Détection spectrophotométrique en temps réel d'hydrocarbures monoaromatiques (benzène, toluène et xylènes) dans l'air aux valeurs limites d'exposition professionnelle

Real-time detection of monoaromatic hydrocarbons (benzene, toluene and xylenes) with UV spectrometry in air at occupational exposure limit values

• Auteur / Autrice : Khaoula Hamdi
• Direction : Marc Hébrant, Mathieu Étienne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 27/05/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour les Matériaux et l’Environnement (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Gisèle Finqueneisel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Hébrant, Thu-Hoa Tran-Thi, Jean-Baptiste Sanchez, Myriam Euvrard, Patrick Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thu-Hoa Tran-Thi, Jean-Baptiste Sanchez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de produits chimiques

Valeurs limites d'exposition

Composés aromatiques

Sol-gel, Procédé

Couches minces

Spectrophotomètres

Mots clés libres

Sol-gel

Capteur

Benzène

Toluène

Xylène

Mésoporeux

Film

Temps-réel

Spectrophotométrie UV

Sol-gel

Sensor

Benzene

Toluene

Xylene

Mesoporous

Film

Real-time

UV spectrophotometry

Résumé

L’objectif de cette thèse était de développer un capteur spectrophotométrique pour quantifier le benzène, le toluène et les xylènes (BTX) en temps réel aux valeurs limites d’exposition professionnelles, c’est-à-dire 20 ppmv pour le toluène, 50 ppmv pour les xylènes et 1 ppmv pour le benzène. L’étude a été menée avec plusieurs couches sensibles, un matériau silicique massif synthétisé par le procédé sol-gel ou des films minces (moins de 5 µm) déposés sur quartz par trempage-retrait dans une suspension de nanoparticules de silice mésoporeuse ou de précurseurs permettant d’obtenir des films fins continus de silice mésoporeuse. Nous avons pu démontrer l’efficacité de la détection des BTX en temps réel. L’utilisation des films mésoporeux a permis d’atteindre une répétabilité correcte du capteur (écart type <10%). Néanmoins, ni ces films de silice, ni leur fonctionnalisation par des groupements méthyle n’ont permis de résoudre le problème posé par l’humidité. Seule l'utilisation d'un sécheur que nous avons implémenté dans le dispositif de mesure a permis la détection du toluène en présence d'humidité ambiante. Dans cette configuration, les interférences de 40 ppmv de butanone, acétone et éthanol ont également été éliminées. Finalement la conception d’une cellule multiplaques a permis d’atteindre les limites de détection de 1 ppmv à 267 nm pour le toluène, 1 ppmv à 274 nm pour le p-xylène et 5 ppmv à 252 nm pour le benzène. Enfin, cette limite de détection peut être abaissée à 1 ppmv à 190 nm pour le benzène

The objective of this thesis was to develop a spectrophotometric sensor to quantify benzene, toluene and xylenes (BTX) in real time at the level of the occupational exposure limit values, ie 20 ppmv for toluene, 50 Ppmv for xylenes and 1 ppmv for benzene. The study was carried out with several sensitive layers, a solid silicic material synthesized by the sol-gel process or thin films (less than 5 μm) deposited on quartz by dip-coating a suspension of nanoparticles or a precursor solution leading to mesoporous silica thin films. We were able to demonstrate the effectiveness of BTX detection in real time. The use of continuous mesoporous films has enabled a correct repeatability of the sensor (standard deviation <10%). Nevertheless, neither these silica films nor their functionalization by methyl groups have solved the problem posed by moisture. Only the use of a dryer that we implemented in the measuring device allowed the detection of toluene in the presence of ambient humidity. In this configuration, interference of 40 ppmv of butanone, acetone and ethanol was also eliminated. Finally, the design of a multi-plate cell allowed to reach detection limits of 1 ppmv at 267 nm for toluene, 1 ppmv at 274 nm for p-xylene and 5 ppmv at 252 nm for benzene. Finally, this limit of detection can be lowered to 1 ppmv at 190 nm for benzene