Brevet FR3057353A1 — publié le 20180413

Dispositif de prélèvement de polluants La présente invention concerne un dispositif de prélèvement de polluants, plus particulièrement de polluants organiques dans l'atmosphère. Les salariés évoluent dans des environnements contenant divers polluants plus ou moins toxiques. La métrologie de ces polluants est une phase essentielle de l'évaluation des risques professionnels liés à l'exposition des salariés aux substances chimiques. Une stratégie de prélèvement doit tout d'abord être établie, basée sur l'observation des postes de travail. Des méthodes de prélèvement et d'analyse adaptées doivent ensuite être sélectionnées et mises en oeuvre. L'interprétation des résultats permet alors de transformer l'observation en action pour la prévention. Les différentes techniques conventionnelles d'évaluation de l'exposition des salariés aux agents chimiques organiques dans l'atmosphère reposent sur le double principe d'un piégeage de ces substances à la surface d'un matériau adsorbant, correspondant à la phase de prélèvement, suivi d'une étape de désorption de celles-ci. Une analyse chimique appropriée est ensuite réalisée. Au cours de la phase de prélèvement, les molécules organiques ciblées sont adsorbées à la surface d'un matériau adapté contenu dans un dispositif de prélèvement. Ledit prélèvement peut être effectué soit à l'aide d'une pompe, soit par diffusion moléculaire. On parle alors respectivement de prélèvement actif et de prélèvement passif. Le mode de prélèvement actif nécessite l'utilisation d'une pompe de prélèvement de débit stable et contrôlé. Ce mode de prélèvement peut parfois s'avérer complexe à mettre en pratique. Cela nécessite notamment des réglages et des vérifications régulières des débits lors du prélèvement. Par ailleurs, la batterie de la pompe lors de prélèvements de longue durée peut se décharger, entraînant des risques de fluctuations des débits voire d'arrêt intempestifs en pleine séquence de prélèvement provoquant ainsi la perte des échantillons. 3057353 2 Pour certaines substances, lorsque les conditions environnementales le permettent, il est possible d'utiliser un mode de prélèvement dit passif ou diffusif, fondé sur le principe de la diffusion moléculaire régi par la loi de Fick. L'évaluation de la pollution 5 atmosphérique par prélèvement passif est plus simple et pratique à mettre en oeuvre que le prélèvement actif car elle ne nécessite pas de matériel autre que le dispositif de prélèvement en lui-même ni de compétence technique particulière en métrologie de la part des opérateurs. 10 En revanche, préalablement au prélèvement d'une substance définie sur un dispositif de prélèvement passif, l'opérateur devra déterminer le débit de diffusion correspondant, appelé aussi débit d'échantillonnage, lié à la géométrie du dispositif de prélèvement, caractérisée par la surface de diffusion et la longueur de diffusion, et 15 au coefficient de diffusion moléculaire de la substance. Cette détermination pourra être réalisée expérimentalement à l'aide d'un banc de génération d'atmosphères contrôlées ou de façon théorique sur la base de données de la littérature, du fabricant, ou de logiciels spécifiques. 20 A l'issue de la phase de prélèvement, une seconde étape différée en laboratoire consiste à désorber les molécules organiques adsorbées sur le support de prélèvement pour pouvoir ensuite les analyser. Cette étape de désorption peut se faire par l'intermédiaire de deux techniques dites classiques, soit par l'action d'un solvant 25 organique, soit par désorption thermique. La désorption à l'aide d'un solvant organique, la technique de désorption la plus répandue, présente l'avantage d'être bien maîtrisée par les laboratoires tant du point de vue du processus analytique que de l'étalonnage. Les solvants d'extraction usuels permettent d'obtenir 30 d'excellents rendements d'extraction de la plupart des composés organiques adsorbés sur du charbon actif. En effet, le charbon actif est utilisé comme matériau adsorbant dans de très nombreuses applications compte tenu de son faible coût, de son approvisionnement aisé, de sa 3057353 3 très grande capacité de piégeage et de son très large spectre d'utilisation et de compatibilité avec les polluants organiques. Cependant, cette technique présente également un certain nombre d'inconvénients. En effet, la plupart des solvants usuels 5 présente une toxicité avérée et nécessite des précautions de mise en oeuvre très strictes. Par ailleurs, le charbon actif nécessite une manipulation minutieuse pour être transvasé dans le récipient d'extraction, comme le document US 2007/0163436 l'illustre. De plus, de nombreuses manipulations sont nécessaires lors des protocoles de 10 préparation, qui les rendent difficilement automatisables. L'autre technique de désorption classique est la désorption thermique, aussi appelée thermodésorption. Le principe de cette méthode consiste à provoquer la désorption des molécules physisorbées, par transmission de chaleur au matériau adsorbant dans 15 une chambre de désorption. Cette technique présente l'avantage de supprimer totalement l'utilisation de solvants et permet une automatisation complète de l'analyse sans intervention préparatoire lourde sur le dispositif de prélèvement. En effet, le dispositif de prélèvement utilisé se présente sous la forme d'un tube directement 20 inséré dans le désorbeur thermique, comme cela est décrit dans le brevet US3797318. De plus, cette méthode de désorption est extrêmement sensible car l'intégralité des molécules présentes dans l'échantillon est injectée dans l'analyseur. Les dispositifs de prélèvements usuels prévus pour la thermodésorption sont réutilisables 25 un grand nombre de fois (de plusieurs fois à plusieurs dizaines de fois selon les matériaux et les températures mis en oeuvre), représentant ainsi un intérêt économique non négligeable. La thermodésorption comporte néanmoins certaines limites comme les difficultés des opérations d'étalonnage, l'impossibilité de 30 ré-analyser les échantillons et le nombre limité des supports thermodésorbables. L'inconvénient majeur de la thermodésorption est ainsi l'impossibilité de désorber efficacement tous les composés adsorbés sur le matériau le plus répandu, le charbon actif. 3057353 4 En complément à ces deux techniques de désorption dites classiques, la technique de thermodésorption assistée par micro-ondes représente une alternative émergeante et intéressante pour extraire les composés organiques du matériau adsorbant contenu dans le dispositif 5 de prélèvement de polluants. Son principe consiste à focaliser une forte quantité d'énergie sous forme de rayonnement micro-ondes sur l'échantillon afin de provoquer un échauffement du matériau adsorbant très rapide, ce qui permet de désorber quasi-instantanément les substances organiques. Les molécules ainsi extraites sont alors 10 entraînées par un gaz vecteur vers un analyseur, comme par exemple un chromatographe en phase gazeuse. Un exemple de dispositif et de procédé d'analyse par chromatographie gazeuse est décrit dans le document EP 0 073 176. Cette technique possède les avantages de la désorption 15 thermique classique (analyse directe, aucun solvant toxique, ...) sans la plupart de ses inconvénients (incompatibilité avec le charbon actif, non instantanéité de la désorption, systèmes complexes, ...). Du fait des quantités modérées prélevées en mode de prélèvement passif, l'analyse par désorption thermique, où l'intégralité 20 des molécules est désorbée, apparaît particulièrement adaptée. Cependant, à l'heure actuelle, il n'existe pas de dispositif de prélèvement en mode passif directement analysable par thermodésorption assistée par micro-ondes. Les seuls dispositifs de prélèvement compatibles avec la 25 thermodésorption assistée par micro-ondes actuellement proposés se limitent à une utilisation en prélèvement actif, qui, comme expliqué ci-avant, peut s'avérer complexe. En mode de prélèvement passif, aucun dispositif à but quantitatif directement désorbable et compatible avec la technologie de thermodésorption micro-ondes n'a pour l'heure 30 été décrit ou proposé. En effet, les dispositifs proposés jusqu'ici nécessitent des phases de manipulations parfois lourdes et minutieuses, comme par exemple le transvasement d'un dispositif de prélèvement passif ou 3057353 5 actif vers un dispositif de désorption compatible avec la technique de thermodésorption assistée par micro-ondes. Ainsi, aucun dispositif de ce type ne permet de réaliser le prélèvement puis la désorption des polluants sur le même support. 5 L'utilisation des micro-ondes engendre des contraintes techniques majeures, notamment l'incompatibilité avec les matériaux métalliques, les problèmes liés à la reproductibilité de l'énergie micro-ondes fournie ou encore les problèmes liés à la durabilité et la stabilité des matériaux constituant les dispositifs utilisés du fait des 10 températures potentiellement extrêmement élevées. La présente invention a pour but de proposer une solution permettant de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. En particulier, un but de l'invention est de proposer un dispositif de prélèvement en mode passif et qui soit compatible avec la 15 thermodésorption assistée par micro-ondes. L'invention a donc pour objet un dispositif de prélèvement de polluant(s) en mode passif, configuré pour être compatible avec la thermodésorption assistée par micro-ondes, comprenant un corps tubulaire doté intérieurement d'un passage axial débouchant vers 20 l'extérieur du corps, comprenant une première partie et une seconde partie, ledit passage s'étendant depuis une première surface frontale d'extrémité du corps jusqu'à une seconde surface frontale d'extrémité du corps, ledit dispositif comprenant au moins un moyen de prélèvement, 25 et un moyen de maintien du moyen de prélèvement dans la première partie, ledit moyen de prélèvement comprenant au moins un support adsorbant, ledit moyen de maintien étant disposé entre la première partie et la seconde partie et délimitant intérieurement une section de diffusion, la distance s'étendant depuis la seconde surface frontale 30 jusqu'au support adsorbant étant de longueur 1d, la section de diffusion, la longueur et le moyen de prélèvement constituant un moyen pour contrôler le débit de diffusion desdits polluants dans le dispositif. 3057353 6 Au sens de la présente invention, on entend par « dispositif compatible avec la thermodésorption assistée par micro-ondes » un dispositif permettant directement après le prélèvement et sans étape transitoire une analyse des polluants adsorbés par la technique de 5 thermodésorption assistée par micro-ondes. Au sens de la présente invention, on entend par « prélèvement en mode passif » ou « prélèvement passif » un prélèvement fondé sur le principe de la diffusion moléculaire régi par la loi de Fick. Le principe de ce mode de prélèvement est bien connu de l'homme du 10 métier. La longueur ld est appelée longueur de diffusion. De préférence, ledit support adsorbant comprend un matériau présentant un coefficient de pertes diélectriques supérieur ou égal à 0,1. 15 Ainsi, ledit support adsorbant peut comprendre un matériau absorbant les micro-ondes de sorte à provoquer une élévation de sa température lors de la phase de désorption, autrement dit présentant un coefficient de pertes diélectriques compatible avec cet objectif. Préférentiellement, ledit matériau est choisi parmi le charbon 20 actif, les polymères poreux, les tamis moléculaires, les zéolithes et les noirs de carbone graphitizés. Avantageusement, le dispositif comprend un moyen de retenue, ledit moyen de prélèvement étant disposé entre ledit moyen de retenue et ledit moyen de maintien. 25 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le moyen de prélèvement comprend en outre un support de diffusion. De préférence, ledit support de diffusion peut comprendre un matériau n'adsorbant pas les micro-ondes, c'est-à-dire qu'il peut comprendre un matériau présentant un coefficient de pertes 30 diélectriques inférieur ou égal à 0,01. Ledit support de diffusion peut être constitué de matériaux non adsorbants et inertes vis-à-vis des composés organiques ciblés par le prélèvement. Selon la présente invention, on entend par « matériau inerte vis-à-vis des composés organiques » un matériau qui ne réagit 3057353 7 pas chimiquement avec lesdits composés organiques. En particulier, ledit support de diffusion peut comprendre un matériau poreux. Le matériau poreux peut être choisi parmi le carbone vitreux réticulé et une céramique poreuse. 5 Ledit support de diffusion présente une perte de charge très faible grâce à sa porosité. De préférence, le dispositif de prélèvement est configuré pour être inséré dans un étui. La présente invention porte également sur un procédé de 10 prélèvement, de désorption et/ou d'analyse de polluant(s) comprenant les étapes suivantes : (a) un dispositif tel que défini précédemment est exposé à une atmosphère comprenant le ou les polluant(s) ; (b) le ou les polluant(s) sont adsorbés à la surface du 15 support adsorbant tel que défini précédemment ; (c) le ou les polluant(s) sont désorbés par thermodésorption assistée par micro-ondes; (d) la concentration du ou des polluant(s) est évaluée. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente 20 invention apparaîtront encore plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d' exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif de prélèvement selon l'invention ; 25 - la figure 2 est une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de prélèvement selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de prélèvement selon l'invention ; On se référera aux figures 1 à 3 qui illustrent trois modes de 30 mise en oeuvre d'un dispositif de prélèvement selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif de prélèvement de polluant(s) 1 qui comprend ici un tube cylindrique 2. Le tube 2 a été usiné en alumine pure étanche de type Degussit® AL23. 3057353 8 Le corps tubulaire 2 est avantageusement en un matériau n'adsorbant pas les micro-ondes, c'est-à-dire présentant un coefficient de pertes diélectriques inférieur ou égal à 0,01. Le tube 2 est doté intérieurement d'un passage axial 3 5 comprenant une première partie 4 et une seconde partie 5 de diamètre inférieur à la première partie 4. Ledit passage 3 s'étend depuis une première surface frontale sl d'extrémité jusqu'à une seconde surface frontale s2 d'extrémité. Le dispositif 1 comprend un moyen de prélèvement 6, disposé 10 dans la première partie 4, qui comporte un support adsorbant 9 et un support de diffusion 10. Le moyen de prélèvement 6 est en appui sur un épaulement interne 8, usiné dans le tube, situé entre la première partie 4 et la seconde partie 5, et s'étendant radialement vers l'intérieur du tube 2. 15 Alternativement, l'épaulement interne 8 peut aussi être moulé dans le tube. Le support adsorbant 9 utilisé est le charbon actif. Il est à noter que le charbon actif peut être remplacé par d'autres matériaux adsorbants comme par exemple les polymères poreux, tels que le 20 Tenax®, le XADc)-2, le XADc)-7, les Chromosorbs , ou encore les Anasorbs®, les tamis moléculaires tels que les Carboxens® ou encore les Carbosieves®, les zéolithes, ou les noirs de carbone tels que les Carbopacks® ou encore les Carbotraps®. Le support de diffusion 10 utilisé ici est un cylindre de 25 diffusion de type CarboFrit®. Le dispositif 1 comprend également un moyen de retenue 7, formant un bouchon de laine de quartz qui maintient le charbon actif 9 et le cylindre de diffusion de type CarboFrit® 10 contre l'épaulement 8 de telle sorte que le moyen de prélèvement 6 est maintenu immobile 30 par rapport au tube 2. Le moyen de retenue permet le libre écoulement des gaz lors d'un prélèvement et lors de l'étape de désorption. La quantité et le tassement du moyen de retenue dans le corps permettent le contrôle 3057353 9 par l'utilisateur de la perte de charge du dispositif de prélèvement, si besoin lors de l'étape de désorption et/ou d'analyse des polluants. 5 mg de laine de quartz ont été ici utilisés et tassés de sorte à obtenir une perte de charge de 4 pouces d'eau à 200 sccm. 5 La seconde partie 5 du passage axial 3 est ici caractérisée par une section de diffusion Sd, correspondant à la section interne du passage axial 3 délimitée par le moyen de maintien 8, en l'espèce l'épaulement interne 8. La distance s'étendant depuis la seconde surface frontale s2 d'extrémité jusqu'au support adsorbant 9 est de 10 longueur ld, appelée longueur de diffusion La figure 2 représente un dispositif de prélèvement de polluant(s) 1 qui diffère de celui décrit sur la figure 1 en ce que le moyen de prélèvement 6 n'est plus en appui contre un épaulement interne mais contre une bague de maintien 8 située à l'intérieur du 15 tube 2, entre la première partie 4 et la seconde partie 5. On notera que la bague de maintien 8 délimite intérieurement une section Sd. La seconde partie 5 du passage axial 3 est caractérisée par une surface de diffusion Sd. La longueur de diffusion ld s'étend depuis la 20 seconde surface frontale s2 d'extrémité jusqu'au support adsorbant 9. La figure 3 représente un dispositif de prélèvement de polluant(s) 1 qui diffère de celui décrit sur la figure 1 en ce que le moyen de prélèvement 6 ne comprend plus de support de diffusion 10. En effet, le moyen de prélèvement 6 ne consiste qu'en un support 25 adsorbant 9. Le support adsorbant 9 est ici un matériau adsorbant monobloc, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un matériau monocorps ou, autrement dit d'un seul tenant, permettant le libre écoulement des gaz aussi bien lors d'un prélèvement que lors d'une étape de désorption. En particulier, 30 ledit matériau adsorbant monobloc peut être poreux. Ledit matériau adsorbant monobloc peut être choisi parmi une mousse de charbon actif et des billes d'un adsorbant agglomérées. 3057353 10 Le support adsorbant 9 est maintenu en position fixe par rapport au tube 2 grâce à un épaulement interne 8 comme décrit sur la figure 1. La seconde partie 5 est caractérisée par une section de 5 diffusion Sd. La longueur de diffusion ld s'étend depuis la seconde surface frontale s2 d'extrémité jusqu'au support adsorbant 9. Ainsi, pour chacun des modes de réalisation décrits, le procédé employé pour prélever les polluants est identique. En effet, les polluants sont introduits par diffusion dans le tube 2 par l'extrémité 10 ouverte du tube 2 à travers la section de diffusion Sd, puis atteignent le support adsorbant 9. Lesdits polluants sont adsorbés à la surface du support adsorbant 9, ayant éventuellement au préalable traversé le support de diffusion 10. Par ailleurs, le dispositif décrit dans chacun des modes de 15 réalisation peut être inséré dans un étui. Ledit étui peut être constitué en un matériau solide inerte, par exemple du polytétrafluoroéthylène ou encore de l'inox, dimensionné pour recevoir le dispositif selon l'invention. De préférence, ledit étui est destiné à protéger le corps de tout 20 risque de choc et/ou de casse lors de la phase de prélèvement, voire de transport et de stockage après le prélèvement. Lors du prélèvement passif, ledit étui est ouvert du côté de la seconde surface frontale s2 d'extrémité, et est hermétiquement fermé à l'aide d'un bouchon prévu à cet effet du côté de la première surface 25 frontale sl d'extrémité. Après la phase de prélèvement, le dispositif peut être soit sorti de l'étui puis fermé à l'aide de bouchons inertes et hermétiques présentant un diamètre adapté, soit laissé dans l'étui qui sera alors hermétiquement fermé à l'aide de bouchons adaptés. 30 Dans tous les modes de réalisation décrits, la surface de diffusion Sd, la longueur de diffusion ld, les caractéristiques du support adsorbant, et éventuellement celles du support de diffusion, telles que la quantité et la nature des matériaux, permettent de 3057353 11 contrôler finement le débit de polluants entrant dans le dispositif en mode de prélèvement passif. La configuration particulière du dispositif selon l'invention et ses éléments constitutifs permettent directement après le prélèvement 5 et sans étape transitoire une analyse des polluants adsorbés par la technique de thermodésorption assistée par micro-ondes. Par ailleurs, grâce au dispositif selon l'invention, le débit de diffusion est stable et contrôlé. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est lié au fait 10 qu'il peut être réutilisé après la phase de désorption. Un conditionnement à haute température peut être nécessaire afin de régénérer le moyen de prélèvement et/ou éliminer toute trace de substances organiques indésirables pour de futurs prélèvements, telles que des solvants d'extraction résiduels. Le protocole employé pour le 15 conditionnement est défini par l'utilisateur en fonction de ses objectifs et les contraintes d'utilisation. Le nombre de cycles d'utilisation du dispositif selon l'invention est déterminé par l'utilisateur selon des critères propres à l'application et aux tolérances jugées acceptables par celui-ci. Au-delà du seuil acceptable d'utilisation, l'utilisateur 20 devra changer de dispositif. REVENDICATIONS1. Dispositif de prélèvement (1) de polluant(s) en mode passif, configuré pour être compatible avec la thermodésorption assistée par micro-ondes, comprenant un corps tubulaire (2) doté intérieurement d'un passage axial (3) débouchant vers l'extérieur du corps (2), comprenant une première partie (4) et une seconde partie (5), ledit passage (3) s'étendant depuis une première surface frontale (s1) d'extrémité du corps (2) jusqu'à une seconde surface frontale (s2) d'extrémité du corps (2), ledit dispositif (1) comprenant au moins un moyen de prélèvement (6), et un moyen de maintien (8) du moyen de prélèvement (6) dans la première partie (4), ledit moyen de prélèvement (6) comprenant au moins un support adsorbant (9), ledit moyen de maintien (8) étant disposé entre la première partie (4) et la seconde partie (5) et délimitant intérieurement une section de diffusion (Sd), la distance s'étendant depuis la seconde surface frontale (s2) jusqu'au support adsorbant (9) étant de longueur (ld), la section de diffusion (Sd), la longueur (ld) et le moyen de prélèvement (6) constituant un moyen pour contrôler le débit de diffusion desdits polluants dans le dispositif (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support adsorbant (9) comprend un matériau présentant un coefficient de pertes diélectriques supérieur ou égal à 0,1. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau est choisi parmi le charbon actif, les polymères poreux, les tamis moléculaires, les zéolithes et les noirs de carbone graphitizés. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moyen de retenue (7), ledit moyen de prélèvement (6) étant disposé entre ledit moyen de retenue (7) et ledit moyen de maintien (8). 3057353 13 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyen de prélèvement (6) comprend en outre un support de diffusion (10). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que 5 ledit support de diffusion (10) comprend un matériau poreux. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit matériau poreux est choisi parmi le carbone vitreux réticulé et une céramique poreuse. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif (1) est configuré pour être inséré dans un étui. 9. Procédé de prélèvement, de désorption et/ou d'analyse de polluant(s), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (a) un dispositif (1), tel que défini à l'une quelconque 15 des revendications précédentes, est exposé à une atmosphère comprenant ledit ou lesdits polluant(s) ; (b) ledit ou lesdits polluant(s) sont adsorbés à la surface dudit support adsorbant ; (c) ledit ou lesdits polluant(s) sont désorbés par 20 thermodésorption assistée par micro-ondes ; (d) la concentration du ou des polluant(s) est évaluée.