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Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2022

Langue

Anglais

Résumé

L'exposition à des composés organiques volatils (COV) dans les lieux de travail peut avoir des effets aigus, notamment sous forme d'irritation de la peau, des yeux, de la bouche et du nez. Certains produits peuvent également provoquer des effets chroniques, comme l'asthme et le cancer. La prévention de tels effets nocifs sur la santé des travailleurs par l'adoption et la mise en œuvre de mesures visant à en éliminer ou à tout le moins réduire le risque s'avère importante. Parmi les approches développées à ce jour pour réduire l'exposition aux polluants de l'air intérieur – dont les COV –, la ventilation demeure la technique la plus classique et la plus répandue. Pendant la ventilation, l'air extérieur est introduit dans l'environnement intérieur et mêlé à l'air intérieur afin d’y réduire la concentration en COV. Dans une approche conçue pour optimiser les coûts en énergie du chauffage et du refroidissement, une partie de l'air contaminé repris est aspirée dans le système de ventilation et recirculée dans les locaux. Les systèmes de ventilation sont alors pourvus d'un système de purification de l'air pour éliminer les contaminants dans l'air recyclé. L'utilisation de systèmes de purification de l'air à adsorption conventionnels, notamment à base de charbon actif, pour éliminer les contaminants gazeux nécessite un entretien de qualité et un remplacement régulier des médias. De nouvelles technologies de purification de l'air par oxydation, notamment par oxydation photocatalytique et à base de plasma non thermique, sont maintenant disponibles pour les systèmes de ventilation générale. Ces technologies peuvent présenter une plus grande efficacité énergétique et nécessiter moins d'entretien du fait que les systèmes qui en sont dotés fonctionnent de façon continue dans des conditions idéales, sans que l'accumulation de polluants risque d'affecter leur performance. Il n'existe toutefois aucun protocole normalisé pour évaluer l'efficacité de ces nouvelles technologies.

Le présent projet portait sur l'élaboration d'un protocole d'évaluation en laboratoire des systèmes d'épuration de l'air intégrés aux systèmes de ventilation en utilisant un procédé d'oxydation comme principal mécanisme d'élimination des polluants sous forme de gaz ou de vapeur. Des tests dynamiques à une seule passe ont été réalisés sur une plateforme d'essai comportant quatre conduits identiques pourvus de régulateurs de débit individuels. Cette installation permettait l'évaluation simultanée de quatre systèmes d'épuration de l'air différents dans des conditions identiques. Trois technologies de purification de l'air par oxydation ont été retenues : l'oxydation photocatalytique (OPC), le plasma non thermique (PNT) et l'ozonation (O3). La première étape a consisté à tester l'installation pour s'assurer d'obtenir des résultats reproductibles. La deuxième étape a consisté à analyser simultanément les trois technologies dans différentes conditions afin d'en déterminer les capacités et d'élaborer un protocole d'évaluation du potentiel de purification de l'air des systèmes. Le protocole mis au point dans cette étude a ensuite été examiné à l'aide d'une installation à grande échelle conforme à la norme 145.2-2016 de l'ANSI/ASHRAE.

Une fois la méthode d'essai évaluée au moyen de tests de répétabilité, 18 configurations d'unités de purification de l'air par oxydation ont été testées sur la plateforme à 4 conduits. L'ensemble comportait 12 unités d'OPC commerciales différentes, une unité d'OPC pilote interne, 3 unités à plasma et 2 unités d'ozonation (respectivement de 430 et 1300 ppb d'ozone). Seize des unités ont été testées pour évaluer leur capacité à éliminer 0,1 ppm de méthyléthylcétone (MEC), et leur efficacité d'élimination en une seule passe variait de 0 à 37 %. L'ozonation et l'OPC au moyen de lampes UV sous vide génératrices d'ozone affichaient globalement une efficacité supérieure à celle de l'OPC au moyen de lampes UVC non génératrices d'ozone ou des unités à plasma. Les sous-produits d'oxydation détectés lors des essais au MEC étaient le formaldéhyde, l'acétaldéhyde et l'acétone. Les systèmes à OPC avaient tendance à générer plus de sous-produits. Compte tenu de ces résultats d'essai, quatre unités faisant appel à des technologies différentes ont été sélectionnées : OPC-A (pure technologie OPC), OPC-A1 (combinaison OPC et ozonation), O3-A (ozonation) et PNT-A ou PNT-C (plasma).

Les quatre unités sélectionnées ont ensuite été testées pour évaluer leur capacité à éliminer le toluène à différentes vitesses d'écoulement de l'air. L'augmentation de la vitesse d'écoulement de l'air réduit le temps de séjour nécessaire aux réactions d'oxydation entre les contaminants de l'air et les agents oxydants générés par les systèmes de purification de l'air. Par conséquent, l'augmentation de la vitesse d'écoulement de l'air a eu pour effet de réduire l'efficacité d'élimination. Aucune tendance nette n'a toutefois été observée quant aux taux de génération de sous-produits. On a par ailleurs constaté que la performance des technologies d'OPC-A1 et d'O3-A était plus sensible aux variations de la vitesse d'écoulement de l'air.

Les unités sélectionnées ont été testées à l'égard de 6 COV : l'hexane normal, l'octane normal, le toluène, l'o-xylène, le styrène et l'isobutanol. Les résultats d'essais ont révélé que l'efficacité d'élimination et le profil de génération de sous-produits d'une unité de purification de l'air différaient sensiblement selon le COV à tester. L'efficacité d'élimination du styrène et de l'isobutanol était plus élevée pour tous les appareils étant donné que ces composés présentent des constantes de vitesse de réaction plus élevées avec le radical hydroxyle, qui est le principal agent oxydant dans les technologies d'épuration de l'air retenues. Par rapport aux autres COV, l'efficacité d'élimination du styrène et de l'isobutanol était plus sensible à l'unité de purification de l'air utilisée. En conséquence, pour déterminer quel système de purification de l'air élimine le plus efficacement les COV, le styrène et l'isobutanol pourraient s'avérer les polluants de l'air les plus pertinents à tester. Néanmoins, le styrène interférait manifestement avec la surveillance de l'ozone, de sorte qu'il a été exclu.

L'effet de la concentration de gaz à tester dans la plage de 0,05 à 2,00 ppm et du taux d'humidité relative dans la plage de 20 à 60 % a également été étudié pour l'isobutanol, le toluène et l'o-xylène. Une réduction rapide de l'efficacité d'élimination en présence de concentrations sub-ppm indique qu'il ne convient pas d'appliquer des concentrations d'essai élevées pour accélérer l'évaluation des appareils de purification de l'air. On a également observé que la performance des systèmes de purification de l'air par oxydation avait tendance à être plus sensible aux taux d'humidité relative (HR) inférieurs à 40 % ; il en découle que les faibles conditions d'humidité relative doivent être évitées comme conditions d'essai standard. Certains des systèmes d'OPC sélectionnés ont été testés quant à leur capacité à éliminer l'ozone, et les systèmes d'OPC commerciaux se sont révélés peu efficaces à cet égard.

À la lumière des résultats d'essais, un protocole de test recommandé a été mis au point en misant sur des évaluations de performance multifacette fondées sur deux niveaux de test différents (l'un applicable à la qualité de l'air intérieur, et l'autre, à un environnement industriel légèrement pollué), la génération de sous-produits et l'effet des résidus sur la qualité de l'air. Le protocole de test mis au point pour les essais à grande échelle a ensuite été appliqué à 14 unités commerciales de purification de l'air des conduits de ventilation selon les conditions d'essai recommandées : 7 unités d'OPC, 3 unités combinant OPC et média d'adsorption, 2 unités à PNT et 2 unités d'ozonation. Les résultats d'essais indiquent que le protocole de test proposé permet de dégager diverses caractéristiques de la performance des différents systèmes, sauf dans le cas des unités à PNT, qui ont affiché une piètre performance tout au long de l'étude.

Compte tenu des importantes variations en ce qui concerne l'efficacité des systèmes de purification de l'air par oxydation et leur génération de sous-produits toxiques, le développement d'une méthode d'essai normalisée adéquate s'avère urgent. Le protocole de test élaboré dans le cadre de ce projet peut servir de point de départ à cette fin, ou encore de méthode d'essai provisoire. Les unités commerciales à plasma non thermique testées dans cette étude ont affiché une piètre performance, ce qui exige un examen plus poussé. Les résultats d'essais indiquent que l'efficacité des épurateurs de sous-produits doit également être étudiée de façon plus approfondie afin d'optimiser la conception des systèmes de purification de l'air.

Abstract

Exposure to volatile organic compounds (VOC) in workplaces can cause acute effects such as irritation of the skin, the eyes, the mouth, and the nose. Some products may also cause chronic effects including asthma and cancer. Preventing these adverse effects on the health of workers through the adoption and implementation of measures to eliminate or to at least reduce the risk is important. Among the approaches developed so far to reduce the exposure to indoor air pollutants (e.g. VOCs), ventilation is the most conventional and applied technique. During ventilation, the outdoor air is brought into the indoor environment and mixed with the indoor air to lower the concentration of VOCs. In an approach to optimize energy costs for heating and cooling, part of contaminated return air is sucked into the ventilation system and is recirculated in the premises. Ventilation systems are then provided with a system of air purification to remove contaminants in the recirculated air. For removing gaseous contaminants, the use of traditional adsorption-based air cleaning systems such as activated carbon requires quality maintenance and regular media changes. New oxidation-based purification technologies, such as photocatalytic oxidation and non-thermal plasma, are now available for general ventilation systems. Such technologies can be more energy efficient and may require less maintenance because these systems work continuously in ideal conditions without the accumulation of pollutants affecting their performance. However, there is no standardized protocol to evaluate the effectiveness of these new technologies.

This project aimed at the development of a laboratory evaluation protocol for air purification systems that are directly applied in ventilation systems, using an oxidation process as the main removal mechanism of pollutants in gaseous or vapor form. Dynamic single pass tests were conducted in a test rig which consisted of four identical test ducts with individual flow control. This setup allowed for the simultaneous evaluation of four different air purification systems under identical conditions. Three oxidation-based air cleaning technologies were considered: photocatalytic oxidation (PCO), non-thermal plasma (NTP), and ozonation (O3). The first step was to test the installation to ensure to obtain reproducible results. The second step was to analyze the three technologies simultaneously under various conditions to understand their capacity and to develop a protocol for testing the systems’ air purification capability. The protocol developed in this study was then examined using a full-scale setup complying with the ANSI/ASHRAE Standard 145.2-2016.

Once the test method was examined through repeatability tests, 18 different configurations of oxidation-based air cleaning units were tested in the 4-duct test rig. These include 12 different commercial PCO units, one in-house pilot PCO, 3 plasma and 2 ozonation units (i.e., 430 ppb and 1300 ppb of ozone). Sixteen of them were tested for the removal of 0.1 ppm methyl ethyl ketone (MEK) and their single pass removal efficiency varied from 0 to 37%. Ozonation and PCO using ozone generating vacuum UV lamps generally showed higher efficiency than PCO with non-ozone generating UVC lamps or plasma units. Formaldehyde, acetaldehyde, and acetone were the oxidation by-products detected in MEK testing. PCO-based systems tended to generate more by-products. Based on this test outcome, four units using different technologies were selected: PCO-A for pure PCO technology, PCO-A1 for a combination of PCO and ozonation technologies, O3-A for ozonation, and NTP-A (or NTP-C) for plasma.

The selected four units were then tested for toluene removal at different air velocities. Increasing air velocity reduces the residence time required for oxidation reactions between air contaminants and oxidizing agents generated by the air cleaning systems. Therefore, increasing air velocity showed a decrease in removal efficiency. However, no clear trends were observed in by-product generation rates. It was also found that the performance of PCO-A1 and O3-A technologies was more sensitive to air velocity changes.

The selected units were tested for 6 different VOCs: n-hexane, n-octane, toluene, o-xylene, styrene, and iso-butanol. The test results showed that the removal efficiency and by-product generation patterns of an air-cleaning unit differed substantially depending on the challenge VOC. Styrene and iso-butanol removal efficiency were higher in all devices because they have higher rate constants for the reaction with hydroxyl radical, which is the main oxidizing agent in the considered air cleaning technologies. In comparison to the other VOCs, the removal efficiency of styrene and iso-butanol was more sensitive to the employed air cleaning unit. Therefore, in order to pinpoint which air cleaning system is more effective in removing VOCs, styrene, and iso-butanol could be more ideal as challenge air pollutants. On the other hand, styrene showed a clear interference in ozone monitoring, so it was ruled out.

The effects of challenge gas concentrations in the range of 0.05 to 2 ppm and relative humidity levels between 20 and 60% were also studied for iso-butanol, toluene, and o-xylene. The rapid decrease of removal efficiency in sub-ppm levels indicates that applying high challenge concentration to accelerate air cleaner testing is not suitable. It was also observed that the performances of oxidation-based air cleaning systems tend to be more sensitive to humidity under 40% RH; hence, low humidity conditions should be avoided as the standard test condition. In addition, some selected PCO systems were tested for ozone removal, and commercial PCO systems showed poor ozone removal efficiency.

Based on the test results, a recommended test protocol was developed by aiming at multifaceted performance evaluations considering two different challenge levels (for indoor air quality application and lightly polluted industrial setup), by-product generation, and the effects of residue on air quality. The developed test protocol for full-scale testing has then been applied in 14 commercial in-duct air cleaning units under the recommended test conditions: 7 PCO units, 3 units combining PCO and adsorption media, 2 NTP units, and 2 ozonation units. The test results indicate that the proposed test protocol can capture different characteristics in the performance of the different systems except for the NTP units, which showed a poor performance throughout the study.

Considering large variations in the efficiency of oxidation-based air cleaning systems and their toxic by-product generation, developing a proper standard test method is urgent. The developed test protocol can serve as a starting point or as an interim test method. Commercial non-thermal plasma units tested in this study showed poor performance, which needs to be further investigated. The test results indicate that the efficacy of by-product scrubbers needs to be studied more for optimum design of air cleaning systems.

ISBN

9782897971151

Mots-clés

Substance toxique, Toxic substance, Gaz toxique, Toxic gas, Système de ventilation, Ventilation system, Échantillonnage et analyse, Sampling and analysis, Oxydation, Oxidation, Méthodologie, Methodology, Air intérieur, Indoor air

Numéro de projet IRSST

2013-0062

Numéro de publication IRSST

R-1080

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