd

CTIONNE

on des partic circulaire estair tangentiellhérie du cyclon réservoir pt moins de ltuée à l’extréllectées [3].

ma de fonctio

ans le cyclonamique de laf. Fiche Métrofficacité de fiant à une prob a courbe d'eyclone est unur la forme dre défini.

UTILISAT

ol, le cyclonetillonneur perèvement qui schantillonnagntée vers l'avométries de c réglé à cette

df

EMENT D

cules d’un at imposé auxle. Les particone où elles sprévu à cet ef l'axe du cyclémité supérie

onnement d’un

e de le travea particule. L'oPol metropoltration du filbabilité de 50fficacité d'écn facteur pere la courbe.

TION D’U

e est connecrmettant sa satisfait les exge, l’axe de lvant. Le débi chaque appar valeur, avec

D’UN CY

érosol en fo particules à cules ayant unédimentent pffet au fond done et sont eure du cyclo

n cyclone

rser jusqu'à lefficacité d'éol‐prelevemetre terminal e0 % de l'efficachantillonnagermettant de Il est possible

UN CYCLO

cté à une cas fixation dansxigences de la’orifice d’entt nominal dereil ou encore une toléranc

YCLONE

onction de le l'intérieur dune inertie su par l’effet de du cyclone. L entraînées pone. Elles ent

l'étage collecéchantillonnagnt‐generalite est considérécité d'échante est liée aux modifier le e d'optimiser

ONE

ssette (étages la zone res a norme EN 1trée du cycloe prélèvemene, de la fractice de ± 5 %. La

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2 / 9

eur diamètreu cyclone. Laffisante sont gravité. EllesLes plus finespar le vortextrent ensuite

cteur est unege résulte de‐aerosol.pdf)

ée égale à 100tillonnage estx paramètres diamètre der la valeur du

e terminal despiratoire du 232 [5], fixéeone doit êtrent peut varierion ciblée. Lea variation du

S

9

e a t s s x e

e e ) 0 t s e u

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Prélè

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débit

La véde la débitml’hypocyclon

èvement de

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ne doit pas d

rification du d cassette (Figmètre électrothèse que lne, le débit p

Figure

es aérosols

e 2015

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dépasser cett

débit du dispgure 2). Il estonique à lame filtre utiliséeut être mes

e 2 : Montage p

s par cyclon

opol‐preleveme

e tolérance a

ositif de prélt nécessaire

me de savon é est responuré suivant le

pour la vérific

ne

ent‐cyclone.pd

au cours de l'é

èvement s’ef d’utiliser un (ou équivalesable d'une e schéma suiv

cation du débi

df

échantillonna

ffectue à l’aid débitmètre àent), étalonn perte de chavant, n'impliq

it de prélèvem

ge.

de d’un débitm à une très faé et vérifié, arge nettemeuant pas le cy

ment d’une cas

mètre connecaible perte de est préconisent supérieuryclone (Figur

ssette fermée

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3 / 9

cté à l’entréee charge. Uné. En faisantre à celle due 2) :

e

S

9

e n t u

Prélè

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En todébit dispocyclonboite

Le dépendapomp

Il exisdesso

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‐ Cy

‐ Ca

‐ Di

èvement de

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Figure

ute rigueur, l entre la cass

ositif entier dne. Cependan étanche, com

ébit doit être ant la durée dpe (si elle en e

ste de nombous ne présen

Cyclo

Dorr‐O

GK 2

GK 4.

PER

clone Dorr‐Oe méthode rep

spositif comp

yclone 10 mm

assette porte

spositif porte

es aérosols

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e 3 : Exemples

le sélecteur dsette et le débe prélèvement, il est posmme proposé

vérifié et not de l’échantillo est équipée) e

breux cyclonente qu’un nom

one

Oliver

.69

.162

FORMAN

liver est conçprend une pa

plet comprend

m nylon, Dorr‐O

‐filtre en poly

e‐cyclone pou

s par cyclon

opol‐preleveme

s de montage

de particules (bitmètre. C'ent. En pratiqsible de mesé sur l’exempl

té avant (Q1)onnage est so etc. Le volum

EXEMP

es disponiblesmbre restreint

Photo

NCES DU

çu pour assurrtie de la nor

d les élément

Oliver (Figure

ystyrène (Figu

ur prélèvemen

ne

ent‐cyclone.pd

pour la mesur

(cyclone) devest, en effet, lque, il est difsurer le débitle du montag

) et après l’écouhaitable : é

me d’air prélev

Q = (Q1 + Q

PLES DE

s sur le marct, non exhaus

Débit (L.m

1,7

Alvéolaire

Thoracique

9

U CYCLO

rer la sélectiorme NF X43‐25

ts suivants :

e 4), débit no

ure 4) pour fil

nt individuel

df

re du débit de

vrait être intr le seul cas oùfficile de cont d’un cyclonge de la Figure

chantillonnag état des tubevé est calculé

Q2) / 2

CYCLON

ché pour réastif de dispos

min‐1) Fralv

: 4,2

e : 1,6

ONE 10 M

on de la fract59 [6].

minal 1,7 L.mi

ltres de Ø 37

(Figure 4),

e prélèvement

roduit dans leù l'on mesure necter un dée dans son ee 3.

ge (Q2). Une s flexibles, po sur la base d

NES

liser des préitifs.

raction véolaire

X

X

X

M DORR

tion alvéolaire

in‐1,

ou 25 mm,

t d’un cyclone

e schéma de correctemenébitmètre à ensemble en

surveillance dosition du rotdu débit moye

lèvements. L

Fractionthoraciqu

X

R‐OLIVER

re d'un aéros

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e

mesurage dunt le débit du l’entrée d’un utilisant une

des incidentstamètre de laen Q :

Le tableau ci‐

ue

R

ol (Figure 4).

S

9

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Prélè

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‐ Fil

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L’efficrésultaérod

Les ré1,7 L.mmieuxcorreune pµm adiamèsont p

èvement de

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ltre de prélèv

ompe de prél

uyau flexible d

Figure 4 : Cy

électeur de pention alvéolentions étaiene analytique m, tandis que

cacité d'échatats expérimdynamique de

ésultats expémin‐1 la valeux satisfaire lespond à une pente légèremassure globalètre de coup présentées su

es aérosols

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vement (suiva

èvement à dé

de liaison pom

yclone 10 mmacc

particules – claire définie nt légèremen des courbes e pour l’actue

antillonnage dmentaux de es particules.

érimentaux sour de D50 est es convention valeur de D50

ment plus élelement une ure requise dur la Figure 6

s par cyclon

opol‐preleveme

ant l’analyse e

ébit stabilisé d

mpe‐échantill

m Dorr‐Oliver aompagnés d’u

cyclone 10 m par le docunt différentes et par leur dlle, D50 est ég

du cyclone D l'INRS [14]

ont reportés p 3,65 µm, ce ns actuelles E

0 égale à 4,16evée que celle meilleure pede 4,0 µm. Le pour les deux

ne

ent‐cyclone.pd

envisagée),

de 1,7 L.min‐1

lonneur.

avec une casseune pompe de

m Dorr‐Oliveument ISO Ts de la convendiamètre de cgal à 4,0 µm.

Dorr‐Oliver a sont repor

pour deux va qui correspo EN 481 et ISO µm. Avec une de la courberformance des cartes de bx débits.

df

± 5 %,

ette porte filtre prélèvemen

er – a été déTR 7708 [7] ntion actuellecoupure. Pour

été étudiée dtés sur la

aleurs du débond bien à l’aO 7708, le déne courbe d'ebe conventiond’échantillonn biais d’échant

re et un dispot individuel

éveloppé à l' et par le do [1, 2]. Ces cor les ancienne

dans plusieurFigure 5 en

it. Pour le débancienne conbit a été opt

efficacité d'écnnelle, le diamnage en termtillonnage pa

ositif porte‐cyc

'origine pourocument ACGonventions difes conventio

rs laboratoiren fonction d

bit nominal dnvention ISO‐timisé à 1,5 Lchantillonnagmètre de coumes de biaisar rapport à la

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clone,

r satisfaire laGIH [8]. Cesffèrent par laons, D50 valait

es [9‐13]. Lesdu diamètre

du cyclone de‐ACGIH. PourL.min‐1, ce quige présentantupure de 4,16s qu'avec un a convention

S

9

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Prélè

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Ep

Figure 5 : V

1,7 L

Figure 6 :EN 481 ‐

nde des class

es aérosols

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PoiCoPoiCoCo

Valeurs expérimfo

L.min‐1 – BPC

Cartes de biaISO 7708, pou

es du biais :

s par cyclon

opol‐preleveme

ints expérimentauxonvention CENints expérimentaux

ourbe ajustée ( Q = ourbe ajustée ( Q =

mentales d’efnction du diam

= 49 %

ais du cyclone ur les deux déb

ne

ent‐cyclone.pd

Da

x à Q = 1,7 l/min

x à Q = 1,5 l/min1,5 l/min )1,7 l/min )

fficacité d'échmètre aérody

10 mm Dorr‐Obits : 1,7 et 1,5

‐20

‐

0

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df

ae (µm)

antillonnage dynamique des

Oliver par rapp5 L.min‐1 (BPC –

% à – 10 %

‐10 % à 0 %

% à +10 %

0 % à +20%

du cyclone 10 particules

1,5 L.min‐1 – B

port à la conv– Bias Perform

mm Dorr‐Oliv

BPC = 84 %

vention alvéolmance Criterio

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10,00

ver en

aire on)

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9




La valeur du biais est exprimée par un code de couleur pour la distribution granulométrique de l'aérosol dont les paramètres MMAD (diamètre médian aérodynamique en masse) et GSD (écart‐type géométrique) figurent sur les coordonnées de la carte.

Le biais représente l’écart relatif entre la concentration qui serait mesurée par le dispositif de prélèvement placé dans un aérosol de distribution granulométrique connue et la concentration qui correspondrait exactement à la convention alvéolaire pour le même aérosol. La carte de biais permet d'apprécier entre autres choses l’opportunité d’utiliser l’appareil dans une situation donnée. A partir des cartes de la Figure 6 on peut par exemple déduire qu’avec le cyclone Dorr‐Oliver on obtient des résultats plus proches de la concentration alvéolaire dans le cas des aérosols fins et polydispersés (en haut à gauche de la carte) que dans le cas des aérosols relativement grossiers et peu polydispersés (en bas à droite de la carte). L’écart prévisionnel de mesurage pour ces aérosols fins ne dépasse pas ± 10 % en concentration alvéolaire. En utilisant un débit de 1,5 L.min‐1, la carte de biais indique une amélioration des performances du cyclone, notamment vis à vis des aérosols plus grossiers.

La norme européenne EN 13205 [17] prévoit que le biais du mesurage de la concentration d’aérosol ne doit pas dépasser ± 10% à l'intérieur du domaine granulométrique correspondant à la fraction spécifiée. A titre d'information, l’indice BPC (Bias Performance Criterion) indique le pourcentage de points satisfaisant le critère ± 10% sur une carte de bias. En d’autres termes, c’est le nombre de distributions d’aérosols d'une carte pour lesquels le biais de mesurage est acceptable, sur le nombre total d’aérosols dans la carte. Les aérosols quasi monodispersés étant peu fréquents dans l’industrie, seules les distributions avec un écart‐type géométrique GSD ≥ 2 sont prises en compte pour le calcul des indices de performance BPC. On peut s’apercevoir que cet indice est nettement supérieur dans le cas des mesurages de concentration avec le débit optimisé de 1,5 L.min‐1 (BPC = 84%) par rapport aux mesurages avec le débit nominal de 1,7 L.min‐1 (BPC = 49%).

En général, le cyclone 10 mm Dorr‐Oliver présente des performances satisfaisantes pour mesurer la fraction conventionnelle alvéolaire d'un aérosol. Une sous‐estimation de la concentration alvéolaire est possible dans le cas d'aérosols plus grossiers (MMAD > 4 µm). Cette sous‐estimation serait moins sévère en utilisant le débit optimisé de 1,5 L.min‐1 (Figure 6). Cependant le débit de 1,7 L.min‐1 est la valeur nominale actuellement maintenue pour des raisons d'harmonisation internationale. Les performances du cyclone pour la valeur optimisée du débit, soit 1,5 L.min‐1, ont été reportées dans ce document pour montrer qu'il est possible d'adapter la méthode du cyclone 10 mm à la convention actuelle CEN‐ISO [1, 2].

Les particules collectées sont recueillies dans la cassette porte filtre en polystyrène. En utilisation courante, la cassette présente quelques inconvénients d’utilisation. L’étanchéité entre les différentes pièces de la cassette peut ne pas être parfaite [15]. Il est nécessaire de veiller à l’enfoncement complet et régulier sur toute la circonférence de ces pièces jusqu’en butée.

Les particules échantillonnées peuvent se retrouver hors du filtre sur les parois internes de la cassette. Ce phénomène peut avoir une origine aérodynamique (turbulence) ou mécanique (rebond des particules à la surface du filtre, décrochement de la surface par choc). Le taux de dépôt des particules sur les parois internes est très variable [16]. Dans le cas de certaines analyses de la matière échantillonnée, la récupération des dépôts sur les parois est envisageable.

BIBLIOGRAPHIE

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[5] NF EN ISO 13137 (X 43‐282). Décembre 2013. Air des lieux de travail ‐ Pompes pour l'échantillonnage individuel des agents chimiques et biologiques ‐ Exigences et méthodes d'essai. La Plaine Saint‐Denis, AFNOR, 2013, 33 p.

[6] NF X 43‐259. Mai 1990. Qualité de l'air ‐ Air des lieux de travail ‐ Prélèvement individuel ou à poste fixe de la fraction alvéolaire de la pollution particulaire. Méthode de séparation par cyclone 10 mm. La Plaine Saint‐Denis, AFNOR, 1990, 15 p.

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AUTEURS

P. Görner, S. Bau, X. Simon et O. Witschger

INRS, Métrologie des polluants ([email protected])




HISTORIQUE

Version Date Modifications

1 Octobre 2015 Création de la fiche

Documents

Prélèvement des aérosols par cyclone