Inflammabilité et explosivité des nanopoudres : effets-nano ou nano-effets ?
Résumé
In the industrial and research fields, nanomaterials provides a growing interest and many industrial applications have already been developed in the last years. However, knowledge about the hazards related to these new materials is currently limited. As safe nanomaterial production cannot be permitted without a deeper evaluation of environmental and occupational hazards, hazards related to nanoparticles have to be evaluated. One often thinks about the potential toxicity of nanoparticles. However, dust fire and explosion should not be neglected when the dusts are combustible, which may often be the case. So far, literature studies concerning the evaluation of explosion and flammability risks of powders were essentially carried out on micron-sized materials and do not enable in fact to evaluate fire and explosion risk probabilities and gravities of nanopowders. The main goal of this work is to study explosion and ignition risks related to nanopowders. In particular, the evaluation of the explosion sensitivity and severity of typical nanomaterials has been studied as well as the validity of the existing analytical and methodological tools designed to evaluate dust ignition and explosion hazards. This work also deals with the methodology applied to a plant and to a laboratory in order to define the best safety barriers which were positioned to ensure the best occupational safety level to all workers and evaluate in a good way the ignition and explosion risks related to the use and production of fluffy nanomaterials. This work will certainly help risk engineers concerned about the handling and the production of combustible nanopowders.
Cette étude se propose de répondre aux nombreuses interrogations quant à la réactivité particulière développée par les particules nanométriques. En ce qui concerne la sensibilité à l'inflammation des nanoparticules, deux comportements totalement différents ont été observés en fonction de la nature des poudres. Ainsi, les particules de noir de carbone non poreuses voient leur capacité à être oxydées, diminuer avec l'augmentation de la surface spécifique alors que les particules d'aluminium tendent à s'oxyder plus aisément avec une diminution de la taille des particules. Par ailleurs, nous nous attendions à un accroissement de la sensibilité à l'inflammation par étincelle du nuage de poussières avec la diminution de la taille des particules. Dans le cas de nanopoudres peu réactives comme les nanotubes de carbone ou le noir de carbone, de tels phénomènes ne sont pas perceptibles ; mais au contraire, de telles tendances furent identifiées pour des nanopoudres très réactives comme l'aluminium nanométrique pour lequel des énergies minimales d'inflammation inférieures au millijoule ont été obtenues. Cette évolution rend le risque d'inflammation des nanopoudres supérieur à celui de poudres micrométriques et nécessite des procédures de manipulation adaptées. Le risque d'autoinflammation de tels composés a par ailleurs été déterminé. En ce qui concerne la sévérité des explosions, les noirs de carbone et nanotubes de carbone testés produisent des explosions aussi violentes que celles des noirs de carbone micrométriques, et ce malgré une importante agrégation/agglomération. Dans le cas de l'aluminium nanométrique, on peut donc considérer que la propagation d'une flamme laminaire est essentiellement sous contrôle radiatif, contrairement aux particules micrométriques. Le risque de détonation d'un nuage de nanoparticules d'aluminium semble donc particulièrement élevé. Toutefois, lors des essais réalisés, aucune augmentation dramatique de la sévérité d'explosion n'a été observée. Au contraire, une diminution de la vitesse de la montée en pression a été observée. Par conséquent, il se pourrait que les appareils traditionnels utilisés (notamment la sphère d'explosion de 20 L) ne permettent pas aux phénomènes radiatifs de prendre part significativement à la propagation de la flamme ou tout du moins limitent la radiation. Ce phénomène pourrait participer à la sous-estimation des paramètres de sévérité d'explosion, du moins dans le cas d'un nuage de nanoparticules d'aluminium. Il remet donc en question la validité de la loi cubique utilisée pour le dimensionnement de système de protection (évents, disques de rupture) et impliquerait que les mesures réalisées sur des appareils traditionnels ne seraient alors pas directement extrapolables à d'autres volumes. Enfin, sur la base des travaux cités précédemment, une réflexion a été menée afin de décrire, d'évaluer et de modéliser les dangers et les risques liés à l'utilisation de nanopoudres sur un poste de travail. Cette démarche a pu être menée à bien grâce à l'utilisation du modèle MADS (Méthodologie d'Analyse des Dysfonctionnements dans les Systèmes) et de la méthode MOSAR (Méthode Organisée Systémique d'Analyse des Risques). Elle a permis de modéliser de façon systémique les flux de danger auxquels peuvent être exposés les salariés. Cette étude a conduit à la mise en place d'actions visant à réduire les risques et les impacts des flux de dangers potentiels relatifs aux nanoparticules via la définition de barrières de prévention, de protection et de mitigation adéquates.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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