Utilisation de la technologie UVC de Sanuvox afin de réduire le risque de propagation du virus SARS-CoV-2

Utilisation de la technologie UVC de Sanuvox afin de réduire le risque de propagation du virus SARS-CoV-2

  • Il est reconnu que le rayonnement UVC (longueur d’onde 254 nm) possède des propriétés germicides. L’irradiation par UVC dénature les acides nucléiques (ADN/ARN), ce qui empêche la reproduction de pathogènes biologiques (moisissures, virus, bactéries).1, 2
  • Une étude effectuée par l’Agence de protection de l’environnement (EPA) et du département de la sécurité intérieure des États-Unis (Homeland Security) a démontré qu’une unité Sanuvox installée dans un conduit de ventilation pouvait inactiver jusqu’à 99,97% des bactéries et virus testés. Les bactéries et virus à l’étude (B.atrophaeus, S.marescens, MS2), sont connus pour être plus résistants à l’UVC que le virus SARS-CoV-2. 4, 5
  • Plusieurs agences de santé et organismes d’ingénierie (ASHRAE, REHVA, CDC) reconnaissent maintenant le rôle important de la transmission par aérosol du SARS-CoV-2, le virus responsable de la COVID-19. Ces agences et organismes recommandent aussi l’utilisation d’UVC germicide (UVGI) comme moyen efficace de réduire le risque de propagation du virus à l’intérieur. 6, 7, 8, 9
  • Puisque les unités Sanuvox sont sélectionnées en fonction des paramètres des systèmes de ventilation (CVAC), la puissance adéquate du rayonnement UV peut être calculée par le logiciel de dimensionnement de Sanuvox. Les unités BioWall peuvent donc atteindre la désinfection recommandée de 99% en une seule passe, et ce sans limitation de la vélocité de l’air.

 

Tous les liens sont en anglais.

1 https://www.fda.gov/medical-devices/coronavirus-covid-19-and-medical-devices/uv-lights-and-lamps-ultraviolet-c-radiation-disinfection-and-coronavirus

2 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2789813/

3 https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_report.cfm?Lab=NHSRC&address=nhsrc/&dirEntryId=154947

4 https://www.springer.com/gp/book/9783642019982

https://www.researchgate.net/publication/339887436_2020_COVID-19_Coronavirus_Ultraviolet_Susceptibility

https://www.ashrae.org/about/news/2021/ashrae-epidemic-task-force-releases-updated-airborne-transmission-guidance

7 https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/science/science-briefs/scientific-brief-sars-cov-2.html

https://www.rehva.eu/fileadmin/user_upload/REHVA_COVID-19_guidance_document_V4_09122020.pdf

9 https://www.ashrae.org/technical-resources/filtration-disinfection

À propos du CCO : oxydation photocatalytique

À propos du CCO : oxydation photocatalyste

Par Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.

Catalyseur commun à base d’oxyde de titane : TiO2

En chimie, le CCO est l’accélération d’une photoréaction en présence d’un catalyseur. Dans la photolyse catalysée, la lumière est absorbée par un substrat adsorbé. L’activité photocatalytique dépend de la capacité du catalyseur à créer des paires électrons-trous générant des radicaux libres (radicaux hydroxyles : OH) capables de subir des réactions d’oxydation. Sa compréhension est rendue possible depuis la découverte de l’électrolyse de l’eau au moyen de dioxyde de titane. L’application commerciale du procédé s’appelle Procédé d’Oxydation Avancé et est utilisé pour le traitement de l’eau.

Le dioxyde de titane, en particulier sous forme anatase, est un photocatalyseur sous lumière ultraviolette. Il a été récemment découvert que le dioxyde de titane, lorsqu’il est enrichi d’ions d’azote ou dopé avec un oxyde métallique tel que le trioxyde de tungstène, est également un photocatalyseur sous lumière visible et ultraviolette. Le fort potentiel oxydant des trous positifs oxyde l’eau pour créer des radicaux hydroxyles. Il peut également oxyder directement l’oxygène ou les matières organiques. Le dioxyde de titane est donc ajouté aux peintures, ciments, fenêtres, carreaux ou autres produits pour la stérilisation, la désodorisation et les propriétés antisalissures. Il est également utilisé comme catalyseur d’hydrolyse.

Bien que cette technologie semble parfaitement transposable dans l’air, une mise en garde importante a récemment été mise en évidence : l’oxyde de titane est «empoisonné» par la silice et sa durée de vie utile est gravement compromise. Après une expérience de longue durée de cette technologie dans l’air, il a été observé que le CCO se décomposerait progressivement et perdrait la plus grande partie de son potentiel oxydant en moins d’un an.

L’effet de la silice en tant que neutralisant d’oxyde de titane est bien connu dans le domaine des crèmes solaires. Chaque crème solaire avec bloqueur physique contient du dioxyde de titane en raison de ses fortes capacités d’absorption de la lumière UV, empêchant ainsi les rayons UV d’atteindre la peau. Les crèmes solaires conçues pour les nourrissons ou les personnes ayant la peau sensible sont souvent à base de dioxyde de titane et / ou d’oxyde de zinc, car ces bloqueurs d’UV minéraux sont moins susceptibles de causer une irritation de la peau que les ingrédients absorbant les UV, tels que l’avobenzone.

Toutefois, pour éviter la création de radicaux cancérigènes sur la peau en raison de l’activité de la réaction photocatalytique, les particules de dioxyde de titane utilisées dans les crèmes solaires sont intentionnellement revêtues de silice. L’ajout de silice neutralise efficacement les propriétés photocatalytiques de l’oxyde de titane, rendant ainsi la crème solaire inoffensive.

Comme la silice est couramment utilisée dans les applications domestiques telles que le calfeutrage et de nombreux autres matériaux, l’oxyde de titane CCO est contaminé par la silice et perdra la moitié de son activité dans les trois mois. Cela signifie qu’après 6 mois, l’efficacité sera réduite à 50%, après 9 mois jusqu’à 25%, et après un an à 12,5% seulement. Le CCO cessera alors de fournir des performances adéquates en tant que dispositif de purification de l’air. C’est la raison principale pour laquelle les entreprises sérieuses prennent maintenant du recul et remettent en cause les merveilleuses promesses du CCO à base d’oxyde de titane comme solution pour éliminer les odeurs.

Nouvelle oxydation photocatalytique au cobalt (Co-CCO)

Depuis vingt ans, l’utilisation des rayons ultraviolets pour obtenir des ressources en air et en eau propres grâce à l’oxydation photocatalytique est un objectif recherché par les scientifiques du monde entier (1,2,3). La photocatalyse est un terme largement générique qui s’applique à la réaction d’oxydation chimique permise par un catalyseur activé aux photons, communément appelé CCO dans l’industrie de la purification de l’air.

Le catalyseur CCO consiste en un semi-conducteur en oxyde métallique, généralement en oxyde de titane (TiO2), doté d’une énergie de rupture permettant à l’absorption de photons ultraviolets de générer des paires de trous d’électrons appelés «sites actifs» qui peuvent initier la réaction chimique. Pour le CCO en oxyde de titane, l’énergie de rupture est centrée sur les photons à 360 nm, ce qui se situe au milieu de la plage UV-A (315 à 400 nm). Ceci est assez éloigné des émissions UV-C des lampes germicides ordinaires émettant la majeure partie de leur énergie photonique à une longueur d’onde de 254 nm. Ceci explique en partie l’efficacité plutôt décevante des purificateurs actuels d’air CCO à base d’oxyde de titane utilisant des lampes au mercure à basse pression. Cette faible efficacité est principalement responsable de la formation de sous-produits dangereux, tels que le formaldéhyde. Un autre obstacle important à la mise en œuvre du CCO est sa courte durée de vie due à l’empoisonnement du catalyseur par la silice. La silice, constituant principal du sable, est omniprésente dans notre environnement quotidien. Les siloxanes ont été identifiés comme la cause fondamentale de la désactivation actuelle de la CCO (4). Comme la désactivation réduit le nombre de sites actifs disponibles, une oxydation incomplète devient prédominante, ce qui favorise la production de sous-produits.

L’effet fondamental de l’ajout d’oxyde de cobalt est de décaler l’énergie de rupture du catalyseur vers les photons de haute énergie au plus près des photons à 254 nm émis par les lampes à mercure à basse pression. Avec une capacité d’absorption d’énergie supérieure, le catalyseur renforcé au cobalt fournit une activité photocatalytique suffisante pour oxyder complètement les COV domestiques (5,6) et éviter la formation transitoire de formaldéhyde, d’acétaldéhyde et d’autres sous-produits incomplètement oxydés. Il convient de noter que la haute énergie de rupture active du catalyseur au cobalt est beaucoup plus large que l’oxyde de titane lui-même et s’est révélée presque insensible à l’intoxication par la silice. Les essais réels n’ont montré aucune baisse significative de l’activité des catalyseurs au cobalt après une année complète d’utilisation.

Références

  1. Peral,J.; Ollis, D.F. Heterogeneous photocatalytic oxidation of gas-phase organics for air purification: acetone,1-butanol, butyraldehyde,formaldehyde,and m-xylene oxidation. J.Catal. 1992, 136, 554-565.
  2. Dibble, L.; Raupp, G. Kinteics of the gas-solid heterogeneous photocatalytic oxidation of trichloroethylene by near UV illuminated titanium oxide. Catal. Lett., 1990,4, 345-354.
  3. Pichat,P.; Disdier, J.; Hoang-Van, C.; Mas, D.;Goutallier, G.; Gaysee, C. Purification/deodorization of indoor air and gaseous effluents by TiO2 photocatalysis. Catal today 2000, 63, 363-369.
  4. Warner, N.A.; Evenset, A.; Christensen, G., Gabrielsen, G.W.; Borga, K.; Leknes, H. Volatile siloxanes in the European arctic: Assessment of sources and spatial distribution. Env iron. Sci. Technol., 2010,4,7705-7710.
  5. Building Assessment Survey and Evaluation (BASE) study. Available online: http://www.epa.gov/iaq/base/index.html
  6. Hay, S.; Obee, T.; Luo, Z.; Jiang, T.;Meng, Y.; He, J.;Murphy, S.; Suib,S. The viability of photocatalysis for air purification. Molecules, 2015, 20, 1319-1356.

Cause fondamentale de l’odeur générée par la désinfection germicide UV avec des unités mobiles

Cause fondamentale de l'odeur générée par la désinfection germicide UV avec des unités mobiles

Par Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D. et Benoit Despatis, Eng., Membre ASHRAE

INTRODUCTION

Au fil des années, de nombreux utilisateurs ont souvent remarqué que, chaque fois qu’une désinfection germicide UV de surface est effectuée dans une pièce, il reste presque toujours une odeur étrange. Ce n’est pas l’odeur de l’ozone, qui peut être facilement identifiée et mesurée. Cela ressemble plus à une odeur légèrement piquante semblable à celle des œufs pourris ou des cheveux brûlés. En fait, il est plus facile de reconnaître l’odeur que de la décrire. Jusqu’à présent, aucune explication satisfaisante sur l’origine de cette odeur particulière n’a été fournie. Plusieurs hypothèses de travail ont été explorées pour expliquer ce phénomène délicat :

1) Dégagement gazeux des surfaces murales, telles que peinture ou autres matières volatiles.

2) Colle des bouchons de lampes UV dégageant des gaz.

3) Connecteurs de lampes UV ou embouts en caoutchouc en surchauffe.

4) Interaction des UV avec les poussières en suspension dans l’air et en surface.

Après plusieurs tests et expériences, les trois premières hypothèses ont rapidement été écartées comme cause potentielle. Les dégagements gazeux de peinture ont été éliminés après des essais dans un boîtier métallique en aluminium nu, témoignant de la même odeur.

Les embouts des lampes UV ont été complètement enlevés et toute la colle nettoyée sans effet. La même chose a été faite pour les connecteurs de lampes et n’a montré aucun impact sur l’odeur. Cependant, alors que nous effectuions ces tests, il a été noté que, lorsque les cycles de désinfection étaient répétés plusieurs fois dans le même local, le niveau d’odeur perçu après chaque cycle semblait diminuer. C’est ce qui nous a amenés à nous concentrer sur la présence de particules de poussière dans l’air, sur la composition de ces particules et sur la manière dont les UV pourraient les transformer en composés odorants perceptibles.

COMPOSITION DE LA POUSSIÈRE DANS L’AIR

La poussière en suspension dans l’air des maisons, des bureaux et d’autres environnements humains contient généralement jusqu’à 80% de peau humaine morte et de poils squameux, le reste étant constitué de petites quantités de pollen, de fibres textiles, de fibres de papier, de minéraux provenant de sols extérieurs et de nombreux autres microns matériaux qui peuvent être trouvés dans l’environnement immédiat1,2. Dans un environnement intérieur typique, la charge volumétrique des poussières en suspension dans l’air est comprise entre 100 et 10 000 μg/m3 (0,000044 à 0,0044 grain/pi3). La charge de poussière dépend du taux d’occupation, du type d’activité humaine, de l’efficacité du système de filtration de l’air, etc. Il est à noter que le niveau maximum acceptable d’ASHRAE pour la poussière totale est de 10 000 µg/m3 (0,0044 grain/pi3) et de 3 000 µg/m3. (0,0013 grain/pi3) pour PM10.

Étant donné que la poussière en suspension dans l’air est essentiellement de la peau humaine morte et des mèches de cheveux squameuses, il convient de regarder de plus près le matériau fondamental dont elles sont faites. Le constituant principal de la peau humaine est un groupe moléculaire appelé kératine. La kératine est une famille de protéines structurelles fibreuses. La kératine est le matériau structurel clé constituant la couche externe de la peau humaine. C’est également l’élément clé de la structure des cheveux et des ongles. Les monomères de kératine s’assemblent en faisceaux pour former des filaments intermédiaires durs et insolubles. La kératine renferme de grandes quantités de cystéine, un acide aminé contenant du soufre, nécessaire aux ponts disulfures, qui confèrent une résistance et une rigidité supplémentaires par réticulation permanente et thermiquement stable ; rôle que jouent également les ponts soufrés dans le caoutchouc vulcanisé. Les cheveux sont constitués d’environ 14% de cystéine. La cystéine3 est un acide aminé de formule chimique HO2CCH (NH2) CH2SH. L’odeur âcre de poils brûlants et de caoutchouc est due aux sous-produits du soufre. La composition moyenne des cheveux consiste en 45,2% de carbone, 27,9% d’oxygène, 6,6% d’hydrogène, 15,1% d’azote et 5,2% de soufre.4

INTERACTION DES UVC AVEC LA KÉRATINE ET LA CYSTÉINE

Lorsque les photons de lumière UV-C à haute énergie frappent une molécule de kératine / cystéine, ils ont le pouvoir de casser leurs liaisons chimiques internes et de les briser en molécules plus petites. L’énergie des photons UV germicides à la longueur d’onde de 254 nm est de 470 kJ/mol, une valeur supérieure à celle des liaisons chimiques énumérées dans le tableau 1. Il est donc clair que les molécules protéomiques, telles que la kératine et la cystéine, peuvent être dissociées par l’irradiation des UV germicides, mais pas par la lumière visible, pour laquelle la longueur d’onde moyenne est de 550 nm et l’énergie maximale des photons de 217 kJ/mol.

Tableau 1. Force des liaisons chimiques

Liaison chimique

Énergie moyenne des liaisons chimiques (kJ/mol)

C – C347
C – H413
C – N305
C – O358
C – S259
N – H391

Par conséquent, certaines des liaisons chimiques entre les atomes de carbone et les atomes d’hydrogène, d’azote, d’oxygène et de soufre seront brisées par les photons ultraviolets germicides. Certains des fragments de molécules produits à la suite du bombardement de photons UV suffisamment intense contiendront du soufre, et entreront donc dans une catégorie appelée molécules de thiol. Les thiols sont une famille de composés soufrés également appelés mercaptans. Leur seuil d’odeur est extrêmement bas. Le nez humain peut détecter des thiols à des concentrations aussi faibles que 1 partie par milliard. L’odeur des œufs pourris et de l’ail est une caractéristique dominante des mercaptans, comme le montre le tableau 2.

Lorsque la peau brûle, elle dégage une odeur similaire à celle des thiols, tandis que mettre le feu aux cheveux émet une odeur sulfureuse. En effet, la kératine présente dans nos cheveux contient de grandes quantités de cystéine, un acide aminé soufré. L’odeur des cheveux brûlés peut persister dans le nez pendant des jours.

Tableau 2.

Seuil sensoriel rapporté pour les composés thiol / soufre6

Nom du composé
Formule chimique
Description sensorielle
Seuil d’odeur (ppb)
Sulfure d’hydrogèneH2SŒuf pourri, eaux usées0.5 – 1.5
ÉthylmercaptanCH3CH2SHAllumette brûlée, sulfuré, terreux1.1 – 1.8
MéthylmercaptanCH3SHChou pourri, caoutchouc brûlé1.5
Sulfure de diéthyleCH3CH2SCH2CH3 Caoutchouteux0.9 – 1.3
Sulfure de diméthyleCH3SCH3 Maïs en conserve, choux cuit, asperge17 – 25
Disulfure de diéthyleCH3CH2SSCH2CH3Ail, caoutchouc brûlé3.6 – 4.3
Disulfure de diméthyleCH3SSCH3 Végétal, choux, oignon intense9.8 – 10.2
Disulfure de carboneCS2 Sucré, éthéré, légèrement vert, sulfuré5

CALCUL DE LA CONCENTRATION DANS L’AIR DES COMPOSÉS DE SOUFRE RÉSULTANTS

Afin de confirmer l’hypothèse liant l’origine de l’odeur de désinfection post-UV à la présence de kératine et de cystéine dans la poussière de l’air, un simple calcul de la concentration moléculaire a été effectué.


Compte tenu de la charge de poussière, et en supposant que cette poussière se compose de 80% de peau ou de cheveux, les deux contenant environ 5% de soufre qui seront finalement décomposés par UV en molécules de thiol les plus petites, telles que méthylmercaptan, éthylmercaptan ou même sulfure d’hydrogène, la concentration en thiol peut être estimée comme suit :

où :

Dustload = poids de poussière par unité de volume d’air en μg/m3 (lb/ft3)

SK = % de soufre dans la kératine/cystéine = 5%

%Skin_Hair = fraction de peau et de cheveux dans la poussière = 80%

ρThiol = densité de méthylmercaptan à température et pression ambiantes normales = 1,974 kg/m3 (0,1232 lb/ft3)

L’équation (1) montre que lorsque la charge de poussière en suspension dans l’air dépasse 75 µg/m3 (0,000033 grain/pi3), ce qui est souvent le cas dans des espaces occupés, le niveau de thiol généré par la fragmentation des protéines de kératine dépasse le seuil olfactif de 0,5 à 1,5 ppb. Il en résulte que même dans le cas d’un environnement relativement propre avec une charge de poussière aussi faible que 100 µg/m3 (0,000044 grain/pi3), les conséquences du processus de désinfection par UV produiront une concentration de 2 parties par milliard, ce qui est supérieur au niveau de seuil olfactif, laissant ainsi une odeur perceptible. Tracer un graphique de l’équation 1 et permettre à la charge de poussière d’aller jusqu’à 1 000 μg/m3 (0,00044 grain/ft3) montre que, sauf si la poussière ne contient pas beaucoup de peau morte ou de squames pileuses, la désinfection par UV d’une pièce laissera presque toujours derrière elle une concentration en thiol supérieure au seuil olfactif.

Figure 1. Concentration en thiol en ppb par rapport à la charge de poussière

Avec des charges acceptables de niveau de poussière en suspension dans l’air maximales de 10 000 μg/m3 (0,0044 grain/pi3) selon ASHRAE, la concentration en thiol pourrait atteindre 200 ppb après désinfection par UV. Selon l’Institut national américain pour la sécurité et la santé au travail7 (NIOSH), le niveau de danger pour la vie ou la santé de méthylmercaptan est de 150 ppm, soit 150 000 ppb. En outre, selon la CSST du Québec et selon OSHA8 (Administration de la sécurité et de la santé au travail), le niveau acceptable TLV-TWA (valeur limite pondérée – valeur pondérée dans le temps) pour une exposition de 8 heures est de 0,5 ppm, soit 500 ppb. Par conséquent, les niveaux potentiels de concentration en thiol générés par la désinfection par UV sont sans danger, même lorsque le niveau acceptable de poussière en suspension dans l’air est le plus élevé.

CONCLUSION

Étant donné que l’occupation humaine génère normalement des concentrations de poussière bien supérieures à 75 μg/m3 (0,000033 grain/pi3) et que cette poussière est principalement composée de peaux et de cheveux morts, eux-mêmes composés de molécules de kératine et de cystéine ; et que les photons UV-C à haute énergie peuvent décomposer ces molécules en molécules de thiol qui ont un seuil d’odeur très bas, cet article a révélé la cause fondamentale de l’odeur produite par la désinfection par UV9 des pièces. Étant donné que les concentrations potentielles de molécules de thiol qui en résultent sont négligeables par rapport aux limites d’exposition acceptables publiées, il est sans danger de pénétrer dans une pièce une fois la désinfection germicide par UV effectuée.

REMERCIEMENTS

Les auteurs sont reconnaissants au Dr. Wladyslaw Kowalski les données et la révision de l’article.

NOMENCLATURE

μg = microgramme

ppm = concentration volumétrique en parties par million

ppb = concentration volumétrique en parties par milliard

nm = nanomètre (10-9 m)

grain = lb/7000

Références

Spengler, Samet, McCarthhy, Indoor Air Quality Handbook. McGraw-Hill, 2001.

Fergusson,J.E.,Forbes,E.A.,Schroeder,R.J., The Elemental Composition and Sources of House Dust and Street Dust, Science of the Total Environment, Vol.50,pp.217-221, Elsevier, April 1986.

Pure Appl. Chem. 56 (5), 1984: 595–624, Nomenclature and symbolism for amino acids and peptides (IUPAC-IUB Recommendations 1983)”, doi:10.1351/pac198456050595.

C.R. Robbins, Chemical and Physical Behavior of Human Hair, DOI 10.1007/978-3-642-25611-0_2, # Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012.

UWaterloo, Bond Lengths and Energies. n.d. Web. 21 Nov 2010. http://www.science.uwaterloo.ca/~cch…20/bondel.html

EPA. Reference Guide to Odor Thresholds for Hazardous Air Pollutants Listed in the Clean Air Act Ammndments of 1990. EPA/600/R-92/047, March 1992.

Suppression des odeurs de fumée de tabac ambiante

Suppression des odeurs de fumée de tabac ambiante

Par Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.

INTRODUCTION

Il est particulièrement difficile d’éliminer les particules de fumée de tabac, non pas à cause de leur petite taille (0,1 à 1 micron), mais parce qu’elles sont recouvertes de goudron, de nicotine, de phénols et de nombreux autres composés odorants. Ils peuvent rester en suspension dans l’air pendant des heures après l’arrêt du tabac.

En raison de leur revêtement en aérosol, les particules de fumée de tabac ne sont pas sèches, mais plutôt collantes, et obstrueront inévitablement la surface de tout type de filtres à air, ce qui les rend rapidement inefficaces et exclut la solution de filtration simple. Leur caractère collant fait que les particules de fumée s’accrochent aux murs, aux tapis, aux tissus et aux vêtements, imprégnant ainsi l’environnement d’une odeur désagréable et durable.

Cet article décrit ces défis techniques et explore d’un point de vue fondamental l’utilisation appropriée du procédé de photooxydation par ultraviolets comme solution pour éliminer les odeurs causées par la fumée de tabac ambiante.

COMPOSITION DE LA FUMÉE DE CIGARETTE

Des études ont montré que la fumée de cigarette contient plus de 3 800 composés chimiques. Certains de ces composés sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous. Les aérosols de fumée de cigarette sont essentiellement des gaz condensables résultant d’une combustion incomplète. La combustion étant un processus d’oxydation, ces aérosols peuvent être rendus moins collants et transformés en cendres sèches en complétant leur oxydation. Leurs odeurs disparaîtraient même si elles pouvaient être complètement oxydées en vapeur d’eau et en dioxyde de carbone, composés inodores. Si l’on pouvait attirer le nuage de fumée directement dans la chambre de combustion d’un incinérateur industriel à 850°C pendant deux secondes, le cocktail de molécules odorantes figurant dans le tableau 1 serait complètement oxydé et par conséquent sans odeur. Bien que cela fonctionnerait parfaitement, cette solution n’est évidemment pas rentable.

 

Tableau 1. Composition chimique de la fumée de cigarette

Durée de la production de fumée (sec)20 sec550 sec
Caractéristiques ou composition
Fumée principale
Fumée secondaire
Particules (nombre par cigarette)1.05E+123.50E+12
a) Particules solides et aérosols
(mg/cigarette)(mg/cigarette)
Goudron20.8044.10
Nicotine0.921.69
Benzo (a) pyrène3.50E-051.35E-04
Pyrène2.70E-041.01E-03
Fluoranthène2.72E-041.26E-03
Benzo (a) fluorène1.84E-047.51E-04
Benzo (b/c) fluorène6.90E-052.51E-04
Chrysène, benz (a) anthracène1.91E-041.22E-03
Benzo (b,k,j) fluorenthrène4.90E-052.60E-04
Benzo (e) pyrène2.50E-051.35E-04
Perylène9.00E-063.90E-05
Dibenz (a,j) anthracène1.10E-054.10E-05
Dibenz (a,h) anthracène, idéno-(2,3) pyrène3.10E-051.04E-04
Benzo (g,h,i) pérylène3.90E-059.80E-05
Anthanthrène2.20E-053.90E-05
Phénols (total)2.28E-016.03E-01
Cadmium1.25E-044.50E-04
Polonium 210, pCi7.00E-021.30E-01
b) Gaz et vapeurs
(mg/cigarette)(mg/cigarette)
Eau7.50298.00
Monoxyde de carbon18.3086.30
Ammoniac0.167.40
Dioxyde de carbone63.5079.50
NOx0.0140.051
Cyanure d’hydrogène0.2400.160
Acroléine0.0840.000
Formaldéhyde0.0001.440
Toluène0.1080.600
Acétone0.5781.450

Source : “Introduction to indoor air quality: a reference manual, EPA/40013-91/003”

 

FILTRATION DE L’AIR ET LIMITES DE L’IONISATION CONTRE LA FUMÉE DE TABAC

L’analyse du tableau 1 montre que la filtration seule ne peut pas traiter les aérosols de fumée de cigarette. L’expérience a montré que les particules de très petite taille, inférieure au micron, nécessitent des filtres HEPA coûteux, qui se recouvrent de goudron et se bouchent par conséquent très rapidement.

Outre la filtration classique, il existe un autre moyen bien connu d’éliminer les particules submicroniques de l’air. Les filtres à air électrostatiques, également appelés ioniseurs d’air, ont cette capacité. Au lieu de capturer mécaniquement les particules comme des filtres classiques, le principe de la filtration électrostatique ou électronique consiste à charger électriquement les particules afin qu’elles migrent sous l’effet de forces électriques vers les surfaces voisines. Le même effet est obtenu en frottant un ballon sur une chevelure, puis en le collant à un mur. Au bout d’un certain temps, le ballon perd sa charge et retombe sur le sol.

Beaucoup de «mangeurs de fumée» utilisent le principe électrostatique pour collecter les particules de fumée sur des plaques métalliques. L’effet des ioniseurs sur les particules de fumée dans l’air est le même, à l’exception du fait qu’ils n’ont pas de plaque collectrice et que les particules chargées finissent ainsi par coller sur les murs et les surfaces de la pièce. Il est à noter que, puisque les particules de cigarette sont collantes avec du goudron, elles recouvriront toutes les surfaces de la pièce avec une odeur de goudron jaune-brun.

Les expériences avec des ioniseurs sur de petits volumes, comme un pot, sont assez concluantes : les particules de fumée d’une cigarette peuvent être facilement dispersées vers les parois du pot en 15 à 20 secondes. Toutefois, lorsque vous répétez la même expérience sur un volume plus important, comme dans une pièce de 3 m x 3 m x 3 m, le temps nécessaire pour purifier l’air de la même quantité de fumée peut atteindre plusieurs heures !

L’explication de cette perte d’efficacité lorsque la taille de la pièce augmente est enracinée dans la physique fondamentale des forces électrostatiques : la loi de Coulomb, qui stipule que les forces électriques entre les particules chargées diminuent avec le carré de leur distance. La loi de Coulomb implique que, lorsque la distance est doublée, la force électrique est réduite d’un facteur 4. En comparant les forces électriques du petit pot, où les particules se trouvent à moins de quelques centimètres les unes des autres, de celles d’un mur d’une pièce de quelques mètres de large, les forces électrostatiques responsables de la dispersion des particules de fumée sont réduites au carré du rapport de 1 mètre à 1 centimètre soit le carré de 100 ou 10 000 fois moins de force électrique !

Ceci explique fondamentalement pourquoi une expérience basée sur la suppression du même nombre de particules de fumée dans une pièce de taille normale prend plusieurs heures (plus de 10 000 secondes), alors que les anciennes vidéos de démonstration réalisées avec un pot de la taille d’une main prennent quelques secondes. Non seulement l’ionisation à l’air ne supprime pas les odeurs dues aux effets de revêtement du goudron sur les surfaces et les murs, mais leurs actions électrostatiques sont beaucoup trop lentes pour avoir un effet nettoyant important, sauf dans un petit pot. En plus de leur inefficacité, le fait que les surfaces des pièces deviennent gommeuses au fur et à mesure qu’elles accumulent les particules de goudron chargées électriquement, au lieu d’utiliser des plaques de capture internes nettoyables comme dans toutes les unités de traitement de la fumée électrostatiques, les ioniseurs d’air sont en fait une version mal conçue de mangeur de fumée électrostatique et une mauvaise idée générale.

EFFET DE LA LUMIÈRE ULTRAVIOLETTE SUR LA FUMÉE DE CIGARETTE

Lorsque les photons de lumière ultraviolets UV-C frappent une molécule de goudron ou de nicotine, ils transportent suffisamment d’énergie pour rompre les liaisons chimiques interatomiques et briser la molécule en plusieurs molécules plus petites. L’énergie des photons UV germicides à la longueur d’onde de 254 nm est de 470 kJ/mol, une énergie supérieure à celle de toutes les liaisons chimiques énumérées dans le tableau 2. En comparaison, la lumière visible d’une longueur d’onde moyenne de 550 nm a une énergie de photons de seulement 217 kJ/mol.

Il est donc tout à fait clair que certaines liaisons au sein des molécules de goudron, de nicotine et de phénols dans la fumée peuvent être décomposées par irradiation UV-C mais pas par la lumière visible.

 

Tableau 2. Force des liaisons chimiques4

Liaisons chimiques
Énergie moyenne des liaisons chimiques (kJ/mol)
C – C 347
C – H 413
C – N 305
C – O 358
C – S 259
 N – H 391

Par conséquent, les liaisons chimiques entre les atomes de carbone et les atomes d’hydrogène, d’azote, d’oxygène et de soufre seront décomposées par les photons ultraviolets UVC, résultant en des fragments brisés de molécules. Suite à ce processus, les molécules brisées peuvent maintenant être oxydées davantage pour achever leur combustion et réduire leur potentiel olfactif.

Cette oxydation peut être accomplie en utilisant un ultraviolet de plus haute énergie d’une longueur d’onde de 185 nm appelée UVV, où le deuxième V représente Vacuum. Les photons UVV ont une énergie de 645 kJ/mol, mais ne peuvent pas se propager dans le vide car la molécule de dioxygène dans l’air l’absorbe et se décompose en oxygène monoatomique. À la pression atmosphérique normale, les photons UVV sont presque totalement absorbés à moins de 5 mm d’une source UVV standard d’une lampe à quartz au mercure. Ces atomes d’oxygène libres générés par la lumière UVV sont alors capables de réagir et de compléter l’oxydation des molécules de goudron, de nicotine et de phénols décomposées.

Les produits finaux de ce processus de photo-oxydation sont alors des particules de cendres sèches non collantes qui peuvent maintenant être capturées par des filtres standard adéquats. De cette façon, les odeurs sont éliminées par le processus d’oxydation et les particules sèches résultantes sont éliminées par filtration.

Le dimensionnement approprié pour éviter de surdimensionner le système de photooxydation est de la plus haute importance. En l’absence de réaction, les atomes d’oxygène O* générés par les UVV* réagissent avec les molécules de dioxygène O2 pour produire de l’ozone O3, un autre composé indésirable. L’ozone n’est pas une molécule stable et se décompose naturellement en dioxygène normal à la température ambiante dans les 20 à 30 minutes suivant l’humidité relative. La limite OSHA pour une exposition de 8 heures est de 0,05 ppm d’ozone. Étant donné que le taux de génération et le taux de décomposition de l’ozone en l’absence de fumée ou d’autres contaminants volatils dans une pièce de taille donnée à une température ambiante, ainsi que les taux de ventilation, peuvent tous être calculés correctement, il est possible de dimensionner un système de photooxydation par ultraviolets qui ne dépassera jamais la limite de sécurité OSHA.

CONCLUSION

Cet article a décrit en détail la nature et la composition de la fumée de cigarette et les inconvénients inhérents à la filtration classique et aux filtres électrostatiques ou aux ioniseurs d’air. De nombreuses années d’études expérimentales fondées sur des calculs basés sur la composition chimique de la fumée de cigarette montrent que l’odeur de la fumée de cigarette ne peut être éliminée sans modifier la structure des molécules responsables des odeurs, qui sont essentiellement le goudron, la nicotine et les phénols. Outre l’incinération thermique, la photooxydation par ultraviolets s’est révélée être le moyen le plus efficace d’y parvenir en dégradant et en oxydant ces molécules. Leur oxydation rend les particules de fumée sèches et non collantes, ce qui en fait des candidats acceptables pour la filtration standard. Il faut prendre soin de bien concevoir le système de photooxydation par ultraviolets en ce qui concerne la taille de la pièce et les taux de ventilation, afin de maintenir l’ozone résiduel potentiel dans les limites de l’OSHA, lorsque la pièce traitée ne contient plus de fumée de tabac.

REMERCIEMENTS

L’auteur est reconnaissant à Francisco Doyon P.Eng. et Grégory Clément P.Eng. d’avoir partagé leurs données expérimentales sur l’effet des ioniseurs d’air sur la fumée de tabac ambiante à l’intérieur de pièces de taille variable.

Références

  1. C.N. Davies, Cigarette smoke: generation and properties of the aerosol, J.Aerosol Sci. Vol 19, No.4, pp463-469, 1988.
  2. Hays, Gobbell, Ganick, Indoor Air Quality, McGraw-Hill,1995, p.58.
  3. Spengler, Samet, McCarthhy, Indoor Air Quality Handbook. McGraw-Hill, 2001.
  4. UWaterloo, Bond Lengths and Energies. n.d. Web. 21 Nov 2010.
  5. http://www.science.uwaterloo.ca/~cch…20/bondel.html EPA. Reference Guide to Odor Thresholds for Hazardous Air Pollutants Listed in the Clean Air Act Ammendments of 1990.
  6. EPA/600/R-92/047, March 1992.

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Effets des UV germicides sur les matériaux plastiques

Par Normand Brais P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.

Introduction

Une grande partie de l’effet de la lumière solaire sur les matériaux a été attribuée au composant UV (IESNA 2000), qui peut décolorer certaines peintures murales, papiers peints et tentures (GE 1950). Certains matériaux peuvent avoir une réflectivité UV élevée, comme l’aluminium, ou une transmissivité élevée, comme le quartz qui absorbe très peu d’UV. L’absorption des UV en soi ne signifie pas nécessairement que les rayons UV peuvent être endommagés, car c’est la photochimie qui détermine les effets de la matière. L’absorption totale est donc un indicateur du potentiel de photodégradation des matériaux, tandis que la réflectivité peut indiquer des effets protecteurs.

Énergie des photos UV par rapport aux liaisons chimiques

Lorsque les polymères sont exposés à la lumière ultraviolette, c’est-à-dire une longueur d’onde de 100 à 400 nm, l’énergie des photons dépasse l’énergie de liaison des liaisons carbone dans le polymère ou bien l’énergie d’activation de la réaction chimique (Moreau et Viswanathan, 1976). La profondeur à laquelle la lumière ultraviolette pénètre dans le polymère crée une région d’absorption, où une réaction photochimique peut avoir lieu et où une photodégradation peut se produire. Étant donné que la transmissivité des rayons UV a tendance à être très faible pour la plupart des matériaux, même à des épaisseurs millimétriques, la plus grande partie de la photodégradation se produira à la surface immédiate d’un matériau, à une profondeur généralement inférieure à 0,01 à 0,1 millimètre. Pour les polymères les plus courants, la profondeur de pénétration des UV est typiquement d’environ 0,025 mm à 0,050 mm, c’est-à-dire 25 à 50 microns.

Dans la photodétérioration des peintures, des vernis et des textiles, le rendement quantique est inférieur de plusieurs ordres de grandeur à l’unité (Feller, 1994). Pour le blanchiment de certains colorants, le rendement quantique aurait été d’environ 0,002, ce qui signifie qu’un millier de photons doivent être absorbés avant que deux molécules ne soient blanchies. Des rendements quantiques aussi faibles que 0,0001 (10 000 photons par molécule) ont été rapportés pour la plupart des plastiques. Les plastiques purs de haute qualité sont relativement résistants aux UV, mais les impuretés et les solvants résiduels dans les plastiques de qualité inférieure sont principalement responsables de leur photodégradation rapide.

Le jaunissement des polymères résultant d’une exposition aux ultraviolets a tendance à se concentrer sur la surface immédiate. Le jaunissement de la surface a tendance à bloquer les UV et à protéger le plastique intérieur. La décoloration des pigments et des colorants peut être évaluée en termes de perte de concentration dans le temps (Feller, 1994). La profondeur de la décoloration est réduite par la présence de pigments de couleur. À mesure que la concentration de pigments augmente, la décoloration ou la décoloration diminue également.

Propriétés des plastiques et protection contre la dégradation

Treize propriétés différentes des plastiques peuvent être utilisées comme indicateurs de la photodégradation, notamment la coloration, la résistance à la traction, l’allongement, la dureté, le degré de polymérisation, l’absorbance infrarouge, etc. Les données expérimentales montrent comment la plupart de ces propriétés réagissent à une exposition prolongée aux ultraviolets. Ces données peuvent être efficacement modélisées à l’aide de courbes de décroissance exponentielle d’un ou de plusieurs ordres.

Les matériaux qui noircissent aux UV après exposition créent un mince film résistant aux UV sur les surfaces de polymères comme le PVC. Cela leur permettrait de développer une résistance à une exposition ultérieure aux UV (Owen 1976).

La dégradation photochimique des matériaux est une fonction dépendante de la dose qui ne dépend que du rendement quantique et du coefficient d’absorption molaire à la longueur d’onde d’irradiation (Bolton et Stefan, 2002). Elle décrit la susceptibilité d’un matériau à se dégrader sous l’exposition aux UV. Associé à cela, il y aurait une certaine distance limite, une épaisseur de film ou une profondeur de pénétration, à laquelle les UV pénétreraient

Sur la base de plusieurs décennies d’utilisation, l’expérience a montré que, à quelques exceptions près, les dommages causés par les UV ont tendance à rester superficiels et n’affectent généralement pas l’intégrité structurelle ou mécanique des composants en plastique épais. Pour les composants critiques tels que le revêtement isolant de fils électriques exposés, il est recommandé de recouvrir les fils de ruban d’aluminium ou de passer les fils à l’intérieur de gaines de protection rigides ou flexibles métalliques, conformément aux règles de l’art et aux normes électriques. Les caoutchoucs en général, tels que les courroies de moteur et les conduits utilisés dans le domaine du CVAC, ont prouvé leur capacité à très bien résister aux UV germicides au cours des 20 dernières années d’expérience cumulée sur le terrain.

La dégradation des rayons UV peut affecter les écrans de nombreux appareils électroniques en raison de la qualité du plastique utilisé et du film généralement très fin. Pour de tels dispositifs, la protection est facilement obtenue en installant une simple fenêtre en verre de 3 mm d’épaisseur sur l’écran. La transmitivité du verre amorphe standard approche de zéro pour une longueur d’onde inférieure à 370 nm.

Références

IESNA. 2000. Lighting Handbook: Reference & Application IESNA HB-9-2000. New York: Illumination Engineering Society of North America.

GE. 1950. Germicidal Lamps and Applications. USA: General Electric. Report nr SMA TAB: VIII-B.

Moreau W, Viswanathan N. 1976. Applications of Radiation Sensitive Polymer Systems. In: Labana SS, editor. Ultraviolet Light Induced Reactions in Polymers. Washington, DC: Ameri- can Chemical Society, pp. 107–134.

Feller RL. 1994. Accelerated Aging: Photochemical and Thermal Aspects. Institute TGC, editor.

Ann Arbor, MI: Edwards Bros.

Bolton J, Stefan M. 2002. Fundamental photochemical approach to the concepts of fluence (UV Dose) and electrical energy efficiency in photochemical degradation reactions. Res Chem Intermed 28(7–8):857–870.

Owen ED. 1976. Photodegradation of Polyvinyl chloride. In: Labana SS, editor. Ultraviolet Light Induced Reactions in Polymers. Washington, DC: American Chemical Society, pp. 208–219.