Optical techniques applied to the detection and characterisation of atmospheric particulate matter
Application du laser à la caractérisation des nanoparticules dans l‘air
Résumé
If pollution by gaseous compounds is nowadays evaluated more and more accurately, that relating to particles remains difficult to quantify in a precise manner because their characteristic parameters are much more complex than those of gaseous pollutants. Indeed, monitoring of temporal evolution of the mass concentration in the ambient air or in the workplace proves to be an insufficient tool to predict the environmental or toxic impact. Thus, nanoparticle leak detection in the workplace cannot be addressed using instrumentation based on mass concentration metric. Thus, in the framework of the European Nanosafe 2 project, we have developed new methodologies in order to characterise or detect manufactured nanoparticles. This instrumentation was able to produce on-line size resolved chemical identification of nanoparticles in air, where physical characterisation was obtained using electrical mobility analysis (DMA) and chemical identification was obtained using laser induced plasma spectroscopy (LIBS or LIPS). Performance analyses have shown a detection limit of several μg.m-3 for 40nm nanoparticles associated with really good reproducibility and without humidity dependency. Moreover, the Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) technique was also evaluated as a quality process monitoring tool. LIBS was employed for on-line and real time process monitoring during nanoparticle production by laser pyrolysis, where on-line and real time monitoring systems could greatly enhance the process optimisation and accordingly improve its performance. For this purpose, experiments aiming at demonstrating the feasibility of an on-line monitoring system for silicon carbide nanoparticle production using the LIBS technique were carried out. Nanosecond laser pulses were focused into a cell through which part of the nanoparticle flux diverted from the production process was flowed for LIBS analysis purposes. The nanoparticles were vaporised within the laser induced plasma created in argon used as background gas in the process. Temporally resolved emission spectroscopy measurements were performed in order to control nanoparticle stoichiometry. Finally, promising results were obtained and on-line Si/CX stoichiometry was successfully observed.
La technique LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) consiste à focaliser de brèves impulsions lasers (femtosecondes, nanosecondes) à la surface de solides, de liquides ou bien encore dans des gaz afin de transformer la matière présente en un plasma de volume sub-millimétrique. Cela permet d’analyser ensuite la composition élémentaire originelle à partir du spectre émis par les atomes de ce plasma. Cette technique est développée à l’INERIS pour la détection des nanoparticules présentes dans l’air ou préservées sur des substrats. Si la fraction gazeuse des polluants est de mieux en mieux évaluée, la fraction particulaire reste difficile à caractériser car les paramètres à mesurer sont complexes. En effet, la concentration massique et son évolution temporelle s’avèrent être des indicateurs très insuffisants. D’autres caractéristiques des particules doivent être prises en compte : - leur composition chimique ainsi que les éventuels composés adsorbés à leur surface dont certains peuvent être toxiques (mutagènes, cancérigènes…) ; - leur distribution de taille afin de quantifier les fractions inhalées ; - leur spatialisation et leur évolution dans la colonne atmosphérique. Pour répondre à ce besoin de caractérisation, de nouvelles méthodologies physico-chimiques ont été mises en place, puis validées lors de campagnes de mesurages spécifiques. Elles ciblent les nanoparticules car leur production et leur utilisation sont en développement exponentiel depuis la découverte des propriétés particulièrement intéressantes des matériaux à l'échelle nanométrique, alors que leurs effets potentiels sur la santé font craindre une toxicité accrue de ces dernières par rapport aux particules de même composition chimique mais de taille supérieure. Dans ce contexte, la technique LIBS, centrée sur l’identification des espèces chimiques, a été développée dans une configuration permettant un couplage avec les dispositifs de mesure du nombre et de la taille des particules. En pratique, les dispositifs expérimentaux ont pu faire appel à l’instrumentation SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer). L’INERIS s’est engagé dans ce développement, au plan européen comme partenaire majeur de Nanosafe 2, au plan régional dans le cadre d’une convention entre l’INERIS et la Région Picardie et enfin dans le cadre du programme spécifique NANORIS financé par le ministère de l’écologie, du Développement et de l’Aménagement durables. Des développements ont été réalisés dans des domaines très divers.
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Sciences de l'environnement
Origine : Publication financée par une institution
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