Study of the water sorption phenomena on solid particles emitted during a fire : identification of the influencing physicochemical parameters

Au cours d’un incendie dans une installation nucléaire de base (INB), les filtres à très haute efficacité (THE) sont colmatés par un dépôt (ou « gâteau ») de suies (des agrégats de nanoparticules carbonées). L’effet de l’humidité, observée au niveau du gâteau de suies par la présence d’un condensat, n’est pas encore pris en compte dans les modèles de colmatage développés dans la communauté scientifique. Dans ce contexte, la présente étude vise à mieux comprendre le phénomène de sorption de l’eau sur les suies. Pour ce faire, des suies dites « analytiques » ont été produites avec différents combustibles isolés, ceci à différentes teneurs en dioxygène, et des suies « d’incendie » ont été produites à partir d’essais de feux à grande échelle, ceci à différentes ventilations et avec des combustibles réalistes (boîte à gants, câbles électriques, huile hydraulique). Les propriétés physico-chimiques de ces suies (morphologie, porosité, surface spécifique, composition chimique et élémentaire) ont été déterminées parallèlement à l’obtention des isothermes de sorption d’eau, pour des suies sous forme de pastilles et de poudres non tassées. Les paramètres obtenus avec le modèle Dubinin-Serpinski pour une première catégorie de suies hydrophobes ont permis de proposer une modélisation pertinente des isothermes caractéristiques des suies analytiques. Par ailleurs, les isothermes de sorption de l’eau sur des gâteaux de suies dites hydrophiles et essentiellement issues de combustibles et situations réelles d’incendie, ont été modélisées à l’aide de l’équation de D’Arcy et Watt (DW). Pour cette seconde catégorie de suies, les paramètres du modèle DW apparaissent relativement dispersés, comparés à ceux obtenus pour les suies analytiques. Cette relative dispersion s’explique par des propriétés très variables des suies d’incendie et notamment par la présence importante d’oxygène et d’halogènes (chlore, phosphore). Cette étude a donc permis de mettre en évidence une adsorption plus importante pour les suies d’incendie, conduisant à la condensation capillaire, cette dernière étant favorisée pour les suies sous forme de pastilles. In-fine, la composition chimique et élémentaire des suies apparaît ainsi comme le paramètre prépondérant du phénomène de sorption de l’eau sur les suiesDuring a fire in a nuclear plan, the high efficiency particle air (HEPA) filters are clogged by a deposit (or “cake”) of soot, the latter corresponding to carbonaceous nanoparticles aggregates. The effect of humidity, observed on the filters by the presence of condensed water, is still not considered in the clogging models developed in scientific community. In this context, the aim of this study consists on a better understanding of the water sorption on the soot. The experimental approach was first the production of “analytical” soot with different isolated fuels and at different dioxygen concentrations, and of “fire” soot at large scale with different ventilations and complex elements (glove boxes, electrical cables, hydraulic oil). The physicochemical properties (morphology, porosity, specific surface area, elemental and chemical composition) and the water sorption isotherms, for samples at compacted pellet and powder state, have been determined. The parameters from the model of Dubinin-Serpinski, obtained for a first class of hydrophobic soot, enabled to propose a relevant model, characteristic of the analytical soot. Furthermore, water sorption isotherms on soot cake, coming from realistic fires and fuels, have been modeled with the D’Arcy and Watt (DW) equation. For this second class of hydrophilic soot, the DW parameters appear relatively more dispersed. This relative dispersion is due to the different properties of the fire soot and especially to the presence of high amounts of oxygen and halogens (chlorine, phosphor). This study enabled to highlight a more significant water adsorption on fire soot, leading to the capillary condensation, which is favored for soot compacted into pellet. Soot chemical a and elemental composition appeared to be the most influencing parameter on water sorption phenomeno

Étude des phénomènes de sorption de l’eau sur des aérosols solides émis lors d’un incendie : identification des paramètres physico-chimiques d’influence

During a fire in a nuclear plan, the high efficiency particle air (HEPA) filters are clogged by a deposit (or “cake”) of soot, the latter corresponding to carbonaceous nanoparticles aggregates. The effect of humidity, observed on the filters by the presence of condensed water, is still not considered in the clogging models developed in scientific community. In this context, the aim of this study consists on a better understanding of the water sorption on the soot. The experimental approach was first the production of “analytical” soot with different isolated fuels and at different dioxygen concentrations, and of “fire” soot at large scale with different ventilations and complex elements (glove boxes, electrical cables, hydraulic oil). The physicochemical properties (morphology, porosity, specific surface area, elemental and chemical composition) and the water sorption isotherms, for samples at compacted pellet and powder state, have been determined. The parameters from the model of Dubinin-Serpinski, obtained for a first class of hydrophobic soot, enabled to propose a relevant model, characteristic of the analytical soot. Furthermore, water sorption isotherms on soot cake, coming from realistic fires and fuels, have been modeled with the D’Arcy and Watt (DW) equation. For this second class of hydrophilic soot, the DW parameters appear relatively more dispersed. This relative dispersion is due to the different properties of the fire soot and especially to the presence of high amounts of oxygen and halogens (chlorine, phosphor). This study enabled to highlight a more significant water adsorption on fire soot, leading to the capillary condensation, which is favored for soot compacted into pellet. Soot chemical a and elemental composition appeared to be the most influencing parameter on water sorption phenomenon.Au cours d’un incendie dans une installation nucléaire de base (INB), les filtres à très haute efficacité (THE) sont colmatés par un dépôt (ou « gâteau ») de suies (des agrégats de nanoparticules carbonées). L’effet de l’humidité, observée au niveau du gâteau de suies par la présence d’un condensat, n’est pas encore pris en compte dans les modèles de colmatage développés dans la communauté scientifique. Dans ce contexte, la présente étude vise à mieux comprendre le phénomène de sorption de l’eau sur les suies. Pour ce faire, des suies dites « analytiques » ont été produites avec différents combustibles isolés, ceci à différentes teneurs en dioxygène, et des suies « d’incendie » ont été produites à partir d’essais de feux à grande échelle, ceci à différentes ventilations et avec des combustibles réalistes (boîte à gants, câbles électriques, huile hydraulique). Les propriétés physico-chimiques de ces suies (morphologie, porosité, surface spécifique, composition chimique et élémentaire) ont été déterminées parallèlement à l’obtention des isothermes de sorption d’eau, pour des suies sous forme de pastilles et de poudres non tassées. Les paramètres obtenus avec le modèle Dubinin-Serpinski pour une première catégorie de suies hydrophobes ont permis de proposer une modélisation pertinente des isothermes caractéristiques des suies analytiques. Par ailleurs, les isothermes de sorption de l’eau sur des gâteaux de suies dites hydrophiles et essentiellement issues de combustibles et situations réelles d’incendie, ont été modélisées à l’aide de l’équation de D’Arcy et Watt (DW). Pour cette seconde catégorie de suies, les paramètres du modèle DW apparaissent relativement dispersés, comparés à ceux obtenus pour les suies analytiques. Cette relative dispersion s’explique par des propriétés très variables des suies d’incendie et notamment par la présence importante d’oxygène et d’halogènes (chlore, phosphore). Cette étude a donc permis de mettre en évidence une adsorption plus importante pour les suies d’incendie, conduisant à la condensation capillaire, cette dernière étant favorisée pour les suies sous forme de pastilles. In-fine, la composition chimique et élémentaire des suies apparaît ainsi comme le paramètre prépondérant du phénomène de sorption de l’eau sur les suies

Specific surface area of combustion emitted particles: Impact of primary particle diameter and organic content

International audienceSpecific surface areas of particles produced at small-scale diffusion flame burners and also in pilot and large-scale fires involving complex fuels are reported and compared. Specific surface area is determined by BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis and also according to previously developed approach relying on the primary sphere based on TEM (Tansmission Electron Microscopy) images analysis. True density is also determined and the respective influences of primary particle diameter (Dpp) and organic carbon to total carbon ratio (OC/TC) are discussed. For samples containing low and moderate OC content (less than 20%), a good agreement is reported, confirming the significant influence of primary particle diameter and the relevance of a purely geometrical description of the surface specific area of soot particles. For larger OC/TC, such approach fails to predict the particles specific surface area within a reasonable confidence interval

Specific surface area of combustion emitted particles: Impact of primary particle diameter and organic content

International audienceSpecific surface areas of particles produced at small-scale diffusion flame burners and also in pilot and large-scale fires involving complex fuels are reported and compared. Specific surface area is determined by BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis and also according to previously developed approach relying on the primary sphere based on TEM (Tansmission Electron Microscopy) images analysis. True density is also determined and the respective influences of primary particle diameter (Dpp) and organic carbon to total carbon ratio (OC/TC) are discussed. For samples containing low and moderate OC content (less than 20%), a good agreement is reported, confirming the significant influence of primary particle diameter and the relevance of a purely geometrical description of the surface specific area of soot particles. For larger OC/TC, such approach fails to predict the particles specific surface area within a reasonable confidence interval

Quantification and prediction of water uptake by soot deposited on ventilation filters during fire events

International audienceSoot samples from different fuels were produced in small and pilot combustion test benches at various O2 concentrations, and were then characterized in terms of primary particle diameter, specific surface area and oxygen content/speciation. Water sorption measurements were then carried out for soot compacted into pellet form and in powder form, using both a gravimetric microbalance and a manometric analyser. Water adsorption isotherms are all found to be Type V, and reveal the central role of the specific surface area and the oxygen content of soot. A single parametrization of the second Dubinin-Serpinsky model gives a proper fit for all isotherms. To the best of our knowledge, this is the first study to provide physico-chemical parameters and water sorption results for fire soot. This enables a better description of the soot cake formed on filters during a fire, in particular in industrial confined facilities as simulated in this study. Humidity can be then explicitly considered in the same way as other parameters influencing the aeraulic resistance of soot cakes. These results can be used to improve predictions of the consequences of fires on the containment of toxic materials within industrial facilities

A semi-automatic analysis tool for the determination of primary particle size, overlap coefficient and specific surface area of nanoparticles aggregates

International audienc