Conception Et Realisation Dun Multicapteur De Gaz Integre A Base De Plateformes Chauffantes Sur Silicium Et De Couches Sensibles A Oxydes Metalliques Pour Le Controle De La Qualite De Lair Habitacle

Author : Romain Dagnelie
Publisher :
ISBN 13 :
Total Pages : 184 pages
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Download or read book Développement d'un capteur chimique de polluants atmosphériques à transduction optique et à la base de matériaux nanoporeux written by Romain Dagnelie and published by . This book was released on 2009 with total page 184 pages. Available in PDF, EPUB and Kindle. Book excerpt: Ce travail de thèse à été effectué dans l’équipe « Capteur de polluants atmosphériques » dirigée par Thu-Hoa Tran-Thi, au sein du Laboratoire Francis Perrin (URA 2453, CEA/CNRS). L’équipe travaille sur la détection de polluants gazeux toxiques pour la qualité de l’air, la surveillance de l’exposition des travailleurs et pour la lutte contre le terrorisme chimique. Parmi les polluants présents dans l’air intérieur, nous nous sommes particulièrement intéressés aux COV et plus précisément à la famille des composés carbonylés. Les deux plus petites molécules de cette famille sont le formaldéhyde et l’acétaldéhyde. Ce sont des polluants ubiquistes de l’air intérieur, dont les concentrations moyennes retrouvées dans les logements français sont de l’ordre de 18 ppb et 7 ppb respectivement (1 ppb = 10-9 molécules par molécules d’air). Le formaldéhyde a été classé comme « cancérigène certain chez l’homme » en 2004 par le Centre international de Recherche sur le Cancer. La valeur de 18 ppb mesurée dans les logements est supérieure aux recommandations de l’Agence Française de Sécurité et de Surveillance de l’Environnement du travail qui est de 8 ppb pour une exposition chronique. Ainsi la détection et la quantification des concentrations en formaldéhyde dans les logements et les lieux publiques est un enjeu majeur de la politique de santé environnementale. Ill existe aujourd’hui une demande pour un capteur bon marché et simple d’utilisation permettant de mesurer en temps réel de faibles concentrations de formaldéhyde. La stratégie adoptée au LFP consiste à développer des capteurs chimiques innovants à partir de matériaux de silice poreuse. Le procédé sol-gel est utilisé afin de déposer des couches minces de silice (xérogels) de grande surface spécifique (400 - 600 m2.g-1), soit la surface d’un terrain de tennis, déposé sur un substrat transparent de 1cm2. Ceci permet le piégeage par adsorption d’un grand nombre de molécules de polluant. Le dopage des matrices par des réactifs organiques permet d’assurer la sélectivité des capteurs : le Fluoral-P est utilisé comme dopant pour la détection sélective du formaldéhyde, et l’hydralazine, non sélective, pour la détection des aldéhydes totaux. Dans le cas du formaldéhyde, le Fluoral-P réagit sélectivement pour former la Dihydro-Diacétyl-Lutidine (DDL), qui est un produit fluorescent. Un prototype de démonstration à été conçu et automatisé au laboratoire et mesure l’absorption et la fluorescence des couches sensibles en temps réel à l’aide d’un spectrophotomètre miniature. Lors de l’exposition d’une couche sensible à un flux de gaz à analyser la vitesse d’apparition de la fluorescence permet de quantifier en moins de cinq minutes la concentration en formaldéhyde avec une sensibilité inférieur à 0,4 ppb. L’étude de la réponse du capteur en fonction des paramètres critiques à été effectuée. La calibration du capteur à été réalisée en fonction de la concentration en polluant, de la température et de l’humidité relative. Il est ainsi possible d’effectuer des mesures avec un temps de réponse inférieur à 3 minutes dans une gamme d’humidité relative de 0 à 70 % et une gamme de concentrations de formaldéhyde de 0,4 à 160 ppb. L’utilisation d’un filtre desséchant permet d’élargir la gamme de mesures à 100% d’humidité relative. Un mode d’exposition pulsé du capteur à été développé et consiste à exposer plusieurs fois une même couche sensible à des périodes répétées de 3 minutes sous flux. Ce mode permet de réaliser 40 mesures par couche sensible, soit un suivi de la concentration en formaldéhyde en air réel sur 7 heures avec une fréquence de mesure de 10 minutes. Ces résultats ont été validés lors de différentes campagne d’intercomparaison, dont une menée en 2008 à l’Institut National de L’Environnement et des Risques Industriels. Nous avons ainsi démontré qu’il est possible de suivre les variations quotidiennes de la concentration en formaldéhyde en air réel. L’appareil peut mesurer des pics de pollution sur de faibles durées inférieures à 2 minutes et la possibilité de réaliser 40 mesures avec le même échantillon réduit considérablement le coût pour les utilisateurs. Par ailleurs, comparativement aux capteurs commerciaux utilisant des solutions réactives, l’utilisation d’échantillons solides facilite considérablement la manipulation du capteur. Nous avons également étudié plus en détail le rôle de l’interférent majeur qui est la vapeur d’eau. En effet, le Fluoral-P est une molécule sonde qui réagit avec l’eau et est hydrolysée au contact de l’humidité. Une ingénierie de matrices hydrophobes à donc été mise en place, avec la synthèse de xérogels de silice dopés de co-précurseurs hydrophobes (méthylés et fluorés). Nous avons montré que cette ingénierie permet de limiter la diffusion de l’eau dans les couches sensibles et augmente ainsi la durée de vie des capteurs passifs d’un facteur 30. Par ailleurs, nous avons montré que les propriétés du Fluoral-P en font une sonde efficace pour mesurer la perméation de la vapeur d’eau dans les matériaux poreux. Une nouvelle méthode de caractérisation de l’hydrophobie vis à vis de l’eau gazeuse a ainsi été élaborée, utilisant la mesure de la durée de demi-vie du Fluoral-P dans les matériaux mis sous atmosphère humide. Les résultats obtenus sur 5 échantillons sont cohérents et complémentaires avec les caractérisations classiques de l’hydrophobie à l’eau gazeuse (angle de contact et mesure thermogravimétrique). Il est apparu que des matériaux très hydrophobes peuvent être imperméables à l’eau liquide, mais demeurent perméable à l’eau gazeuse et notre méthode de caractérisation, utilisant l’hydrolyse du Fluoral-P, permet de quantifier cette perméabilité.