Development of a device for Personal Sampling of Semi-volatile Aerosols by numerical simulation and experimental validation

Les aérosols de composés organiques semi-volatils (COSV) sont présents très fréquemment dans l'environnement de travail. Les substances semi-volatiles les plus connues sont les huiles de coupe, les fumées de bitume, les pesticides et l'acrylamide auxquelles plus d'un million de salariés sont exposés. Ces aérosols semi-volatils sont présents simultanément sous deux phases, la phase condensée (liquide ou solide) et la phase gazeuse. Plusieurs études toxicologiques ont montré un effet sur la santé différent entre la phase particulaire et la phase vapeur, car elles sont collectées selon des mécanismes et des localisations différents dans les voies respiratoires. L’évaluation de l’exposition des salariés aux COSV sur les lieux de travail nécessite donc de prélever et collecter séparément les deux phases particulaire et vapeur afin d’évaluer au mieux les risques pour leur santé. Cette thèse a pour objectif d'offrir la possibilité de prélever séparément les deux phases d’un aérosol semi-volatil sur les lieux de travail en respectant les contraintes actuelles du prélèvement individuel, tout en maîtrisant les biais liés aux capacités d’évaporation et de condensation de ce type de polluant. Pour répondre à cette problématique, nous avons, dans un premier temps, étudié de façon approfondie un dispositif développé par l’université de Minnesota et inspiré du principe d’impaction virtuelle, qu’est le Semi-volatile Aerosol Dichotomous Sampler (SADS). Constatant les limites et le potentiel de ce dispositif, nous avons, dans un second temps, développé un nouveau dispositif de Prélèvement Personnel des Aérosols Semi-volatils (PPAS), inspiré du SADS. Le PPAS permet de mesurer séparément la concentration massique des deux phases particulaire et vapeur d’un aérosol semi-volatil. Les performances du PPAS ont été évaluées par simulations numériques et validées par des tests expérimentaux en laboratoireAerosols of semi-volatile organic compounds (SVOCs) are present in the workplace. The best-known semi-volatile substances are cutting oils, bitumen fumes, pesticides and acrylamide to which more than one million employees are exposed. These semi-volatile aerosols are present simultaneously in two phases, the condensed phase (liquid or solid) and the gas phase. Several toxicological studies have shown a different health effect between the particulate phase and the vapour phase, as they are collected by different mechanisms and locations in the respiratory tract. The evaluation of the exposure of employees to SVOCs in the workplace therefore requires the separate sampling and collection of the two phases, particulate and vapour, in order to best assess the risks to their health. The aim of this thesis is to offer the possibility of separately sampling the two phases of a semi-volatile aerosol in the workplace while respecting the current constraints of individual sampling and controlling the biases related to the evaporation and condensation properties of this pollutant. To address this issue, we first studied in depth a device developed by the University of Minnesota and inspired by the principle of virtual impaction, the Semi-volatile Aerosol Dichotomous Sampler (SADS). Noting the limitations and potential of this device, we then developed a new device for Personal Sampling of Semi-volatile Aerosols (PSAS), inspired by the SADS. The PSAS allows measuring separately the mass concentration of both the particulate and vapour phases of a semi-volatile aerosol. The performance of the PPAS has been evaluated by numerical simulations and validated by experimental laboratory tests