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

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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