Projet ANR-11-ECOT-0013 – CAPFEIN : réseau de CAPteurs de FormaldEhyde intelligents pour la surveillance de l'air INtérieur
Programme : Production durable et technologies de l'environnement (ECOTECH)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Stéphane LE CALVÉ (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE)
Partenaires : Institut de Chimie et Procédés pour l'Énergie, l'Environnement et la Santé; Centre de Recherche en Automatique de Nancy; Laboratoire d'Ingénierie des Polymères pour les Hautes Technologies
Montant : 567316.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 42 mois
Résumé : réseau de CAPteurs de FormaldEhyde intelligents pour la surveillance de la qualité de l'air Intérieur (CAPFEIN)Ce projet visait à développer d’une part une méthode analytique quantifiant le formaldéhyde dans l’air en temps réel et in fine un instrument portable et d’autre part une stratégie pour la mise en réseau de ces instruments pour l’évaluation de la qualité de l’air et de l’exposition des occupants.
Un instrument de mesure du formaldéhyde dans l’air pour la surveillance de la qualité de l'air Intérieur.Le formaldéhyde est un polluant classé comme « hautement prioritaire » dans l’air intérieur. En raison de ses effets sur la santé, la réglementation française émergente (action 7 du PNSE2) vise à mesurer le formaldéhyde dans les lieux publics (écoles, crèches etc.) à partir de 2018. Si l’ICPEES a précédemment développé un l’analyseur de formaldéhyde reposant sur le couplage de 3 étapes, à savoir le piégeage du formaldéhyde gazeux en solution, sa dérivation sélective et sa détection par fluorimétrie, aucun appareil commercial n’est capable de répondre à ces besoins en termes de mesures de précision du formaldéhyde en temps réel, à faible coût et « à grande échelle ».L’objectif du projet consiste donc à réaliser les avancées scientifiques et techniques nécessaires à l’obtention d’un « capteur intelligent » de formaldéhyde, associant précision, sélectivité au formaldéhyde, rapidité, traitement et communication de l’information, dans un seul appareil de toute petite dimension. Ceci constitue une réelle innovation technologique du fait d’une part de la miniaturisation du précédent instrument et d’autre part de la mise en réseau.
Développement d’un microanalyseur de formaldéhyde basé sur un dispositif microfluidiqueSi l’analyseur de formaldéhyde précédemment développé possède des atouts indéniables comme sa rapidité (résolution temporelle de 5-10 min), sa sensibilité (= 0,2 µg.m-3), sa sélectivité et sa capacité à suivre la concentration de formaldéhyde en continue, il présente également des inconvénients dans la mesure où son autonomie est limitée en raison de sa consommation importante de réactif liquide (~ 60 mL/heure de réactifs consommés). De plus, l’instrument n’était pas ultra-portable. Le recours à la microfluidique permet de remédier à ces inconvénients, d’une part en diminuant les débits gazeux et liquide mis en jeu et de fait la consommation en réactif liquide. L’intégration de composants microfluidiques de tailles réduites permet en outre l’obtention d’un instrument analytique compact.Par ailleurs, l’instrument peut être doté d’une interface de communication sans fil basée sur le standard IEEE 802.11 (c’est-à-dire le réseau « WiFi ») dans le cas où les mesures du formaldéhyde doivent être transmises en continu à un système de surveillance. Avec sa capacité de communiquer en « WiFi », l’instrument devient technologiquement un objet connectable à l’Internet. L’atout est évident : L’accessibilité aux données de l’instrument est garantie, que le système de surveillance soit à proximité de l’instrument ou à distance.
Résumé de la soumission : Le formaldéhyde est un polluant classé comme « hautement prioritaire » dans l’air intérieur. En raison de ses effets sur la santé, la réglementation française émergente (action 7 du PNSE2) vise à mesurer le formaldéhyde dans les lieux publics (écoles, crèches etc.) à partir de 2015. Or, actuellement, aucun appareil sur le marché n’est capable de répondre à ces besoins en termes de mesures de précision du formaldéhyde en temps réel, à faible coût et « à grande échelle ».L’objectif du projet est de réaliser les avancées scientifiques et techniques nécessaires à l’obtention d’un « capteur intelligent » de formaldéhyde, associant précision, sélectivité au formaldéhyde, rapidité, traitement et communication de l’information, dans un seul appareil de toute petite dimension. Ceci constitue une réelle innovation technologique du fait de la miniaturisation d’une part et de la mise en réseau d’autre part.Notre programme de recherche CAPFEIN sera initié sur la base de l’analyseur de formaldéhyde actuel dont le fonctionnement repose sur le couplage de 3 étapes : le piégeage du formaldéhyde gazeux en solution, sa dérivation sélective et sa détection par fluorimétrie. Cet analyseur a été développé au sein du laboratoire du coordinateur et automatisé dans le cadre du programme PRIMEQUAL (ADEME &ministère de l'environnement). La preuve de concept a été faite et la technologie brevetée (extension PCT en cours). Trois prototypes sont désormais opérationnels. Le présent projet aux objectifs très ambitieux, vise à miniaturiser à l’extrême l’analyseur actuel, de le rendre communicant et davantage autonome. Pour atteindre cet objectif, le coordinateur du projet, S. Le Calvé, impliqué depuis 2006 dans la métrologie du formaldéhyde en air intérieur, s’est entouré d'un groupe d’experts pour lever les verrous technologiques identifiés. Ainsi, les quatre partenaires identifiés, de niveaux d’excellence et interdisciplinaires (chimie atmosphérique, chimie organique, microfluidique, réseaux de capteurs) sont complémentaires.Le laboratoire du coordinateur assurera les étapes de miniaturisation correspondant au piégeage du formaldéhyde, de la réaction et de la détection, en étroite collaboration avec le laboratoire de microfluidique et sera chargé de la validation du capteur de formaldéhyde seul ou en réseau.Le laboratoire de chimie organique développera de nouveaux réactifs menant, par réaction avec le formaldéhyde, à un dérivé plus fluorescent et/ou absorbant compatibles avec la miniaturisation de l’analyseur de formaldéhyde, en suivant trois pistes, sur la base de leurs résultats antérieurs brevetés.Le quatrième partenaire, spécialiste des technologies de l’information et de la communication, apportera quant à lui son expertise dans le domaine des réseaux de communication numériques, notamment des technologies de communication sans fil et des systèmes de surveillance distribués par des réseaux de capteurs. Des protocoles de communication seront développés pour permettre la remontée des mesures relevées (taux de polluant) vers un centre de traitement des données. Ainsi, il deviendra possible d'alerter en temps réel les occupants, et/ou de coupler une alerte (pic de pollution) à la domotique (ventilation, etc.) ce qui est en cohérence avec l'avènement de nouveaux types de construction comme les bâtiments basse consommation.En se préparant dès maintenant à répondre à un besoin métrologique de qualité, rapide et communicant, notre projet ouvre de grandes perspectives de valorisation française, européenne et à terme internationale. Ceci se matérialisera via la création d’une société dès 2012 (actuellement en « incubation »), dont le cœur de métier sera la fabrication et la vente d’outils pour la métrologie des polluants de l’air intérieur. Les premiers appareils vendus seront directement issus des analyseurs existants, le programme Ecotech permettra via le développement de « capteurs intelligents » de révolutionner la métrologie existante en air intérieur.
Résultats : Une nouvelle méthode analytique microfluidique a été développée à l’ICPEES menant à un nouveau brevet. Celle-ci est toujours sélective au formaldéhyde mais possède désormais une consommation en réactif abaissée d’un facteur 100, une résolution temporelle de 2 à 120s, une limite de détection < 0,2 µg.m-3 (120s). En outre, les 2 prototypes de laboratoire entièrement automatisés pèsent maintenant moins de 4kg.
En parallèle, la start’up « In Air Solutions » a été créée en 2013 et va commercialiser ce nouveau microanalyseur de formaldéhyde. La collaboration de l’ICPEES avec In’Air Solutions initiée dans le cadre de CAPFEIN s’est renforcée avec l’obtention de deux projets européens, d’un contrat de collaboration et le financement d’une thèse CIFRE.
Par ailleurs, le CRAN a développé un badge intelligent de la taille d’une carte bancaire qui permet de calculer en temps réel, pour la personne qui le porte, son exposition personnelle aux polluants de l’air intérieur et générer des alertes sur dépassement des valeurs réglementaires. Le badge communique en « WiFi » avec le microanalyseur à intervalle périodique pour collecter les mesures. L’historique de l’exposition est stocké dans la mémoire du badge. Un simple smartphone peut consulter en « WiFi » la mémoire du badge et afficher le graphe d’exposition de la personne.
Perspectives : Les deux projets européens obtenus récemment vont permettre de développer de nouvelles méthodes analytiques reposant sur des dispositifs microfluidiques pour la quantification d’autres polluants présents dans l’air, comme les Composés Organiques Volatils, l’ozone et les dioxydes d’azote, impliqués dans la pollution photooxydante présente dans les grandes agglomérations en été.
Le badge intelligent proposé dans le projet, qui tire profit des technologies de l’information et de la communication les plus récentes, peut trouver des applications dans le cadre de la prévention des risques de la pollution de l’air en milieu professionnel. L’opportunité de déposer un brevet sur cette invention sera à discuter avec l’ensemble des partenaires.
Publications et brevets : Le développement d’une méthode analytique basée sur un dispositif microfluidique a mené à un brevet avec une demande d’extension PCT en cours. Le CNRS négocie d’ailleurs la licence d’exploitation exclusive avec In’Air Solutions, start’up créée par le porteur de projet du projet CAPFEIN.
Ce projet a été valorisé à travers 6 publications dans des revues à comité de lecture (5 internationales et 1 nationale), 10 présentations dans des conférences internationales et 8 présentations dans des conférences nationales.