Je propose ici le design d'un purificateur d'air contre le virus SARS COV2 (Covid 19), basé sur l'irradiation de l'air en circuit fermé par des UV C (254 nm). Le but est de réduire le risque de contagion lors de réunions familiales en milieu clos. ----- Avant toute chose, aller voir le chapitre "Points importants avant utilisation" -------
Difficulté
Moyen
Durée
8 jour(s)
Catégories
Bien-être & Santé
Coût
300 EUR (€)
Sommaire
- 1 Introduction
- 2 Étape 1 - La désinfection par UV C
- 3 Étape 2 - Les éléments clefs du design
- 4 Étape 3 - Description du purificateur à UV C
- 5 Étape 4 - Détermination de la dose UV C nécessaire
- 6 Étape 5 - Calcul de la dose UV C produite dans la chambre d'irradiation
- 7 Étape 6 - Performances attendues
- 8 Étape 7 - Points importants avant utilisation
- 9 Étape 8 - Conclusion
- 10 Commentaires
Introduction
En cette époque de Covid 19, je crois qu’on a tous recherché des idées « à portée de bricoleur » pour réduire le risque de contagion. Pour ma part, pensant aux futures fêtes de fin d’année qui auront lieu en milieu fermé, j’ai pensé à un système de désinfection de l’air pour inactiver les virus qui pourraient se trouver dans les aérosols (gouttelettes très fines en suspension dans l'air) produits par une éventuelle personne contaminée. Si on ne fait rien, ces aérosols seront respirés pendant des heures par les autres convives qui seront probablement contaminés. Le plus simple bien sûr est d’aérer abondamment la salle plusieurs fois par heure…si on ne craint pas le froid de l’hiver… Ou alors on peut utiliser le système de désinfection que je propose.
La photo de ce qui ressemble à une cheminée d’usine en suggère le principe : L’air est aspiré par les fentes situées à la base puis il est fortement irradié par des UV C (254 nm) dans une boîte à lumière et finalement soufflé, totalement désinfecté, vers le plafond de la pièce à travers un tube vertical. Le débit de chaque tube est de 300 m3/H, ce qui permet de traiter le volume d’une pièce de 75 m3 en 15 minutes (ce point sera détaillé plus bas car c’est un peu plus subtil…).
Nota : L’irradiation se passe en milieu fermé tout simplement parce que les UV C sont dangereux pour la peau et les yeux des personnes présentes dans la salle. Donc, seuls les aérosols sont traités en milieu fermé, négligeant les postillons et les surfaces contaminées. Ne pas oublier les autres gestes barrières (distance et lavage des mains).
Matériaux
Outils
Étape 1 - La désinfection par UV C
L'action germicide des UV C est utilisée depuis longtemps dans les hôpitaux et dans l'industrie agroalimentaire. Les illustrations en montrent quelques aspects:
Photo1: Colonne de désinfection utilisée pour désinfecter les surfaces d'une salle hors de la présence de personnes (Les UV C sont dangereux pour la peau et les yeux)
Photo 2: Désinfection de surfaces par un opérateur protégé contre les UV C (combinaison, lunettes).
Photo 3: Plafonnier pour désinfecter l'air du plafond d'une salle de manière directive, tout en préservant les personnes présentes.
Photo 4: Armoire de désinfection de matériel médical.
Photo 5: Désinfection de l'air dans les canalisations de climatisations. Notre design appartient à cette catégorie.
Les liens suivants en détaillent quelques aspects:
https://www.lighting.philips.fr/produits/uv-c#footnote
https://titansecurite.com/fr/uv-desinfection/
https://media.ies.org/docs/standards/IES-CR-2-20-V1-6d.pdf
Étape 2 - Les éléments clefs du design
Les quelques liens donnés plus haut font état de plusieurs méthodes que l'on peut distinguer par les longueurs d'onde utilisées et par la façon d'irradier l'air que l'on veut désinfecter.
Choix des longueurs d'onde:
Les longueurs d'onde des UV C s'étendent de 200 nm à 300 nm.
Pour la destruction des virus, c'est leur ADN qu'il faut atteindre. D'après un document trouvé sur le site de Philips consacré à la désinfection UV, il semble que ce soit vers 260 nm que la sensibilité de l'ADN à l'irradiation soit la plus grande. Différentes sources existent pour produire des radiations autour de cet optimum de sensibilité.
Les sources généralement utilisées sont des tubes à décharge, comme les tubes Néon, mais dans lesquels le Néon a été remplacé par des vapeurs de mercure. Ces tubes produisent une radiation centrée sur 254 nm qui est un raie de l'atome du mercure. Ces sources sont utilisées depuis longtemps dans l'industrie agro-alimentaire et les hôpitaux.
A côté de ce type de source commencent à apparaître des LED dont les longueurs d'onde sont généralement supérieures à 260 nm. Leur puissance est inférieure à celle des tubes mercure.
Le dernier type de sources (sources excimères) produit des radiations précisément centrées à 222 nm. Ici il y a un intérêt très grand car à cette longueur d'onde les expériences ont montré à la fois un effet virucide et une innocuité pour les humains, contrairement aux autres radiations. Ce seraient des sources idéales car elles assainissent l'air et les surfaces en présence de personnes. Malheureusement ces sources ne sont pas encore couramment commercialisées et de plus elles sont chères.
En conclusion, pour notre purificateur nous allons retenir les tubes classiques à 254 nm.
Choix du mode d'irradiation:
Comme souligné dans tous les documents sur la désinfection UV @254 nm, il n'est pas possible d'irradier à la fois l'air d'une pièce ainsi que les surfaces en présence de personnes, à cause du risque des cancers de la peau et des cataractes.
Toutefois, certaines entreprises de désinfection admettent que l'on peut irradier des surfaces (partie supérieure des murs, plafonds) en présence de personnes, à condition que ces personnes ne soient jamais atteintes par des radiations directes. Ils admettent donc que la réflexion sur les surfaces absorbent fortement les UV C. D'après ces entreprises, ces contraintes d'installation sont largement contrebalancées par l'efficacité, car de larges volumes d'air sont en permanence soumis aux radiations. Ils insistent cependant sur le fait que l'installation doit être faite par des professionnels qui vérifient l'état radiatif après installation, ce que nous n'avons pas les moyens de faire, faute de radiomètre UV C.
En conclusion, la seule option restante est donc d'irradier à 254 nm uniquement l'air contenant les aérosols en les faisant circuler dans une chambre d'irradiation fermée.
Choix de la localisation du purificateur:
Aspirer près de la source ? (https://wikifab.org/images/thumb/4/45/Purificateur_d_air_anti-Covid_SetupHotte_10.jpg/800px-Purificateur_d_air_anti-Covid_SetupHotte_10.jpg)
Étape 3 - Description du purificateur à UV C
Photo 1: Les différents éléments sont organisés à l'intérieur d'un tube de 250 mm de diamètre et de 900 mm de hauteur.
Photo 2: Le tube extérieur retiré laisse apparaître la chambre d'irradiation en tôle aluminium d'épaisseur 0.5 mm. Ces tôles s'achètent dans des magasins de bricolage. Veiller à ce que la surface miroir soit protégée par un film retirable.
Photo 3 et photo 4: L'intérieur de la chambre d'irradiation est une surface miroir
Photo 5: La turbine souffle l'air aspiré dans la chambre d'irradiation avec un débit de 300 m3 / h. Sous la turbine on voit le ballast nécessaire pour le fonctionnement des tubes à décharge. Ce ballast est caché par un baffle noir afin d'absorber les fuites UV au travers de la turbine. (https://www.hydrozone.fr/extracteurs-1-vitesse/4377-axial-flux.html)
Photo 6: Les deux tubes UVC de 60 W électriques fournissent chacun 19 Watts de radiations UV à 254 nm (https://www.francelampes.com/fr/uva-uvb-uvc/745-2g11-lampe-compacte-l-60w-tuv-germicide-uvc-philips-8711500710345.html)
Étape 4 - Détermination de la dose UV C nécessaire
Il s'agit de déterminer la dose en Joules / m2 avec laquelle il faut irradier le virus dans un aérosol afin de le désactiver. Cette dose en Joules / m2 correspond fondamentalement à un nombre de photons par m2 reçus par la cible à traiter. Ces photons UV très énergétiques bombardent les virus et cassent les liaisons chimiques de leur ADN, les rendant incapables d'infecter nos cellules.
Ces recherches des doses inactivantes ont été menées en laboratoire en irradiant des échantillons de virus dans des aérosols avec différentes doses et en mesurant le nombre de cellules test infectées par les échantillons irradiés.
Ces recherches menées sur le SARS COV 2 (Covid 19) avec des UV C @254 nm ne sont pas encore très nombreuses.
J'ai pu cependant trouver deux publications qui semblent sérieuses:
- une publication de Nature qui donne des valeurs de dose pour les aérosols, mais qui concernent des virus voisins du SARS Cov 2 à la longueur d'onde de 222 nm (https://www.nature.com/articles/s41598-020-67211-2.pdf)
- une valeur de dose donnée sur le site de Philips à 254 nm pour le SARS Cov 2, mais pour des surfaces (https://www.lighting.philips.fr/produi 2ts/uv-c#footnote)
En combinant les deux et en prenant des marges, on aboutit à une dose nécessaire de 50 Joules / m2. (Purificateur_d_air_anti-Covid_CalculsDose.pdf)
C'est cette dose qui est utilisée pour dimensionner la chambre d'irradiation.
Étape 5 - Calcul de la dose UV C produite dans la chambre d'irradiation
Le calcul de la dose produite par les deux tubes de 19 Watts UV C chacun (photo 1) est expliqué ici:
Purificateur_d_air_anti-Covid_CalculsChambreIrradiation_revue.pdf
Cette dose n'est pas du tout uniforme suivant que l'on est au centre et au bord (figure 2). Au centre on a des valeurs de l'ordre de 500 Joules / m2 alors qu'au bord le niveau est d'environ 140Joule s / m2.
Quoi qu'il en soit toutes ces doses sont bien supérieures au minimum requis de 50 Joules/m2.
Notons que le réflecteur cylindrique en aluminium apporte un gain notable grâce aux réflexions multiples. La réflectivité totale (spéculaire + diffuse) de l'aluminium utilisé est meilleure que 65%. Le gain d'efficacité par rapport à une surface totalement absorbante est d'environ 2.8 (voir document calcul).
Étape 6 - Performances attendues
Les calculs des concentrations et des quantité de virus respirées sont détaillés ici: Purificateur_d_air_anti-Covid_CalculsConcentrations.pdf
Ces calculs sont nécessaires pour appréhender clairement l'action des purificateurs. La comparaison du débit de traitement avec le volume de la pièce est une indication intéressante mais pas suffisante pour appréhender la dynamique des phénomènes.
Photo 1: On y voit l'évolution des concentrations pour deux volumes de salles (75 et 150 m3) et trois débits différents (0, 300 et 600 m3/H). Si on ne fait rien, la concentration de virus croît linéairement avec le temps. Le traitement par les purificateurs limite très rapidement cette croissance en une asymptote dont le niveau est inversement proportionnel au débit du traitement.
Photo 2: On y voit l'évolution des virus respirés pour deux volumes de salles (75 et 150 m3) et trois débits différents (0, 300 et 600 m3/H). Si on ne fait rien, la quantité de virus respirés croit comme le carré du temps passé. Le traitement par les purificateurs limite très vite cette croissance qui se réduit à une croissance linéaire. On note que la vitesse d'ingestion du virus ne dépend plus de la taille de la salle mais seulement du débit de traitement.
Photo 3: On y voit l'évolution de la réduction de la quantité de virus respirés (réduction du risque) en fonction du temps dans une salle de 150 m3 et pour deux débits différents (300 et 600 m3/H). On peut noter que l'intérêt est le plus grand lorsque l'on doit passer du temps dans une petite salle.
Étape 7 - Points importants avant utilisation
Quels risques y a -t il à utiliser ce type de purificateur ?
- Le premier risque est que ça ne marche pas correctement et que les aérosols non traités contaminent les convives.
- Le deuxième risque est que des Composés Organiques Volatils (COV) présents dans l'air soient transformés par photochimie en composés plus dangereux que les COV eux-mêmes.
Ces risques, et d'autres encore inconnus, restent sous la responsabilité de celui qui prend l'initiative de fabriquer ces purificateurs d'air.
Faut-il utiliser un ventilateur pour diluer les aérosols ?
Les calculs de performances ont été faits en supposant que les aérosols produits par une personne contaminée étaient immédiatement dilués dans tout le volume de la salle. Ces aérosols sont respirés par toutes les autres personnes mais sous forme très diluée. L'utilisation d'un petit ventilateur dirigé sur les convives autour d'une table permettrait de dissiper au plus vite d'éventuelles volutes d'aérosols (penser à la fumée de cigarettes) dans toute la salle.
Étape 8 - Conclusion
En conclusion, ces purificateurs d'air sont très utiles lorsque un groupe de personnes doit se réunir pendant plusieurs heures, comme dans les réunions familiales.
Dans ce cas en effet, si on ne fait rien en présence d'une personne contaminée produisant des aérosols, les autres personnes risquent fortement d'être contaminées par les aérosols qui pénètrent profondément dans les poumons. De plus, les personnes vont inspirer des doses de virus en fonction du carré du temps passé.
En comparaison, l'utilisation des purificateurs avec les débits de 300 à 600 m3/H permet de réduire le nombre de virus inspirés par un facteur de 5 à 10 au bout de 3 Heures de temps. De plus la quantité de virus inspirés augmente linéairement avec le temps et non plus comme le carré du temps passé.
Notons enfin que ces purificateurs sont utiles particulièrement en cette période de Covid, mais qu'ils seront toujours utiles pour d'autres virus comme ceux des rhumes ou des grippes, qui bien que moins dangereux, provoquent tout de même des dépenses de sécurité sociale.
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