La protection des salariés travaillant dans une atmosphère chargée en composés organiques volatils (COV) peut être assurée par l’utilisation d’une cartouche filtrante en charbon actif. Doté d’une structure microporeuse, le charbon actif possède une très haute surface spécifique favorable à la rétention de constituants toxiques par des phénomènes d’adsorption. Prévoir le temps de fonctionnement d’un appareil de protection respiratoire constitue un des objectifs de l’Institut National de Recherche et de Sécurité. Mondialement utilisé par les organismes préventeurs, le modèle dynamique de Wheeler Jonas muni d’un modèle d’équilibre adéquat fournit des temps de claquage de cartouches exposées à un débit constant d’air sec pollué par un COV. Même si ce modèle a subi des améliorations ces dernières années, il ne permet pas de décrire correctement le comportement des cartouches en présence de copolluant ou d’humidité. Dans le présent travail, un modèle numérique permet la description de l’adsorption dynamique des COV seuls et en mélange sur un lit fixe de charbon actif. L’adsorption dynamique de l’eau a également été étudiée et modélisée. Cette étude particulière nous a permis de comprendre l’influence de l’eau sur la performance de la cartouche respiratoire. De nombreux fronts de percée ont été réalisés afin d’acquérir des informations indispensables à la description de l’équilibre d’adsorption et du transfert de matière en milieu poreux. Ces expériences ont permis d’implémenter des données pour la modélisation de l’adsorption dynamique multiconstituante. Cette dernière inclut l’adsorption binaire COV-COV et l’adsorption d’un COV en présence d’eau. Le travail effectué a permis de proposer des solutions adaptées à la complexité du sujet / Activated carbon is the sorbent used in respirator cartridges to purify breathing air by adsorbing organic vapors. Owing to an important microporous structure, the activated charcoal features a high specific area efficient to capture toxic compounds by adsorption. Predicting service life time of respirator cartridges to protect users working in a polluted atmosphere is a mission of the Institut National de Recherche et de Sécurité. The Wheeler-Jonas approach, provided with a suitable equilibrium model, is a worldwide used equation to get service life times of respirator cartridges exposed to a constant flow of dry air polluted by a single volatile organic compound (VOC). While this model has been improved in recent years, it does not adequately describe the behavior of the cartridges in the presence of moisture or copolluant. The present study aims to build a numerical model to describe dynamic adsorption of single volatile organic compounds and mixtures with or without relative humidity in the air. Single water vapor adsorption has been modeled on a coaled fixed-bed, it provides a useful description of water adsorption on activated carbon and the impact of water on the service life time of a respirator cartridge. Numerous experiments have been realized to get equilibrium data of single VOCs and mass transfer constants to describe diffusion of adsorbates through micropores. Indeed, these data have been implemented in the model to describe adsorption of mixtures. Additional experiments have been realized to study coadsorption of organic vapors and dynamic adsorption of a single VOC in presence of humidity. The results are compared with simulations to appreciate the pertinence of the model. The present work provides solutions tailored to the complexity of the subject

Ce travail de recherche traite de l’optimisation et de la modélisation de nanofibres obtenues par filage électrostatique pour des applications techniques en tant que, a) cellules résistives pour génération de chaleur et b) couche ultra filtrante pour système de protection respiratoire. Afin d’intégrer ces matériaux nanofibreux aux applications visées, deux procédés de production ont été mis en oeuvre, à savoir mono-aiguille et multijets. Une étude statistique a été réalisée pour modéliser et optimiser les non-tissés de nanofibres pour des productions à échelle laboratoire et semi-industrielle. L’outil statistique c’est révélé pertinent pour anticiper la morphologie des matériaux produits et assurer une homogénéité optimale. Les non-tissés présentant les caractéristiques morphologiques souhaitées ont été sélectionnés, testés, et les résultats ont révélé leur fort potentiel pour les champs applicatifs visés. Ces travaux valident deux pistes de recherche qui déboucheraient sur une intégration concrète de ces matériaux innovants. / Optimization and modelling of electrospun nanofibrous nonwovens and their technical applications, i-e heat generation and respiratory protection, were studied in this work. For utilization in these applications, nanowebs were statistically modelled and optimized using different electrospinning techniques i-e needle and needleless setups based on significance of these techniques for lab and bulk scale production of nanowebs. Moreover, quantitative impact of different electrospinning parameters was also observed. Statistical analysis was found to be a useful tool for study of electrospinning process and production of nanowebs with minimum defects. The optimized nanowebs were used for selected applications and based on results it was concluded that they can be a potential material for both, heat generation and respiratory protection. These observations are expected to initiate more focused studies in both the fields.

Les vapeurs de composés organiques volatils (COV) représentent un risque chimique pour les travailleurs. Les cartouches de protection respiratoires sont un moyen efficace contre les expositions à ces vapeurs. L’objectif de cette thèse est la modélisation de l’exposition des cartouches dans les situations complexes : présence d'un mélange de vapeurs et cycle d’utilisation, à partir d’une étude expérimentale basée sur l’adsorption dynamique sur colonne. Suite à la contribution de R. Chauveau (thèse UL – 24/11/2014) la présente thèse poursuit l’étude sur la modélisation de l’adsorption des mélanges de vapeurs. Des expositions à des mélanges de COV et une étude cinétique par la méthode chromatographique perturbative ont été effectuées. Le deuxième volet est consacré à la modélisation d’un cycle d’utilisation en 3 étapes (exposition - stockage – réutilisation), pour 6 COV : acétone, acétonitrile, 2-butanone, cyclohexane, dichlorométhane et éthanol. Les temps de claquage ont pu être prédits correctement pour les mélanges acétone/éthanol et cyclohexane/heptane. Une déviation est observée pour le mélange éthanol/cyclohexane car l’équilibre d’adsorption n’a pu être reproduit avec précision par les modèles et parce que la présence d’une covapeur influe grandement sur les cinétiques d’adsorption en mélange. Les travaux ont révélé des failles dans l’approche préventive consistant à assimiler une exposition de mélanges à une exposition à celle du composé le plus volatil en lui affectant la concentration totale du mélange. En ce qui concerne les risques liés à une réutilisation des cartouches, des percées immédiatement après réutilisation (IBUR) ont été observées expérimentalement. Ce comportement a pu être décrit par un modèle de diffusion statique. Le risque d’IBUR est élevé pour les COV diffusant rapidement : l’acétonitrile, l’acétone et le dichlorométhane. Une évaluation est proposée pour distinguer les propriétés du système qui influencent l’apparition de l’IBUR / Volatile organic compounds (VOC) represent a chemical risk for workers. Respiratory protective cartridges are effective equipment against vapours exposure. The objective of the present PhD thesis is the modelling of cartridge exposure in more complex situations: presence of vapours mixture and reuse cycle, from a dynamic adsorption experimental study in column bed. Further to the contribution of R. Chauveau (PhD thesis -24/11/2014), the present manuscript extends the study vapours mixtures adsorption on activated carbon. The second section is devoted to model a cycle use in 3 steps (exposure - storage – reuse), for 6 VOC: acetone, acetonitrile, 2-butanone, cyclohexane, dichloromethane and ethanol. VOC mixtures exposure and kinetic study by the method of perturbative chromatography have been carried out. The service life is correctly predicted for acetone/ethanol and cyclohexane/heptane mixtures. A deviation has been observed for ethanol/cyclohexane mixture because the adsorption equilibrium has not been accurately reproduced by model. These works have also pointed out inconsistency in the preventive approach which assimilates a mixture exposure to single vapour exposure by the most volatile compound at concentration the sum of that of all components of the mixture. Regarding the risks related to cartridge reuse, immediate breakthrough upon reuse (IBUR) has been experimentally recorded. This behaviour can be described by a static diffusion model. The mass transfer in the particle by surface diffusion is the main reason. The risk of IBUR is higher for fast diffusing VOC: acetonitrile, acetone and dichloromethane. An assessment is suggested in order to distinguish the properties of the system which can influence the occurrence of IBUR