Download - Prélèvement des aérosols par cyclone
Version 1 ‐ Octobre 2015 © INRS
http://www.inrs.fr/dms/inrs/PDF/metropol‐prelevement‐cyclone.pdf 1 / 9
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
http://ww
Un cyaérodplupaguidése retparticintéridans
La prfonctla comet de %. Le appelgéomcoupudébit
Pour filtrattravaisur lamaintd’un ddébit
èvement de
n 1 ‐ Octobre
ww.inrs.fr/dms/i
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
© INRS
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
e u e e r e u
Prélè
Version
http://ww
débit
La véde la débitml’hypocyclon
èvement de
n 1 ‐ Octobre
ww.inrs.fr/dms/i
ne doit pas d
rification du d cassette (Figmètre électrothèse que lne, le débit p
Figure
es aérosols
e 2015
inrs/PDF/metro
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
© INRS
3 / 9
cté à l’entréee charge. Uné. En faisantre à celle due 2) :
e
S
9
e n t u
Prélè
Version
http://ww
En todébit dispocyclonboite
Le dépendapomp
Il exisdesso
Le cyCette
Le dis
‐ Cy
‐ Ca
‐ Di
èvement de
n 1 ‐ Octobre
ww.inrs.fr/dms/i
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
e 2015
inrs/PDF/metro
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
© INRS
4 / 9
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
u u n e
s a
‐
.
Prélè
Version
http://ww
‐ Fil
‐ Po
‐ Tu
Le séconveconveforme3,5 µm
L’efficrésultaérod
Les ré1,7 L.mmieuxcorreune pµm adiamèsont p
èvement de
n 1 ‐ Octobre
ww.inrs.fr/dms/i
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
e 2015
inrs/PDF/metro
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
© INRS
5 / 9
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
a s a t
s e
e r i t 6 n n
Prélè
Version
http://ww
50 %
Ep
Légen
èvement de
n 1 ‐ Octobre
ww.inrs.fr/dms/i
%
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,00
Ep
Figure 5 : V
1,7 L
Figure 6 :EN 481 ‐
nde des class
es aérosols
e 2015
inrs/PDF/metro
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
+10
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
© INRS
6 / 9
10,00
ver en
aire on)
S
9
Prélèvement des aérosols par cyclone
Version 1 ‐ Octobre 2015 © INRS
http://www.inrs.fr/dms/inrs/PDF/metropol‐prelevement‐cyclone.pdf 7 / 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
[1] NF EN 481 (X 43‐276). Novembre 1993. Atmosphères des lieux de travail ‐ Définition des fractions de taille pour le mesurage des particules en suspension dans l'air. La Plaine Saint‐Denis, AFNOR, 1993, 11 p.
[2] NF ISO 7708 (X 43‐100). Mai 1996. Qualité de l'air ‐ Définitions des fractions de taille des particules pour l'échantillonnage lié aux problèmes de santé. La Plaine Saint‐Denis, AFNOR, 1996, 14 p.
[3] LUNDGREN D.A., HARRIS F.S.Jr., MARLOW W.H., LIPPMANN M., CLARC W.E., DURHAM M.D. ‐ Aerosol Measurement. A University of Florida Book. Gainesville, University Press of Florida, 1979, pp. 56‐89.
Prélèvement des aérosols par cyclone
Version 1 ‐ Octobre 2015 © INRS
http://www.inrs.fr/dms/inrs/PDF/metropol‐prelevement‐cyclone.pdf 8 / 9
[4] NF EN 1540 (X 43‐287). Février 2012. Atmosphères des lieux de travail – Terminologie. La Plaine Saint‐Denis, AFNOR, 2012, 57 p.
[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.
[7] ISO TR 7708 ‐ Air quality ‐ Particle size fractions definitions for the health‐related sampling. Geneva. International Organization for Standardization, 1983, 13 p.
[8] Particle size‐selective sampling in the workplace. Report of the ACGIH Technical Committee on Air Sampling Procedures. Cincinnati, American Conference of Governmental Industrial Hygienists, 1985, 80 p.
[9] BARON P.A. ‐ Sampler evaluation with an aerodynamic particle sizer. In : Aerosols in the mining and industrial environments. V.A. Marple, B.Y.H. Liu, eds. vol. 3, Ann Arbor. Ann Arbor Science, 1983.
[10] BARTLEY D.L., CHEN C.C., SONG R., FISCHBACH T.J. ‐ Respirable aerosol sampler performance testing. American Industrial Hygiene Association Journal, 1994, 55, pp. 1036‐1064.
[11] LIDÉN G., KENNY L.C. ‐ Optimisation of the performance of existing respirable dust samplers. Applied Occupational and Environmental Hygiene, 1993, 8, pp. 386‐391.
[12] GÖRNER P., FABRIÈS J.F. ‐ Industrial aerosol measurement according to the new sampling conventions. Occupational Hygiene, 1996, 3, pp. 361‐376.
[13] CHEN C.C., LAI T.S., SHIH T.S., HWANG J.S. ‐ Laboratory performance comparison of respirable samplers. American Industrial Hygiene Association Journal, 1999, 60, pp. 601‐611.
[14] GÖRNER P., WROBEL R., MICKA V., SKODA V., DENIS J., FABRIÈS J.F. ‐ Study of fifteen respirable aerosol samplers used in occupational hygiene. Ann. Occup. Hyg., 2001, 45, (1), pp. 43‐54.
[15] FRAZEE P.R., TIRONI G. ‐ A filter cassette assembly method for preventing bypass leakage. Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 1987, 48 (2), pp. 176‐180.
[16] DEMANGE M., GENDRE J.C., HERVÉ‐BAZIN B., CARTON B., PELTIER A. ‐ Aerosol evaluation difficulties due to particle deposition of filter holder inlet walls. Ann. Occup. Hyg., 1990, 34 (4), pp. 399‐403.
[17] NF EN 13205. (X 43‐283) Août 2014. Exposition sur les lieux de travail – Evaluation des performances des dispositifs de prélèvement pour le mesurage des concentrations de particules en suspension dans l’air. La Plaine Saint‐Denis, AFNOR, 2014, Partie 1 à Partie 6.
AUTEURS
P. Görner, S. Bau, X. Simon et O. Witschger
INRS, Métrologie des polluants ([email protected])
Prélèvement des aérosols par cyclone
Version 1 ‐ Octobre 2015 © INRS
http://www.inrs.fr/dms/inrs/PDF/metropol‐prelevement‐cyclone.pdf 9 / 9
HISTORIQUE
Version Date Modifications
1 Octobre 2015 Création de la fiche