Emploi et caracteristiques d'un generateur d'aerosols monodisperses a disque tournant

Aerosol Science, 1971, Vol. 2, pp. 257 to 260. Pergamon P,'ess. Printed in Great Britain.

EMPLOI ET CARACTERISTIQUES D'UN GENERATEUR D'AEROSOLS MONODISPERSES A DISQUE TOURNANT* G. TARRONI CNEN, Laboratorio di Fisica Sanitaria, Via Mazzini 2, Bologna, Italy R6sum6----Le but de cette 6tude est la construction d'un g6n6rateur d'a6rosols monodispers~s de diam~tre inf6rieur au micron. Le g6n6rateur ici d6crit utilise le principe du disque tournant. Le choix d'un moteur a air comprim6 atteignant les hautes vitesses (jusqu'~t 390 000 tours/rain) permet la g6n6ration de particules jusqu'~ 0,1 t~. Une aspiration au bord du disque entraine les satellites et une dilution effectu6e ~ la distance de projection des gouttes principaies emp~che leur coagulation. On a ainsi une d6viation standard logarithmico-normale comprise entre 1,06 et 1,08 et qui est ind6pendante de la granulom6trie. La concentration obtenue est de l'ordre de 10 000 particules/cma. INTRODUCTION DANS LES &udes de laboratoire sur les a6rosols les dimensions inf6rieures au micron jouent un r61e de plus en plus important. C'est pourquoi l'6tude et la fabrication d'un g6n6rateur de particules monodispers6es utilisant un disque tournant ~t haute vitesse, ont 6t6 entreprises. Le principe de fonctionnement est le suivant ( W A L T O N and PREWETr, 1949; MAY, 1949; LIPPMANN and ALBERT, 1967): un filet liquide est envoy6 au centre d'un disque en rotation rapide; le liquide s'6tale sur la surface du disque en une couche mince uniforme au bord de laquelle sont d6tach6s par force centrifuge des filets qui se brisent au contact de 1'air environnant donnant ainsi naissance /t une goutte principale et ~ des gouttelettes secondaires appel6es satellites. Les gouttes sont projet6es ~, une distance qui est une fonction croissante quasi lin6aire des dimensions (MAY, 1949); cette propd6t6 peut ~tre utilis6e pour s6parer les gouttes principales des satellites. Une condition fondamentale ~ l'obtention des gouttes monodispers6es est que le liquide s'6tale uniform6ment sur toute la surface du disque. Celui-ci doit donc parfaitement mouiller le mat6riel: des exp6riences ont montr6 par exemple que pour l'acier, il ne fallait pas utiliser l'eau qui mouille imparfaitement mais des liquides organiques tels que le chloroforme, le xyl~ne et l'alcool 6thylique. I1 est 6galement n6cessaire que le disque soit parfaitement lisse, les irr6gularit6s de surface nuisant ~ la qualit6 de l'a6rosol. D E S C R I P T I O N DE L ' A P P A R E I L L A G E On a choisi un moteur ~ air comprim6 ~ haute vitesse dont le rotor est mont6 sur paliers gaz. Le disque est en acier ressort, qui r6siste mieux aux contraintes et ~ la fatigue; ses caract6ristiques sont les suivantes: arStes ~t 90 °, diam~tre 1,6 cm et poids 3,3 g. La vitesse de rotation est mesur6e en comptant les impulsions de lumi~re r6fl6chies sur une photodiode par un secteur du disque sur lequel on a vaporis6 une couche mince de cuivre; on a mesur6 par cette m&hode des vitesses allant de 233 000 tours/min sous une *Ce travail a 6t6 fait en pattie au Service Technique d'Etudes de Protection, Groupe A6rosols et Mines, du Commissariat ~ rEnergie Atomique, au Centre d'Etudes Nucl6aires de Fontenay-aux-Roses (France) pendant un stage d'6tude. 257

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pression d'alimentation de deux atmosphbres,/t 390 000 tours/min sous sept atmosph6res. La faible puissance du moteur justifie les petites dimensions du disque; en effet, un disque de poids 7,3 g ne tourne plus qu'h 140 000 tours/min. L'alimentation en air du moteur est de 25 l/min sous deux atmosph6res et 60 1/min sous sept atmospheres. Un cylindre, entourant la partie sup6rieure du moteur et se resserrant au niveau du disque pour ne laisser alors qu'un interstice d'un demi-millim~tre, fait fonction de collecteur de l'air d'6chappement du moteur. De telle sorte, l'air est s6par6 de la chambre de production de l'a6rosol, et est ensuite aspir6 par une pompe. La Fig. I repr6sente le montage qui vient d'etre d6crit. Entree

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propre Sortie oerosol

FIG,

1.

Sch6ma du g6n6rateur/l disque tournant.

Une aspiration suppl6mentaire de la pompe/t travers l'interstice entre disque et collecteur est n6cessaire pour emporter les satellites. L'air utilis6 pour cette operation et la dilution de l'a6rosol est amen6 par un conduit sup6rieur se terminant par une forme conique et ayant au centre, sur le disque, un c6ne qui envoie les filets fluides du bord du disque h la distance de projection des gouttes principales. Le flux d'air propre est ainsi p a r t a # en deux parties: l'une en passant au bord du disque emporte les satellites et est aspir6e par la pompe avec l'air d'6chappement du moteur, l'autre dilue l'a6rosol. Le rapport entre les deux d6bits est r6g16 par le taux d'aspiration de la pompe et dans une plus petite mesure par le d6bit d'entr6e de l'air. C A R A C T E R I S T I Q U E S DE L ' A E R O S O L

Les satellites, avant leur 61imination, sent 15 fois plus nombreux que les gouttes principales, leur diam&re repr6sente un cinqui6me du diam&re de celles-ci et leur masse totale est environ 20 pour cent de la masse totale des gouttes. Le flux d'air au bord du disque r6duit le nombre des satellites ~t moins de l pour cent des gouttes principales.

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I1 existe egalement des particules dont le volume est le double de celui des particules principales et representent en nombre environ 2 pour cent de celles-ci; une dilution supeieure & 5 1/min directement h la distance de projection des gouttes principales permet de reduire le nombre de ces particules/t moins de 1 pour cent et par consequent de les negliger. Leur origine est due probablement & la coagulation en phase liquide/l la distance de projection. En effet, leur nombre diminue sensiblement par dilution mais augmente (ainsi que le nombre de satellites) si des turbulences sont nees autour du disque. ka turbulence augmente donc la probabilit~ de coagulation et emp~che l'61imination reguliere des satellites. •Le meilleur debit de solution est compris entre 0,5 et 1 cm3/min. Aux debits plus 6!eves, on a une forte augmentation du hombre des satellites due au fait que la couche liquide deborde du disque en se fragmentant ensuite d'une faqon irreguli~re (DOMRROWSKI and FRASER, 1955); on peut remarquer dans ce casque la couronne circulaire des particules qui se forme & leur distance de projection, est tres irreguliere, ce qui indique une polydispersion de l'aerosol. Aux debits trop faibles, il se produit 6galement une augmentation de la polydispersion due alors au mouillage imparfait de la surface du disque. Un certain nombre d'essais ont 6t6 faits avec une solution de polystyrene dans du chloroforme, mais l'observation au microscope 61ectronique a permis de constater que les particules obtenues etaient formees d'un noyau liquide cntour6 d'une enveioppe solide, resultat de l'6vaporation trop rapide du chloroforme. Des essais successifs ont ere faits avec une solution de polystyrene dans du xyl6ne. Dans ce cas, les particules sont solides et spheriques ainsi que l'on peut le voir sur la Fig. 2 representant une photographie au microscope electronique de particules de 1,1 /zm et sur la Fig. 3 representant des particules de 0,095 t~m. Les dimensions des particules produites vont de 2/z &0,1 ff pour des dilutions de 1 "~ 10 .-4 pour cent et pour des vitesses de 233 000 & 390 000 tours/min. Toutefois, pour des dilutions inferieures b, 10-2 pour cent, il faut considerer les impuretes du solvant et celles provcnant des tuyaux. Les dimensions des particules produites sont plus grandes que celles prevucs par la

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FIG. 4.

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Sl~ctres typiques en nombre en papier probabilit6.

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formule de WALTON et PP,~WETT (1949), donnant le diam6tre en fonction de la vitesse de rotation. Elles s'en 61oignent de plus en plus avec l'augmentation de la vitesse, ce qui fait penser que la couche liquide glisse de plus en plus sur la surface du disque. La monodispersion de l'a6rosol est ind6pendante de la dimension. Les valeurs de la d6viation logarithmico-normale sont comprises entre 1,06 et 1,08. A ces valeurs de d6viation il y a aussi une contribution de la variation de vitesse de rotation du moteur produite par des variations de la pression de l'air comprim6 d'alimentation. Les valeurs des dimensions moyennes num6dques et de d6viation ont 6t6 d6termin6es par microscopie 61ectronique. La Fig. 4 montre deux spectres caract6ristiques trac6s sur papier probabilit6. La concentration de l'a6rosol/t la sortie de l'appareil est de l'ordre de 10 000 particules/ cm 3 avec un d6bit de 10 l/rain et un d6bit de solution de 0,5 cma/min. Le taux de production est de l'ordre de 10 a particules/min et le rendement, c'est-/t-dire le rapport entre le volume des particules produites et le volume de solut6, est environ 20 pour cent. En conclusion, nous ferons remarquer qu'une vitesse de rotation 61ev6e nous a permis d'atteindre une granulom6trie int6ressante (0,1 /~), l'a6rosol produit 6tant caract6ris6 par une d6viation standard logarithmico-normale de 1,06 ~ 1,08 et dont la concentration parait satisfaisante (10 000 particules/cma). Remerciements--L'auteur remercie MM. Pradel, Billard et Madelaine, du Service Technique d'Etudes de Protection du Commissariat ~t l'Enersie Atornique (France) pour lui avoir donn6 la possibilit6 de faire cette 6tude et M. de Zaiacomo pour l'assistance technique.

REFERENCES DOMagOWSKI,N. et Fx~.ASrm,R. P. (1955)Phil. Traas R. Soc. L o l l Ser. A, 247, 101. LIPPMANN,M. et Ax.mm'r,R. E. (1967)Am. Ind. Hyg. Ass. J. 28, 501. MAY,K. R. (1949)J. appL Phys. 20, 932. WALTON,W. H. et PP~wE'rr, W. C. (1949)Proc. Phys. Soc. B 62, 341.

FiG. 2.

Photographie au microscope 61ectronique de particules de 1, ltz.

FIG. 3.

Photographie au microscope 61ectronique de particules de 0,095p..