Traitement combiné de polluants atmosphériques par filtration et adsorption pour limiter leur transfert dans l'habitat urbain

par Kevin Morisseau

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Yves Andres.

Soutenue le 26-10-2016

à Nantes, Ecole des Mines , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes) , en partenariat avec Environnement (équipe de recherche) et de GEPEA (laboratoire) .

Le président du jury était Agnès Montillet.

Le jury était composé de Adrien Dhalluin, Aurélie Joubert.

Les rapporteurs étaient Evelyne Gonze, Cécile Hort.


  • Résumé

    Avec le développement des bâtiments basse consommation de plus en plus hermétiques, la nécessité de renouveler l’air intérieur à l’aide de système de ventilation mécanique s’est accrue. Or, les concentrations en polluants dans les environnements urbains augmentent continuellement, favorisant ainsi le transfert de polluants atmosphériques dans l’air intérieur. Ces travaux de thèse porte sur l’étude de procédés pour l’élimination combinée des principaux polluants de l’air extérieur urbain entrant dans les logements individuels via les systèmes de ventilation. A l’issue d’un état de l’art des polluants de l’air, des systèmes de ventilation et des procédés de traitement, les procédés de filtration par médias fibreux et d’adsorption ont été choisis pour traiter l’air urbain caractérisé par les PM₁₀, les PM₂ ₅, les aérosols microbiens, les BTEX et les NOₓ. Une méthodologie a été mise en œuvre pour sélectionner parmi différents matériaux étudiés et selon des critères de performances la solution de traitement la mieux adaptée, à savoir un filtre F7-combiné en fibres de verre et contenant des grains de charbon actif. Après étude, une stratégie de chauffage journalier du filtre à 70°C durant 1h30 a été proposée pour régénérer partiellement l’adsorbant afin de prolonger sa durée de vie et pour limiter la croissance microbienne sur le filtre notamment par dessiccation de ce dernier. Une campagne expérimentale en conditions de génération multi-polluants contrôlées a permis de quantifier les performances de traitement du filtre F7-combiné. Le traitement thermique utilisé a permis de maintenir une efficacité d’adsorption du toluène de 40% et de limiter la prolifération microbienne sur le filtre. Des interactions entre les polluants ont été observées, notamment une augmentation de l’efficacité de filtration des PM₁₀ par la présence de PM₂ ₅ qui permettent rapidement le passage à la phase de filtration en surface. En outre, le mélange toluène/NO₂ entraine une diminution de l’adsorption du NO₂ au profit du toluène. Enfin, une campagne expérimentale en conditions réalistes a été menée pendant 3 mois afin notamment d’étudier les performances du traitement thermique. Les niveaux de concentration des polluants dans la zone péri-urbaine de l’étude étaient faibles. Le traitement thermique appliqué au filtre F7-combiné, pour les conditions opératoires étudiées et après 3 mois de suivi, a permis de limiter significativement la croissance fongique sur le filtre mais pas d’améliorer de façon significative l’adsorption des COV et des NOₓ.

  • Titre traduit

    Combined treatment of outdoor air pollutants by filtration and adsorption for transfer limitation in urban dwelling


  • Résumé

    The development of low energy buildings, which are more and more hermetic, leads to the necessity of indoor air renewal with mechanical ventilation system. However, the concentration of pollutants in urban environments increases continually, which promotes the pollutant transfer from the outdoor to the indoor air. This PhD thesis consists in the study of processes for the combined purification of the main urban outdoor air pollutants coming in individual dwellings through the ventilation systems.Out of a state of the art of the air pollutants, the ventilation systems and the treatment processes, filtration with fibrous media and adsorption were the two processes chosen to treat the urban air characterized by PM₁₀, PM₂ ₅, microbialaerosol, BTEX and NOₓ. A methodology was setup to select, through the different studied materials and with some performance criterion, the most suitable treatment solution i.e. a combined-F7 filter with glass fiber and granular activated carbon. A daily heating strategy of the combined-F7 filter at 70°C for 1h30 was proposed to partially regenerate the adsorbent in order to improve its lifetime and to limit the microbial growth on the filter, inparticular by desiccation.An experimental campaign in controlled conditions with multi-pollutant generation permitted to quantify the performances of the combined-F7 filter. The thermal treatment permitted to maintain the adsorption efficiency of the toluene at 40% and to limit the microbial proliferation. Competitions within pollutants were observed, in particular an increase of the filtration efficiency of PM₁₀ with the presence of PM₂ ₅ by promoting the cake filtration stage. Moreover the mix toluene/NO₂ leads to a decrease of the NO₂ adsorption in favor of the toluene.Finally, an experimental campaign in realistic conditions was conducted for 3 months in particular to study the performances of the thermal treatment. Concentration levels of the pollutants in the suburban area of the study were low. The thermal treatment applied to the combined-F7 filter, with the operating conditions studied and after 3month of follow-up, permitted to significantly limit the fungal growth on the filter but it did not permit to improve significantly the VOC and NOₓ adsorption.


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