ISO 29904:2013
(Main)Fire chemistry — Generation and measurement of aerosols
Fire chemistry — Generation and measurement of aerosols
ISO 29904:2013 provides a guide to the generation of aerosol particles in fires, defines apparatus and procedures for the sampling and measurement of aerosols, and provides procedures for the interpretation and reporting of the data. It is intended to assist fire test designers and those making measurements at unwanted fires to choose and use appropriate methods for aerosol measurement for differing hazards to people and the environment. ISO 29904:2013 identifies the scope, applicability, and limitations of each method. The interpretation of the data from these measurements is strongly dependent on the end use of the data. Fire-generated aerosols may present a direct risk of restricting escape from fire by obscuring an exit route, or they may produce chronic health and environmental hazards from chemical compounds contained in the aerosol (for example, toxic chemicals like polycyclic aromatic hydrocarbons in soot or radionuclides form nuclear plant fires.) Aerosol particles may be inhaled to various depths in the lungs, depending on their size and density, or may be released into the environment and deposited on land and in watercourses. In particular, it addresses the following aspects of aerosol generation and measurement in fires: Adsorbed/dissolved gas or vapour phase species; Physical mechanisms involved in the transport of aerosols, dispersal in the fire plume, coagulation/agglomeration leading to variation in particle sizes and fractions, "thermophoresis" (main cause of soot deposition), "diffusiophoresis" and, sedimentation. The interactions between gases and vapours and aerosol: adsorption and removal of species from gas phase, transportation of adsorbed gases into the lungs; Sampling and measurement methods, including their principles of operation, method description, the data provided, and in each case their scope, field of application, advantages and disadvantages; Metrology of the measurement methods, and in the generation of "standard aerosols", and the related uncertainties; Physiological and environmental effects of aerosols insofar as these effects can be used to define the measurement method for specific applications; and Hazards of carbon particles present in the fire effluent as visible "smoke" through their size, morphology, chemical nature, and the nature of the effluent in which they are (or were) suspended. ISO 29904:2013 is not oriented toward the aerosols generated from controlled combustion. (e.g. incineration). However, much of the material in ISO 29904:2013 is common to such aerosols.
Chimie de la combustion — Production et mesurage des aérosols
L'ISO 29904:2013 fournit un guide relatif à la production de particules d'aérosol dans les incendies, définit l'appareillage et les modes opératoires de prélèvement et de mesurage des aérosols, et fournit des méthodes pour l'interprétation et la communication des données. Elle est destinée aux concepteurs d'essai au feu et aux personnes réalisant des mesurages sur des incendies involontaires afin de les aider à choisir et utiliser des méthodes appropriées pour le mesurage des aérosols correspondants à différents dangers pour les personnes et l'environnement. L'ISO 29904:2013 identifie le domaine d'application, l'applicabilité et les limites de chaque méthode. L'interprétation des données obtenues lors de ces mesurages dépend fortement de l'utilisation finale des données. Les aérosols générés par un feu peuvent présenter un risque direct limitant l'évacuation par l'obstruction d'une sortie de secours, ou ils peuvent engendrer des dangers chroniques pour la santé et l'environnement liés aux composés chimiques contenus dans l'aérosol (par exemple, produits chimiques toxiques tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques dans la suie ou les radionucléides provenant d'incendies dans des centrales nucléaires). Les particules d'aérosol peuvent être inhalées et pénétrer plus ou moins profondément dans les poumons, selon leur taille et leur masse volumique, ou peuvent être libérées dans l'environnement et se déposer sur les sols et dans les cours d'eau. En particulier, l'ISO 29904:2013 traite des aspects suivants de la production et du mesurage des aérosols dans les incendies : ? Espèces adsorbées/dissoutes dans la phase gazeuse ou vapeur; ? Mécanismes physiques impliqués dans le transport des aérosols, dispersion dans le panache de fumée, coagulation/agglomération entraînant une variation des tailles de particules et des fractions particulaires, « thermophorèse » (principale cause de dépôt de suie), « diffusiophorèse » et sédimentation; ? Interactions entre gaz et vapeurs et aérosol : adsorption et élimination d'espèces de la phase gazeuse, transport de gaz adsorbés dans les poumons; ? Méthodes de prélèvement et de mesurage, y compris leurs principes de fonctionnement, une description de la méthode, les données fournies et, dans chaque cas, leurs domaine d'application, champ d'application, avantages et inconvénients; ? Métrologie des méthodes de mesurage, et de la production d'« aérosols normalisés », et incertitudes associées; ? Effets physiologiques et environnementaux des aérosols dans la mesure où ces effets peuvent être utilisés pour définir la méthode de mesurage pour des applications spécifiques; et ? Dangers des particules de carbone présents dans l'effluent du feu sous forme de « fumée visible », en raison de leur taille, de leur morphologie, de leur nature chimique et de la nature de l'effluent dans lequel elles sont (ou étaient) en suspension. L'ISO 29904:2013 ne concerne pas les aérosols générés par une combustion contrôlée (par exemple incinération). Toutefois, une grande partie de ce document est applicable à de tels aérosols.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 29904
First edition
2013-09-01
Fire chemistry — Generation and
measurement of aerosols
Chimie de la combustion — Production et mesurage des aérosols
Reference number
©
ISO 2013
© ISO 2013
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ii © ISO 2013 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions, symbols and abbreviated terms . 2
3.1 Terms and definitions . 2
3.2 Symbols and abbreviated terms. 2
4 Aerosol properties . 3
4.1 General . 3
4.2 Movement and evolution of fire aerosol . 4
4.3 Measurable properties of aerosols . 5
5 Methods of measurement.11
5.1 Applications .11
5.2 Categories of aerosol measurement .12
5.3 Initial considerations for sampling and analysis of aerosols .19
5.4 Selection of methods .20
5.5 In situ measurement methods .21
5.6 Extractive measurement methods .27
6 Aerosol measurement metrology .43
6.1 Standard aerosol generators for calibration of instrumentation .43
6.2 Qualification (Verification) of generators .45
6.3 Calibration methods exigencies .46
6.4 Validation .47
7 Presentation of results .51
7.1 Calculations .51
7.2 Measurement report .53
7.3 Uncertainties .53
Annex A (informative) Experimental measurements of D , N , R , D and k .55
pp pp g f f
Annex B (informative) Adsorption of combustion gases on particles .57
Annex C (informative) Inhalation dynamics and toxicity of particles .60
Annex D (informative) Non-toxicological effects of particles .64
Annex E (informative) Example of report .65
Bibliography .68
Foreword
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bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
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constitute an endorsement.
The committee responsible for this document is ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 3, Fire threat to
people and environment.
iv © ISO 2013 – All rights reserved
Introduction
Aerosols generated in fires are complex, non-homogeneous mixtures of liquid droplets of tar or water,
solid-phase carbonaceous agglomerated soot with adsorbed organic compounds, or mineral particles.
After formation through complex chemical and physical processes, fire aerosols continuously undergo
changes in physical size, structure, and chemical composition as the particles may coalesce, agglomerate,
absorb gases, evaporate or deposit on surfaces. The aerosol concentration, particle size, temperature,
[1][2][3]
and gas-phase composition also play a role in the rate of change.
There are multiple mechanisms by which fire-generated aerosols affect the fire threat to people and
the environment. First, small particles are respirable and can penetrate deep into the lung structure.
[4][5]
Inhaled particles themselves can be irritating, reducing the ability of people to escape from a fire.
Next, these particles can adsorb and/or absorb toxic and irritant gases and vapours, providing a means
[5][6]
for transport past the respiratory tract natural defences and deep into the lungs. Third, even less or
non-respirable particles may effectively reduce the concentration of toxic gases and vapours in the fire
effluent and can deposit them on surfaces. Fourth, aerosols may obscure vision, potentially reducing the
ability of people to move effectively toward safety (see ISO 13571). Finally, the aerosol fraction in fire
effluents also has significant potential to adversely affect the environment, particularly where the fires
[7][4]
are large and of long duration.
Therefore, it is important, within the context of the mechanisms of generation and evolution of aerosols,
to be able to measure aerosol concentrations and size distributions accurately; to appreciate the scope
and limitations of the apparatus and methodologies available for these measurements; and to interpret
such measurements effectively, consistent with the hazards and risks being evaluated. This International
Standard provides details of a range of sampling and measurement methods and guidance on which
ones to use for particular applications, together with an interpretation scheme based on current
knowledge. This document also includes informative annexes that summarize the physical aspects of
fire aerosol generation, aerosol movement and modification with and away from the fire plume, the
aerosol contribution to fire growth through flame radiation, and the roles of particulates in threat to
life and the environment.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 29904:2013(E)
Fire chemistry — Generation and measurement of aerosols
1 Scope
This International Standard provides a guide to the generation of aerosol particles in fires, defines
apparatus and procedures for the sampling and measurement of aerosols, and provides procedures for
the interpretation and reporting of the data. It is intended to assist fire test designers and those making
measurements at unwanted fires to choose and use appropriate methods for aerosol measurement for
differing hazards to people and the environment.
This International Standard identifies the scope, applicability, and limitations of each method. The
interpretation of the data from these measurements is strongly dependent on the end use of the data.
Fire-generated aerosols may present a direct risk of restricting escape from fire by obscuring an exit
route, or they may produce chronic health and environmental hazards from chemical compounds
contained in the aerosol (for example, toxic chemicals like polycyclic aromatic hydrocarbons in soot or
radionuclides form nuclear plant fires.) Aerosol particles may be inhaled to various depths in the lungs,
depending on their size and density, or may be released into the environment and deposited on land and
in watercourses.
In particular, this International Standard addresses the following aspects of aerosol generation and
measurement in fires:
— Adsorbed/dissolved gas or vapour phase species;
— Physical mechanisms involved in the transport of aerosols, dispersal in the fire plume,
coagulation/agglomeration leading to variation in particle sizes and fractions, “thermophoresis”
(main cause of soot deposition), “diffusiophoresis” and, sedimentation.
— The interactions between gases and vapours and aerosol: adsorption and removal of species from
gas phase, transportation of adsorbed gases into the lungs;
— Sampling and measurement methods, including their principles of operation, method description,
the data provided, and in each case their scope, field of application, advantages and disadvantages;
— Metrology of the measurement methods, and in the generation of “standard aerosols”, and the
related uncertainties;
— Physiological and environmental effects of aerosols insofar as these effects can be used to define the
measurement method for specific applications; and
— Hazards of carbon particles present in the fire effluent as visible “smoke” through their size,
morphology, chemical nature, and the nature of the effluent in which they are (or were) suspended.
This International Standard is not oriented toward the aerosols generated from controlled combustion.
(e.g. incineration). However, much of the material in this document is common to such aerosols.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 13943, Fire safety — Vocabulary
3 Terms, definitions, symbols and abbreviated terms
3.1 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13943 and the following apply.
3.1.1
aerosol
suspension of liquid droplets, or solid particles in a gas phase matrix which are generated by fires and
range in particle size from under 10 nm to over 10 µm
3.1.2
particles
solid-phase products present in aerosols
Note 1 to entry: There are two categories of fire aerosol particles: unburned or partially burned particles
containing a high proportion of carbon (i.e. “soot”), and relatively completely combusted, small particle sized
“ashes”. Soot particles of small diameter, (i.e. about 1 µm), typically consist of small elementary spheres of between
10 nm and 50 nm in diameter. Formation of soot particles is dependent on many parameters including nucleation,
agglomeration and surface growth. Oxidation of soot particles (i.e. further combustion) is also possible.
3.1.3
droplets
liquid-phase products present in aerosols, typically generated through pyrolysis (reduced oxygen
combustion conditions) from both flaming and smouldering fires and which may condense into tarry-
like, spherically-shaped droplets
Note 1 to entry: Water produced from combustion may also condense around particles forming aerosol droplets.
3.1.4
inhalable fraction
mass fraction of the total particles suspended in air, which can be inhaled into the nose and the mouth
and depends on particle diameters, the velocity and direction of gas containing the particles, and on the
respiratory frequency
3.1.5
extrathoracic fraction
mass fraction of the inhaled particles which cannot penetrate beyond the larynx
3.1.6
thoracic fraction
mass fraction of the inhaled particles penetrating beyond the larynx
3.1.7
tracheobronchic fraction
mass fraction of the inhaled particles penetrating beyond the larynx but not penetrating into the non-
ciliated respiratory system
3.1.8
alveolar fraction
mass fraction of the inhaled particles which penetrates into the non-ciliated respiratory system
3.2 Symbols and abbreviated terms
D Physical diameter of a particle
p
D Aerodynamic diameter of a particle
a
D Electrical mobility equivalent diameter of a particle
m
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D Volume equivalent diameter of a particle
ev
D Diameter of a spherical shell with the same mass and inertial component as the considered com-
g
bustion particle
D Mass median diameter of a set of particles
D Diameter of primary particles of an agglomerate
pp
N Number of primary particles constituting an agglomerate
pp
R Gyration Radius of a particle
g
D Fractal Dimension of a particle
f
k Logarithm of the prefactor for fractal dimension of a particle
f
χ Dynamic shape factor
ρ: Mass density of the particle
µ Viscosity of the surrounding gas
L Optical path followed by light through the aerosol (m)
−1
K Extinction coefficient of light by the aerosol (m )
ext
4 Aerosol properties
4.1 General
Fire effluents consist of combustion gases and vapours, water droplets and aerosols (solids and liquids
formed during and after combustion) combustion. The aerosol component of fire effluents forms the
visible portion of smoke and is made up of particles and droplets of small size. Aerosols are organic and
inorganic particles and droplets produced during the incomplete combustion of fuels.
The liquid droplets present in aerosols are mainly spherical. Solid carbon particles have quasi-fractal
morphology, and can be present over a relatively large range of sizes. Inorganic mineral particles can
have various forms, depending on their initial form in the fuel and on the fire “history”.
The nature of fire products are less dependent on the fuel type at high fire temperatures (i.e. around
1000 °C) than at lower temperatures and at high temperatures appear to depend on the local conditions
during formation. It has been demonstrated that combustion of cellulose, tobacco, various polymers can
[8]
generate approximately the same yield of soot at an imposed high temperature of 1000 °C.
With open, well-ventilated fires, production of soot is therefore highly dependent on the temperatures
in the flame (or smouldering) zone, the oxidation conditions (e.g. degree of air access to the fire), and the
extent of aerosol agglomeration or re-oxidation.
The similarity of aerosol types during the combustion of different fuels can be partly explained by the
fact that many fuels are based on hydrocarbons or hydrocarbon polymers which have relatively similar
“cracking” patterns during thermal decomposition, generating common products such as methane,
ethane and ethylene, propane.
Depending on the end use of data from the measurement of the various properties of the aerosol portion
of fire effluents, these properties will have a varying prominence. For example:
a) For studying escape from fire, the aerosol opacity will affect human visibility (see ISO 13571). In
many fire scenarios, the impact of aerosols on visibility is one of the most important parameters in
determining the ability to escape. Pre-movement actions and movement speed are strongly dependent
on the visibility in smoke-filled spaces. It has been suggested that above a certain opacity of smoke,
many would consider that escape would be seriously impeded. See Annex D for further details.
b) In fire modelling, soot yield is an important input parameter. It has a very significant effect on the
heat radiation properties of flames (often a sub-model of the main model), and therefore on the
general heat transfer by radiation, which can affect escape from a fire (see ISO 13571) and can
significantly influence fire growth and the occurrence of “flashover”. See Annex D for further details.
c) The direct physiological effect of aerosols on people is related to the size fractions within the aerosol
and the morphology of the particles and droplets. It is therefore often more important to know the
particle and aerosol distribution by size rather than the total aerosol mass for the determination
of physiological effects. Unfortunately, size distribution is a parameter, which is often difficult to
measure, principally due to the processes of agglomeration over short time intervals. Agglomeration
can greatly affect the structure of the particles and droplets, as well as their density and optical
(i.e. obscuration) properties. In addition, volatile species that may evaporate to a varying degree
while being sampled and measured will influence the data recorded. Furthermore, measuring
instruments operating on different principles will give different effective size fractions, and the
methods cannot be assumed to be equivalent. The main parameter to consider for physiological
effect of aerosols is their deposition in the respiratory tract. Different classes of particle size,
based on their relation to physiological effects, have been defined: “PM10”, “PM2.5”, “inhalable”
(D < 100 μm), “thoracic” (D < 10 μm), “respirable” (D < 4 μm), “ultrafine” (D < 0,1 µm), and
p p p p
“nanoparticulates” (D < 0,050 µm). See Annex C for further details.
p
Mass concentration and particle and droplet size fraction can also be valuable parameters for
computational fluid dynamics (CFD) computer modelling of fire processes. This is especially true as
models become capable of simulating the evolution of the aerosols and the effects of the evolution on
flame radiation.
4.2 Movement and evolution of fire aerosol
Knowing how and where to sample the fire effluent is critical to obtaining an accurate and useful aerosol
distribution. Thus, it is important to take into account the local transport processes that can result in
non-uniform particle distributions.
The generation of particles begins within the flame or combustion zone in smouldering. Upon release
into the fire atmosphere, agglomeration can occur to varying degrees. In the fire plume, because of
thermophoresis (movement of particles due to a temperature gradient) and due to the upward,
buoyancy-driven movement of the fire plume, particles will be entrained and carried initially upwards
above the fire. Glowing carbon particles are the most important contributor to heat radiation from the
fire plume, especially because these particles are typically present in a relatively high concentration,
have an emissivity close to blackbody (i.e. radiate over a very large spectral range), and are present at
high temperature.
Thermophoresis is a very important parameter governing the movement of aerosols in a hot fire and
their deposition on any relatively cool surfaces. Thermophoretic movement may be considered as the
mechanism by which the aerosols are repelled by a hot body and attracted to a cooler body resulting
in a movement of particles and droplets from hot to cold areas. This results in the observed deposition
of particles and droplets onto cool surfaces such as windows and walls in the structure containing
the fire. Hot zones can be relatively free of particles, but are potentially capable of generating them if
temperature conditions change. This is because, as the temperature drops, gaseous organic molecules
can condense to form aerosols. In fact, the very act of sampling from these areas of apparently low or
zero particles can give rise to measured particles through the intrusive (particularly cooling) effect of
the measuring apparatus.
The phenomenon of particle deposition can, for example, damage property at considerable distances
from the fire. The pattern of smoke deposits after a fire, typically as an inverted “V” from the source
can provide valuable evidence on the origin of the fire when arson is suspected. The same pattern can
also be used to determine areas of the fire scenario which are likely to be free from contamination by
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smoke – an important economic consideration for example with respect to restoration requirements
following a fire.
There are three other transport processes that can affect the distribution of aerosols within the airflow
away from a fire:
— Diffusiophoresis is the process by which suspended particles in a hot medium with a concentration
gradient move from areas of high concentration to areas of low concentration.
— Photophoresis characterizes reaction of the particle with light. In photophoresis, a particle absorbs
light and is heated by this absorbed energy in the highlighted direction. In reaction, the particle
then moves away from the light (toward a cooler region).
— Sedimentation is the downward movement of the particles due to gravity and to the properties
of the surrounding matrix (especially viscosity). The rate of sedimentation is dependent on the
viscous properties of the overall flow, the temperature, and the aerosol size and mass. Large, heavy
particles settle quickly, whereas fine, low mass particles can remain suspended indefinitely.
In the presence of an electrical field, movement of the particles (especially carbon particles) will be
modified. The effects of this phenomenon are largely influenced by gravity and thermophoresis. This
phenomenon is the principle of measurement of some instruments described in this Standard.
The agglomeration and coagulation processes, present during the formation of the aerosol may continue
at considerable distances from the fire source, although the effects decrease as the aerosols become
diluted in increasing volumes of air. Thus, at relatively great distances from the fire, large-mass clusters
of particles may be formed and may sediment rapidly. As an illustration of the importance of time in
decreasing the concentration of particles through coagulation effects, Table 1, [see Reference (2)], shows
the relationship between an initially monodispersed aerosol over a range of initial concentrations and
the corresponding times needed to double the diameter and halve the concentration of the particles. This
shows that if such particles are to be sampled for meaningful measurement, rapid dilution is necessary
to preserve as much as possible the original particle size distribution and total aerosol mass.
Table 1 — Measured change of the size and mass concentration of an initially monodispersed
aerosol due to coagulation, according to Reference [2]
Initial concentration Time to double the mean Time to halve the mass
(particles/mL) diameter of aerosol concentration
10 140 µs 20 µs
10 0,014 s 0,002 s
10 1,4 s 0,2 s
10 140 s 20 s
10 4 h 33 min
10 16 days 55 h
10 4 years 231 days
Under conditions of fixed temperature, the aerosol size distribution tends towards a state known as “self
[2]
preserving”, i.e. equilibrium tends to exist between the rate of agglomeration and the rate of separation.
4.3 Measurable properties of aerosols
4.3.1 Size and shape
Aerosol droplets are spherical at the time of their formation and typically remain spherical as they grow
by aggregation or condensation. The droplet diameters range from under 1 nm to more than 100 µm.
Carboneous particles formed initially are spherical, with diameters D , are homogenous, and have a
p
size range varying between 10 nm and 50 nm. The frequency distribution of such particles is normally
[2][3]
Gaussian. However, as these small particles stick together to form larger particles, aged and
agglomerated carbon particles in fire effluents are rarely spherical, their fractal structure being a result
of the growth process. Therefore, they need to be characterized using parameters other than those used
to describe a sphere. The main parameters used are the aerodynamic diameter and the electric mobility
diameter. These and some additional parameters are defined below.
4.3.1.1 Aerodynamic diameter
This diameter D represents the diameter of a sphere of density 1 g/cm having the same settling velocity
a
in calm air as the aerosol particle being considered. For an unspecified particle, the following relation
links this diameter to the mass median diameter of the distribution:
ρ
Dd=⋅
a 50
χ
4.3.1.2 Electrical mobility equivalent diameter
This diameter represents the diameter of a sphere, having the same electric mobility Zp as the considered
particle, following the relation:
Cc
D =
m
3πμB
where
Cc is the Cunningham correction factor
B is the dynamic mobility, which characterizes forces produced by surrounding gas on the par-
ticle.
4.3.1.3 Volume equivalent diameter
This diameter represents the diameter of a sphere with the same mass as the considered particle and
the same density.
m
D =
ev
πρ/6
()
4.3.1.4 Gyration diameter
This diameter, D , represents the diameter of a spherical shell with the same mass and inertial moment
g
as the considered combustion particle. This diameter is particularly useful in order to describe the
fractal morphology of combustion aerosol and will be described in 5.2.3.
4.3.1.5 Additional diameters
Other diameters can be used to define particles, see References [2] and [3] They include diameter of
primary particles D , aggregate diameter D (diameter of a sphere, which includes totally the particle),
pp agr
Martin diameter, Feret diameter or Stokes diameter. Figure 1 presents these different diameters for a
carbon particle.
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D
p
D
g
D
m
D
ev
D
a
D
pp
Figure 1 — Different characteristic diameters of a carbon particle
4.3.1.6 Aerosol morphology
The shape of combustion aerosol particles and droplets has been intensively investigated since the
[9] [10]
pioneering work of Witten and Sander and Julien and Botet. Due to their mode of formation, particles
produced by flames have a shape mainly governed by the “diffusion limited aggregation” phenomenon
(DLA). A quasi-fractal relationship has been introduced in order to fully describe the morphology of a
combustion aerosol through the aggregation process from a small number of primary particles N to a
p
large number in the mature aggregate:
D
f
D
g
Nk= .
pp f
D
pp
This relationship is regarded as a quasi-fractal as it is only possible to define the morphology of the
smallest primary particles and the highest limit for the agglomerated particles. Some measurements of
D , N , R , D and k are presented in Annex A.
pp pp g f f
4.3.1.7 Aerosol size distribution
The parameters typically used to characterize the granulometric distribution of the aerosol are the mass
median aerodynamic diameter (MMAD), the standard deviation of the diameters, and the distribution
function. This distribution is generally assumed to fit a log/normal distribution.
4.3.2 Aerosol global parameters
4.3.2.1 Optical extinction coefficient
The Bouguer-Beer-Lambert relation describes the attenuation of light through a suspension of particles,
usually normalized for fire studies for a unit path length. The law is dependent upon the wavelength
of the light, although an approximation is normally used and ignores this spectral dependence. The
extinction coefficient of light depends on soot concentration and the particles’ propensity to absorb
light, characterized by their specific extinction surface. The average attenuation of the light beam is
stated through the expression:
I
−K .L
ext
=e
I
where
L is the optical path (path followed by the light through smoke) (m)
−1
K is the extinction coefficient of the light (m )
ext
The extinction coefficient of an aerosol depends on the extinction cross section of aggregates stated
through the expression:
ext
KC(,Nm)(=Nf dd)( ,)mdd
ext
∫
where
−3
N is the particle concentration (m )
m is the soot refractive index (/)
f(d) is the particle diameter distribution function (/)
d is the particle diameter (m)
ext −2 –1
is the extinction cross section for the particle diameter d (m sr )
C (,dm)
d
p
ext
When the size parameter x =π is small enough, C is given by the Rayleigh approximation:
p
λ
−π
ext 3
C = Em d
()
λ
m −1
With Em =Im
()
m +2
The extinction coefficient is the main value used to represent smoke opacity. It provides information on
the ability of people to find egress paths, see exit signs, etc, in a smoke-filled building.
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4.3.2.2 Mass concentration of soot
An extinction coefficient value can be used to estimate the mass concentration of soot, as follows:
σ
s
C =
s
k
where
−3
C is the mass concentration of soot particles (kg.m )
s
2 −1
σ is the specific extinction surface per mass unit of soot (m ·kg ). In the related literature,
s
2 2 [11]
σ = 10 m /g and more exactly, (9,6 ± 3) m /g for hydrocarbon gas. This value depends on
s
numerous parameters and can be precisely known only for the simple combustibles under
ideal combustion conditions
4.3.2.3 Soot volume fraction
From the extinction coefficient, the soot volume fraction may be deduced from:
λ
F = K
vext
m −1
6 π Im
m +2
where
λ is the wavelength of the source
4.3.2.4 Soot yield
Soot yield is the ratio between the mass of soot and the mass loss of the fuel. This parameter is in general
expressed for the fuel either in global way independently of conditions, or for given conditions (fuel oxygen
ratio, temperature, pressure). The soot yield generally varies over the phases of burning, from ignition to
extinction of the fuel. It is normally expressed in kg of soot per kg of fuel. The value can be determined
experimentally, from integration of the extinction coefficient, or from direct measurement. The soot yield
parameter is commonly used as input data to the flame models that are used to calculate fire spread.
4.3.2.5 Scattering coefficient
The scattering coefficient of aerosols depends on the scattering cross section of aggregates through
the expression:
scasca
KN(,mN)(= fd)(Cd,)mdd
∫
where
−3
N is the particle concentration (m )
m is the soot refractive index (/)
f(d) is the particle diameter distribution function (/)
d is the particle diameter (m)
−2 −1
sca
is the scattering cross section for the particle diameter d (m sr )
Cd(,m)
sca −1
is the scattering coefficient (m )
Kd(,m)
d
p
sca
When the size parameter x =π is small enough, C is given by the Rayleigh approximation:
p
λ
π
sca 6
CF= md
()
4λ
where
m −1
Fm =
()
m +2
and
scasca
KN= C
With the Rayleigh approximation, the particular concentration is defined as:
ext
K
()
1 Fm()
N =
22 sca
4λ Em() K
and primary particles are defined as:
3 sca 3
− λ Fm() K
d =
p
2 ext
π Em()K
Different approaches are in use to provide a formula for the relationship between the scattering
coefficient of the aerosol and scattering cross section of primary particles, (i.e. the primary components
of fractal aggregates of the aerosol). These approaches can be separated on two families:
— The first uses many approximations and hypotheses and has the advantage of providing an analytical
formulae linking the properties of a primary particle to that of an aggregate and the aerosol itself.
— The second uses powerful mathematical techniques in order to compute the scattering of aggregates
aerosols by solving Maxwell equations in an analytical or in a numerical way. In order of decreasing
10 © ISO 2013 – All rights reserved
approximation the main techniques are the Rayleigh theory, the Rayleigh-Debye-Gans theory, and
[1]
the Rayleigh-Debye-Gans theory for fractal or polydispersed aggregates.
d
p
The degree of approximation depends on the size parameter x =π .
p
λ
Integral methods (Volume Integral Equation Method, Method of Moment, Discret Dipole SCATtering…)
or differentials methods (T-Matrix Method, Generalized Lorenz-Mie Theory for fractal aggregates, etc)
[1][12][13]
are also used for the resolution of Maxwell equations.
4.3.2.6 Refractive index
The refractive index is a mathematical function of real and imaginary parts and is defined as:
mn=−ik*
where
n is the real part of the refractive index
k is the imaginary part of the refractive index
The refractive index is necessary to determine properties such as the volume fraction when using
experimental measurements. Inversion methods have been developed to determine the refractive
index of aerosols using extinction and scattering coefficients from experimental studies and coupling
these results with extinction and scattering coefficients estimated with calculations that can take into
account the fractal aggregate shape.
4.3.3 Warnings considering aerosols characteristic parameters
The majority of particles in fire effluent are rich in carbon. Nevertheless, it is important to consider
aerosols other than carbon-based solid particles which can be present in significant quantities. For
example, these include solid mineral particles derived from the burning item when the item contains
mineral fillers. In these cases, care has to be taken with the expression of descriptive parameters of the
aerosol. Some of the relations presented previously are subject to caution when extended to non-carbon-
based aerosols.
5 Methods of measurement
5.1 Applications
The nature of aerosol measurements in this International Standard is driven by fire safety objectives.
These objectives include assessment of personal injury, reduction in escape possibilities, and impact on
the environment. All areas normally have direct and indirect effects, and a key parameter in most is the
transportation of adsorbed species. Some species like sulfur compounds or radioactive metals have a
high affinity for carbon aerosols. They can be transported in lungs (see above) or far from fire source
The main adverse physiological factors affecting people exposed to fire aerosols are the granulometric
distribution, the chemical nature and the morphology of the aerosols. Granulometric distribution affects
the penetration of the aerosol into the respiratory tract where its chemical nature and morphology are
the main adverse factors. The effect of larger particles is mainly due to their ability to act as a mechanical
blockage within the bronchioalveolar tree. These larger particles may also produce acute effects due to
tissue damage where they lodge, through the presence of adsorbed chemical species. Micronic particles
are difficult to expurgate and can accumulate in alveoli, where they can be ingested by phagocytosis
making them difficult to remove. This accumulation can cause loss of breathing capacity and possibly
promote cancers. There are both acute and sub-acute effects. The smallest nanometric particles have a
toxic effect due more to their chemical nature rather than their morphology. Such effects are linked to
molecular biological processes, which are currently being studied.
The indirect effect of aerosols on health and the environment can be linked to their environmental
impact generally. Two aspects are frequently taken into consideration here: the effect of aerosols
themselves and the effect of adsorbed species. Aerosols from large fires, especially of long duration
may be transported far from the fire source. Many industrial or wildland fires have been reported as
depositing aerosols some hundreds of kilometres from the source, but generally the most significant
area of deposition is within a few kilometres around the source. Deposition of aerosols on vegetables
can decrease photosynthesis depending on the optical properties of the aerosol, and adsorbed chemical
species can have a lasting and detrimental effect on plants and surface water. These aspects are currently
being studied and guidance on these processes and the mitigation of their effects are being developed
within ISO TC92/SC3/WG6.
The impact of aerosols on filtration systems is very important in controlled atmosphere environments
where ventilation and pressure effects must be carefully controlled to ensure minimal escape of
hazardous material. As examples, if fire occurs in biohazard laboratories or nuclear facilities, efficient
filtration of fire effluent is clearly vital to ensure that external areas do not become contaminated. In
such situations fire dampers may be installed in extract ducts to prevent fire and fire products from
migrating to unwanted areas. To limit the release of fire aerosols, such installations may be equipped
with gas absorbers and high efficiency filters. Because of the sealed nature of such installations and
the over-pressure effects of fire, these filters must be designed so that they are not rapidly plugged
during fire. Design of these filtration stages requires a knowledge of the nature of effluents, particularly
aerosols likely to be released in the fire.
Impact on electrical systems is also an important hazard from aerosols in fire effluents, having both
immediate and delayed effects. Because of the electrical conductivity of aerosols, if they contaminate
electronic circuits, this conductivity can cause severe functional impairment. This is especially serious
if the circuits are in safety devices. Delayed effects can occur when such circuitry is re-commissioned
after restoration following a fire when residual corrosivity (e.g. from adsorbed species such as hydrogen
chloride) can continue to adversely affect the function of the circuitry. Such aspects are hazards and
risks which need to be considered in any fire safety engineering study.
5.2 Categories of aerosol measurement
5.2.1 Measurement of concentration
The concentration of an aerosol is defined as some integrated measure per unit volume. For example,
the aerosol number concentration is the total number of particles (regardless of size) per unit volume
and the mass concentration is the total aerosol mass per unit volume. Other concentration measures
include: aerosol diameter, surface area, light scattering, and electrical charge per unit volume. Typically,
a measurement device will be constrained to provide a single measure of concentration over a wide
range or to provide a concentration measurement over a number of limited size ranges. Optical particle
counters are effective in giving the number concentration and even the particle size distribution for
particles greater than about 300 nm. Condensation particle counters are effective in providing the
number concentration for particles greater than about 10 nm. Gravimetric sampling of aerosols can be
tailored to provide mass concentration measurements of particles below a certain size through inertial
impaction of large particles.
A limited number of large particles can dominate mass concentration, surface area concentration, or
light scattering concentration. Conversely, under-counting, or not sampling a small number of large
particles may not affect the number distribution appreciably. Likewise, not weighing a large quantity of
very small particles may not affect the mass concentration appreciably.
Typically, direct concentration measurements are performed on extracted fire aerosol samples drawn
into an instrument, or onto a filter. In situ measurements tend to be indirect me
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 29904
Première édition
2013-09-01
Chimie de la combustion —
Production et mesurage des aérosols
Fire chemistry — Generation and measurement of aerosols
Numéro de référence
©
ISO 2013
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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Publié en Suisse
ii © ISO 2013 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 2
3 Termes, définitions, symboles et abréviations . 2
3.1 Termes et définitions . 2
3.2 Symboles et abréviations . 3
4 Propriétés des aérosols . 3
4.1 Généralités . 3
4.2 Mouvement et évolution d’un aérosol généré par un feu . 4
4.3 Propriétés mesurables des aérosols . 6
5 Méthodes de mesure .11
5.1 Applications .11
5.2 Catégories de mesurage des aérosols.12
5.3 Considérations initiales relatives au prélèvement et à l’analyse des aérosols .20
5.4 Choix des méthodes .20
5.5 Méthodes de mesure in situ .21
5.6 Méthodes de mesure par extraction .29
6 Métrologie des aérosols .46
6.1 Générateurs d’aérosols normalisés pour l’étalonnage des instruments.46
6.2 Qualification (vérification) des générateurs .48
6.3 Exigences relatives aux méthodes d’étalonnage .49
6.4 Validation .50
7 Expression des résultats.53
7.1 Calculs .53
7.2 Rapport de mesure .55
7.3 Incertitudes .55
Annexe A (informative) Mesures expérimentales de D , N , R , D et k .56
pp pp g f f
Annexe B (informative) Adsorption des gaz de combustion sur les particules .59
Annexe C (informative) Dynamique de l’inhalation et toxicité des particules .62
Annexe D (informative) Effets non toxicologiques des particules .66
Annexe E (informative) Exemple de rapport .68
Bibliographie .70
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2, www.iso.
org/directives.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou sur la liste ISO des déclarations de brevets reçues,
www.iso.org/patents.
Les éventuelles appellations commerciales utilisées dans le présent document sont données pour
information à l’intention des utilisateurs et ne constituent pas une approbation ou une recommandation.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 3,
Dangers pour les personnes et l’environnement dus au feu.
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Introduction
Les aérosols générés lors des incendies sont des mélanges complexes et non homogènes de gouttelettes
liquides de goudron ou d’eau, de suie carbonée agglomérée en phase solide avec des composés organiques
adsorbés ou des particules minérales. Après leur formation par des processus chimiques et physiques
complexes, les aérosols générés par un incendie subissent des modifications de leurs dimensions
physiques, de leur structure et de leur composition chimique car les particules peuvent coalescer,
s’agglomérer, absorber des gaz, s’évaporer ou se déposer sur des surfaces. La concentration des aérosols,
la taille de particules, la température et la composition de la phase gazeuse jouent également un rôle
[1][2][3]
dans la vitesse de ces modifications.
Les aérosols générés par les incendies influent par de multiples mécanismes sur les dangers pour les
personnes et l’environnement dus au feu. Tout d’abord, les petites particules sont inhalables et peuvent
pénétrer profondément dans la structure pulmonaire. Les particules inhalées peuvent elles-mêmes
[4][5]
être irritantes et réduire ainsi la capacité des personnes à s’échapper d’un incendie. Ensuite, ces
particules peuvent adsorber ou absorber des gaz et vapeurs toxiques et irritants, leur offrant ainsi un
moyen de franchir les défenses naturelles de l’appareil respiratoire et de s’introduire profondément
[5][6]
dans les poumons. Troisièmement, les particules moins inhalables ou non inhalables peuvent
réduire efficacement la concentration de gaz et vapeurs toxiques dans l’effluent du feu et les déposer
sur des surfaces. Quatrièmement, les aérosols peuvent diminuer la visibilité et réduire potentiellement
la capacité des personnes à se déplacer efficacement vers un lieu sûr (voir l’ISO 13571). Enfin, la fraction
d’aérosol dans les effluents du feu a aussi un potentiel significatif de nuisance pour l’environnement, en
[7][4]
particulier lorsque les feux sont importants et de longue durée.
Par conséquent, dans le contexte des mécanismes de production et d’évolution des aérosols, il est
important de pouvoir mesurer avec précision les concentrations et la distribution granulométrique
des aérosols, apprécier le domaine d’application et les limites de l’appareillage et des méthodologies
disponibles pour ces mesurages et interpréter efficacement les mesures de façon cohérente avec les
dangers et les risques évalués. La présente Norme internationale fournit des informations détaillées
sur une gamme de méthodes de prélèvement et de mesure et des lignes directrices concernant leur
utilisation pour des applications particulières, ainsi que des règles d’interprétation fondées sur les
connaissances actuelles. Le présente Norme internationale contient également des annexes informatives
qui résument les aspects physiques de la production d’aérosols lors d’un incendie, du mouvement des
aérosols et de leur modification avec et à distance du panache de fumée, de la contribution des aérosols
au développement du feu par le rayonnement des flammes et des rôles des matières particulaires dans
les dangers pour les personnes et l’environnement.
NORME INTERNATIONALE ISO 29904:2013(F)
Chimie de la combustion — Production et mesurage des
aérosols
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale fournit un guide relatif à la production de particules d’aérosol dans
les incendies, définit l’appareillage et les modes opératoires de prélèvement et de mesurage des aérosols,
et fournit des méthodes pour l’interprétation et la communication des données. Elle est destinée aux
concepteurs d’essai au feu et aux personnes réalisant des mesurages sur des incendies involontaires afin
de les aider à choisir et utiliser des méthodes appropriées pour le mesurage des aérosols correspondants
à différents dangers pour les personnes et l’environnement.
La présente Norme internationale identifie le domaine d’application, l’applicabilité et les limites de
chaque méthode. L’interprétation des données obtenues lors de ces mesurages dépend fortement de
l’utilisation finale des données.
Les aérosols générés par un feu peuvent présenter un risque direct limitant l’évacuation par l’obstruction
d’une sortie de secours, ou ils peuvent engendrer des dangers chroniques pour la santé et l’environnement
liés aux composés chimiques contenus dans l’aérosol (par exemple, produits chimiques toxiques tels que
les hydrocarbures aromatiques polycycliques dans la suie ou les radionucléides provenant d’incendies
dans des centrales nucléaires). Les particules d’aérosol peuvent être inhalées et pénétrer plus ou moins
profondément dans les poumons, selon leur taille et leur masse volumique, ou peuvent être libérées dans
l’environnement et se déposer sur les sols et dans les cours d’eau.
En particulier, la présente Norme internationale traite des aspects suivants de la production et du
mesurage des aérosols dans les incendies :
— Espèces adsorbées/dissoutes dans la phase gazeuse ou vapeur;
— Mécanismes physiques impliqués dans le transport des aérosols, dispersion dans le panache
de fumée, coagulation/agglomération entraînant une variation des tailles de particules et des
fractions particulaires, « thermophorèse » (principale cause de dépôt de suie), « diffusiophorèse »
et sédimentation;
— Interactions entre gaz et vapeurs et aérosol : adsorption et élimination d’espèces de la phase gazeuse,
transport de gaz adsorbés dans les poumons;
— Méthodes de prélèvement et de mesurage, y compris leurs principes de fonctionnement, une
description de la méthode, les données fournies et, dans chaque cas, leurs domaine d’application,
champ d’application, avantages et inconvénients;
— Métrologie des méthodes de mesurage, et de la production d’« aérosols normalisés », et
incertitudes associées;
— Effets physiologiques et environnementaux des aérosols dans la mesure où ces effets peuvent être
utilisés pour définir la méthode de mesurage pour des applications spécifiques; et
— Dangers des particules de carbone présents dans l’effluent du feu sous forme de « fumée visible », en
raison de leur taille, de leur morphologie, de leur nature chimique et de la nature de l’effluent dans
lequel elles sont (ou étaient) en suspension.
La présente Norme internationale ne concerne pas les aérosols générés par une combustion contrôlée
(par exemple incinération). Toutefois, une grande partie de ce document est applicable à de tels aérosols.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables pour son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 13943, Sécurité au feu — Vocabulaire
3 Termes, définitions, symboles et abréviations
3.1 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 13943 ainsi que les
suivants s’appliquent.
3.1.1
aérosol
suspension de gouttelettes liquides ou de particules solides dans une matrice en phase gazeuse, qui,
générés par un feu, ont une taille de particules allant de moins de 10 nm à plus de 10 µm
3.1.2
particules
produits en phase solide présents dans les aérosols.
Note 1 à l’article: Note à l’entrée: On distingue deux catégories de particules dans les aérosols générés par un
feu: les particules non brûlées ou partiellement brûlées contenant une forte proportion de carbone (c’est-à-dire
la « suie ») et des particules ayant subi une calcination relativement complète, de petite taille(c’est à dire les
« cendres »). Les particules de suie de faible diamètre (c’est-à-dire environ 1 µm) sont généralement constituées
de petites sphères élémentaires de 10 nm à 50 nm de diamètre. La formation de particules de suie dépend de
plusieurs paramètres, notamment la nucléation, l’agglomération et l’accroissement de surface. Une oxydation des
particules de suie (c’est-à-dire une combustion supplémentaire) est également possible
3.1.3
gouttelettes
produits en phase liquide présents dans les aérosols, habituellement générés par pyrolyse (conditions
de combustion pauvre en oxygène) dans les feux avec flammes et dans les feux couvants et qui peuvent
se condenser en gouttelettes goudronneuses de forme sphérique
Note 1 à l’article: Note à l’entrée : L’eau produite par la combustion peut également se condenser autour des
particules en formant des gouttelettes d’aérosol
3.1.4
fraction inhalable
fraction massique des particules totales en suspension dans l’air qui peut être inhalée par le nez et
la bouche et dépend du diamètre des particules, de la vitesse et de la direction du gaz contenant les
particules et de la fréquence respiratoire
3.1.5
fraction extrathoracique
fraction massique des particules inhalées qui ne peut pas pénétrer au-delà du larynx
3.1.6
fraction thoracique
fraction massique des particules inhalées qui pénètre au-delà du larynx
3.1.7
fraction trachéobronchique
fraction massique des particules inhalées qui pénètre au-delà du larynx, mais ne pénètre pas dans
l’appareil respiratoire non cilié
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3.1.8
fraction alvéolaire
fraction massique des particules inhalées qui pénètre dans l’appareil respiratoire non cilié
3.2 Symboles et abréviations
D Diamètre physique d’une particule
p
D Diamètre aérodynamique d’une particule
a
D Diamètre équivalent en mobilité électrique d’une particule
m
D Diamètre équivalent en volume d’une particule
ev
D Diamètre d’une enveloppe sphérique ayant la même masse et la même composante inertielle que
g
la particule de combustion considérée
D Diamètre moyen en masse d’un ensemble de particules
D Diamètre des particules élémentaires d’un agglomérat
pp
N Nombre de particules élémentaires constituant un agglomérat
pp
R Rayon de giration d’une particule
g
D Dimension fractale d’une particule
f
k Logarithme du préfacteur pour la dimension fractale d’une particule
f
χ Facteur dynamique de forme
ρ Masse volumique de la particule
µ Viscosité du gaz environnant
L Trajet optique suivi par la lumière dans l’aérosol (m)
-1
K Coefficient d’extinction de la lumière par l’aérosol (m )
ext
4 Propriétés des aérosols
4.1 Généralités
Les effluents du feu sont constitués de gaz et vapeurs de combustion, de gouttelettes d’eau et d’aérosols
(solides et liquides formés pendant et après la combustion). Le composant aérosol des effluents du feu
forme la portion visible de la fumée et est constitué de particules et de gouttelettes de petite taille. Les
aérosols sont des particules et gouttelettes organiques et inorganiques produites lors de la combustion
incomplète de combustibles.
Les gouttelettes liquides présentes dans les aérosols sont essentiellement sphériques. Les particules
solides de carbone ont une morphologie quasi-fractale et peuvent être présentes sur des plages de tailles
relativement étendues. Les particules inorganiques minérales peuvent avoir diverses formes selon leur
forme initiale dans le combustible et l’« historique » du feu.
La nature des produits de combustion dépend moins du type de combustible à des températures de feu
élevées (c’est-à-dire environ 1 000 °C) qu’à des températures plus basses et, aux températures élevées,
elle semble dépendre des conditions locales pendant leur formation. Il a été démontré que la combustion
de la cellulose, du tabac et de divers polymères peut générer approximativement la même quantité [8] de
suie à une haute température imposée de 1 000 °C.
Avec des feux ouverts bien ventilés, la production de suie dépend donc fortement de la température dans
la zone des flammes (ou de feu couvant), des conditions d’oxydation (par exemple, degré d’alimentation
en air du feu) et de l’étendue de l’agglomération ou de la réoxydation de l’aérosol.
La similitude des types d’aérosol pendant la combustion de différents combustibles peut être expliquée
partiellement par le fait que de nombreux combustibles sont à base d’hydrocarbures ou de polymères
hydrocarbonés qui ont des schémas de « craquage » relativement similaires pendant la décomposition
thermique et génèrent ainsi des produits communs tels que le méthane, l’éthane et l’éthylène, le propane.
Selon l’utilisation finale des données de mesure des différentes propriétés de la portion d’aérosol des
effluents du feu, ces propriétés auront une importance variable. Par exemple :
a) Pour l’étude de l’évacuation en cas d’incendie, l’opacité des aérosols aura une incidence sur la
visibilité (voir l’ISO 13571). Dans un grand nombre de scénarios d’incendie, l’impact des aérosols
sur la visibilité est l’un des paramètres les plus importants lors de la détermination de la capacité
d’évacuation. Les actions préalables au déplacement et la vitesse de déplacement dépendent
fortement de la visibilité dans les espaces envahis par la fumée. Il a été suggéré qu’au-delà d’une
certaine opacité de la fumée, un grand nombre de personnes considère que l’évacuation serait
sérieusement entravée. Voir l’Annexe D pour plus de détails.
b) Dans la modélisation des feux, le taux de production de suie est un paramètre d’entrée important. Il
a un effet très marqué sur les propriétés de rayonnement thermique des flammes (souvent un sous-
modèle du modèle principal) et, par conséquent, sur le transfert général de chaleur par rayonnement,
qui peut avoir une incidence sur l’évacuation en cas d’incendie (voir l’ISO 13571) et peut influer de
manière significative sur la croissance du feu et l’apparition d’un « embrasement généralisé ». Voir
l’Annexe D pour plus de détails.
c) L’effet physiologique direct des aérosols sur les personnes est lié aux fractions de taille de l’aérosol et
à la morphologie des particules et des gouttelettes. Il est donc souvent plus important de connaître
la distribution granulométrique des particules et de l’aérosol que la masse totale d’aérosol pour la
détermination des effets physiologiques. Malheureusement, la distribution granulométrique est un
paramètre souvent difficile à mesurer, principalement en raison des processus d’agglomération sur
de courts intervalles de temps. L’agglomération peut avoir une forte influence sur la structure des
particules et des gouttelettes, tout comme leur masse volumique et leurs propriétés optiques (c’est-
à-dire obscurcissement). De plus, les espèces volatiles qui peuvent s’évaporer à un degré variable
lors du prélèvement et du mesurage auront une incidence sur les données enregistrées. Par ailleurs,
les instruments de mesure fonctionnant selon des principes différents donneront des fractions de
taille effectives différentes et les méthodes ne peuvent pas être supposées équivalentes. Le principal
paramètre à prendre en compte pour l’effet physiologique des aérosols est leur dépôt dans les voies
respiratoires. Différentes classes de taille de particules ont été définies sur la base de leur relation
avec les effets physiologiques : « PM10 », « PM2.5 », « inhalable » (D < 100 μm), « thoracique »
p
(D < 10 μm), « alvéolaire » (D < 4 μm), « ultrafine » (D < 0,1 µm) et « nanoparticulaire »
p p p
(D < 0,050 µm). Voir l’Annexe C pour plus de détails.
p
La concentration massique et la fraction de taille des particules et des gouttelettes peuvent aussi être des
paramètres intéressants pour la modélisation informatique de la dynamique des fluides des processus
de combustion. Cela vaut d’autant plus que les modèles permettent maintenant de simuler l’évolution des
aérosols et les effets de cette évolution sur le rayonnement des flammes.
4.2 Mouvement et évolution d’un aérosol généré par un feu
Savoir comment et où prélever un échantillon d’effluent du feu est critique pour obtenir une distribution
précise et utile de l’aérosol. Il est donc important de tenir compte des processus locaux de transport
pouvant être à l’origine de distributions non uniformes des particules.
La production des particules débute dans la zone des flammes ou dans la zone de combustion dans un
feu couvant. Lors de leur dégagement dans l’atmosphère de combustion, une agglomération variable
peut se produire. Dans le panache de fumée, en raison de la thermophorèse (mouvement des particules
dû au gradient de température) et du mouvement ascendant du panache de fumée engendré par la
flottabilité, les particules seront entraînées et transportées initialement vers le haut au-dessus du feu.
4 © ISO 2013 – Tous droits réservés
Les particules de carbone incandescentes contribuent le plus au rayonnement thermique du panache
de fumée, en particulier parce que ces particules sont généralement présentes à une concentration
relativement élevée, ont une émissivité proche d’un corps noir (c’est-à-dire rayonnent sur une plage
spectrale très étendue) et sont présentes à haute température.
La thermophorèse est un paramètre très important déterminant le mouvement des aérosols dans un
feu chaud et leur dépôt sur toute surface relativement froide. Le mouvement thermophorétique peut
être considéré comme le mécanisme par lequel les aérosols sont repoussés par un corps chaud et attirés
vers un corps plus froid, ce qui se traduit par un mouvement des particules et des gouttelettes des
zones chaudes vers les zones froides. Il s’ensuit le dépôt observé de particules et de gouttelettes sur les
surfaces froides, telles que les fenêtres et les parois dans la structure contenant le feu. Les zones chaudes
peuvent être relativement exemptes de particules, mais sont potentiellement capables de les générer si
les conditions de température varient. Cela est dû au fait que, lorsque la température chute, les molécules
organiques gazeuses peuvent se condenser pour former des aérosols. En réalité, le prélèvement même
dans ces zones de quantités de particules apparemment faibles ou nulles peut donner lieu à des particules
mesurées dû à l’effet intrusif (en particulier le refroidissement) de l’appareillage de mesure.
Le phénomène de dépôt de particules peut, par exemple, endommager des biens à des distances
considérables du feu. La configuration des dépôts de fumée après un incendie, généralement en forme
de « V » inversé à partir de la source, peut fournir une preuve intéressante de l’origine du feu en cas
de suspicion d’incendie criminel. La même configuration peut aussi être utilisée pour déterminer,
dans un scénario d’incendie, les zones susceptibles d’être exemptes de contamination par la fumée —
considération économique importante, par exemple en ce qui concerne les exigences de restauration
après un incendie.
Trois autres processus de transport peuvent avoir une incidence sur la distribution des aérosols dans le
flux d’air produit par un incendie :
— La diffusiophorèse est le processus par lequel des particules en suspension dans un milieu chaud
avec un gradient de concentration se déplacent des zones de haute concentration vers les zones de
faible concentration ;
— La photophorèse caractérise la réaction de la particule avec la lumière. Dans la photophorèse,
une particule absorbe la lumière et est chauffée par cette énergie absorbée dans la direction de
l’éclairement. En réaction, la particule s’éloigne alors de la lumière (vers une zone plus froide) ;
— La sédimentation est le mouvement descendant des particules dû à la gravité et aux propriétés de la
matrice environnante (notamment sa viscosité). La vitesse de sédimentation dépend des propriétés
visqueuses de l’écoulement global, de la température et de la taille et de la masse des aérosols. Les
grosses particules lourdes sédimentent rapidement alors que les particules fines de faible masse
peuvent rester indéfiniment en suspension.
En présence d’un champ électrique, le mouvement des particules (notamment les particules de carbone)
sera modifié. Les effets de ce phénomène sont fortement influencés par la gravité et la thermophorèse.
Ce phénomène est le principe de mesurage de certains instruments décrits dans la présente norme.
Les processus d’agglomération et de coagulation, présents pendant la formation de l’aérosol, peuvent
se poursuivre à des distances considérables du foyer d’un incendie, bien que les effets diminuent au
fur et à mesure que les aérosols se diluent dans des volumes d’air de plus en plus importants. Ainsi, à
des distances relativement grandes de l’incendie, des amas de particules de masse importante peuvent
se former et sédimenter rapidement. Pour illustrer l’importance du temps dans la diminution de la
concentration de particules par des effets de coagulation, le Tableau 1 (voir la Référence [2]) montre
la relation entre un aérosol initialement monodispersé sur une gamme de concentrations initiales et
les temps correspondants nécessaires pour doubler le diamètre et réduire de moitié la concentration
des particules. Il montre que, si de telles particules doivent être échantillonnées pour une mesure utile,
une dilution rapide est nécessaire pour préserver autant que possible la distribution granulométrique
initiale et la masse totale de l’aérosol.
Tableau 1 — Variation mesurée de la taille et de la concentration massique d’un aérosol
initialement monodispersé due à la coagulation, conformément à la Référence [2]
Temps nécessaire pour Temps nécessaire pour
Concentration initiale
doubler le diamètre diminuer de moitié la
(particules/ml)
moyen de l’aérosol concentration massique
1014 140 µs 20 µs
1012 0,014 s 0,002 s
1010 1,4 s 0,2 s
108 140 s 20 s
106 4 h 33 min
104 16 jours 55 h
102 4 ans 231 jours
Dans des conditions de température fixe, la distribution granulométrique de l’aérosol tend vers un état
connu en tant que « auto-conservation », c’est-à-dire qu’un équilibre tend à s’établir entre la vitesse
d’agglomération et la vitesse de séparation [2].
4.3 Propriétés mesurables des aérosols
4.3.1 Taille et forme
Les gouttelettes d’aérosol sont sphériques au moment de leur formation et restent généralement
sphériques lorsqu’elles grossissent par agrégation ou condensation. Le diamètre des gouttelettes va de
moins de 1 nm à plus de 100 µm.
Les particules carbonées formées initialement sont sphériques, avec des diamètres D homogènes et
p
d’une taille variant de 10 nm à 50 nm. La distribution statistique de ces particules est normalement
gaussienne [2][3]. Toutefois, étant donné que ces petites particules adhèrent les unes aux autres pour
former des particules plus grosses, les particules de carbone vieillies et agglomérées des effluents du
feu sont rarement sphériques, leur structure fractale étant le résultat du processus de croissance. Par
conséquent, elles doivent être caractérisées en utilisant d’autres paramètres que ceux employés pour
décrire une sphère. Les principaux paramètres utilisés sont le diamètre aérodynamique et le diamètre
en mobilité électrique. Ils sont définis ci-après ainsi que certains paramètres supplémentaires.
4.3.1.1 Diamètre aérodynamique
Ce diamètre, D représente le diamètre d’une sphère de masse volumique 1 g/cm ayant la même vitesse
a,
de chute dans l’air calme que la particule d’aérosol considérée. Pour une particule non spécifiée, la
relation suivante relie ce diamètre au diamètre moyen en masse de la distribution :
ρ
Dd=⋅
a 50
χ
4.3.1.2 Diamètre équivalent en mobilité électrique
Ce diamètre, D , représente le diamètre d’une sphère ayant la même mobilité électrique, Z , que la
m p
particule considérée, selon la relation :
Cc
D =
m
3πμB
où
Cc est le facteur de correction de Cunningham
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B est la mobilité dynamique qui caractérise les forces exercées par le gaz environnant sur la particule.
4.3.1.3 Diamètre équivalent en volume
Ce diamètre, D , représente le diamètre d’une sphère ayant la même masse que la particule considérée
ev
et la même masse volumique.
m
D =
ev
πρ/6
()
4.3.1.4 Diamètre de giration
Ce diamètre, D , représente le diamètre d’une enveloppe sphérique ayant la même masse et le même
g
moment d’inertie que la particule de combustion considérée. Ce diamètre est particulièrement utile
pour décrire la morphologie fractale d’un aérosol de combustion et sera décrit au 5.2.3.
4.3.1.5 Diamètres supplémentaires
D’autres diamètres peuvent être utilisés pour définir les particules ; voir les Références [2] et [3]. Ils
comprennent le diamètre des particules élémentaires D , le diamètre d’agrégat D (diamètre d’une
pp agr
sphère englobant totalement la particule), le diamètre de Martin, le diamètre de Feret ou le diamètre de
Stokes. La Figure 1 présente ces différents diamètres pour une particule de carbone.
D
p
D
g
D
m
D
ev
D
a
D
pp
Figure 1 — Différents diamètres caractéristiques d’une particule de carbone
4.3.1.6 Morphologie d’un aérosol
La forme des particules et des gouttelettes d’un aérosol de combustion a fait l’objet d’études approfondies
depuis les premiers travaux de Witten et Sander [9] et de Julien et Botet [10]. En raison de leur mode de
formation, les particules produites par les flammes ont une forme essentiellement déterminée par le
phénomène d’« agrégation par diffusion limitée » (DLA). Une relation quasi-fractale a été introduite afin
de décrire entièrement la morphologie d’un aérosol de combustion par le processus d’agrégation d’un
petit nombre de particules élémentaires N à un grand nombre dans l’agrégat mature :
p
D
f
D
g
Nk= .
pp f
D
pp
Cette relation est considérée comme quasi-fractale car il est uniquement possible de définir la
morphologie des plus petites particules élémentaires et de la limite la plus élevée pour les particules
agglomérées. Certaines mesures de D , N , R , D et k sont présentées à l’Annexe A.
pp pp g f f
4.3.1.7 Distribution granulométrique d’un aérosol
Les paramètres généralement utilisés pour caractériser la distribution granulométrique de l’aérosol
sont le diamètre aérodynamique moyen en masse (MMAD), l’écart-type des diamètres et la fonction de
répartition. Cette distribution est généralement supposée suivre une distribution log-normale.
4.3.2 Paramètres globaux d’un aérosol
4.3.2.1 Coefficient d’extinction optique
La loi de Bouguer-Beer-Lambert décrit l’atténuation de la lumière dans une suspension de particules,
habituellement normalisée pour l’étude des feux pour une unité de longueur de parcours. La loi dépend
de la longueur d’onde de la lumière, bien qu’une approximation soit normalement utilisée et ignore cette
dépendance spectrale. Le coefficient d’extinction de la lumière dépend de la concentration de suie et de
la propension des particules à absorber la lumière, caractérisée par leur surface d’extinction spécifique.
L’atténuation moyenne du faisceau lumineux est indiquée par l’expression :
I
−K .L
ext
=e
I
où
L est le trajet optique (trajet suivi par la lumière dans la fumée) (m)
-1
K est le coefficient d’extinction de la lumière (m )
ext
Le coefficient d’extinction d’un aérosol dépend de la section d’extinction des agrégats indiquée par
l’expression :
ext
KC(,Nm)(=Nf dd)( ,)mdd
ext
∫
où
-3
N est la concentration de particules (m )
m est l’indice de réfraction de la suie (/)
f(d) est la fonction de répartition du diamètre des particules (/)
d est le diamètre des particules (m)
ext -2 -1
C (d, m) est la section d’extinction pour le diamètre de particule d (m .sr )
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d
p
ext
Lorsque le paramètre de taille x =π est suffisamment faible, C est donné par l’approximation
p
λ
de Rayleigh :
−π
ext 3
C = Em d
()
λ
où
m −1
Em = Im
()
m +2
Le coefficient d’extinction est la principale valeur utilisée pour représenter l’opacité de la fumée. Il
fournit des informations sur la capacité des personnes à trouver les voies d’évacuation, à voir les signaux
de sortie, etc., dans un bâtiment envahi par la fumée.
4.3.2.2 Concentration massique de suie
Une valeur de coefficient d’extinction peut être utilisée pour estimer la concentration massique de suie,
de la manière suivante :
σ
s
C =
s
k
où
-3
C est la concentration massique de particules de suie (kg.m )
s
2 -1
σ est la surface d’extinction spécifique par unité de masse de suie (m .kg ). Dans la littérature
s
connexe, σ = 10 m²/g et plus exactement (9,6 ± 3) m²/g [11] pour une fumée d’hydrocarbure. Cette
s
valeur dépend de nombreux paramètres et ne peut être connue avec précision que pour les combustibles
simples dans des conditions de combustion idéales.
4.3.2.3 Fraction volumique de suie
Il est possible de déduire la fraction volumique de suie à partir du coefficient d’extinction par :
λ
F = K
vext
m −1
6 π Im
2
m +2
où
λ est la longueur d’onde de la source.
4.3.2.4 Taux de production de suie
Le taux de production de suie est le rapport entre la masse de suie et la perte de masse du combustible.
Ce paramètre est en général exprimé pour le combustible soit de façon globale indépendamment des
conditions soit pour des conditions données (rapport combustible-oxygène, température, pression).
Le taux de production de suie varie généralement au cours des différentes phases de la combustion,
de l’inflammation jusqu’à l’extinction du combustible. Il est normalement exprimé en kg de suie par
kg de combustible. La valeur peut être déterminée expérimentalement, par intégration du coefficient
d’extinction ou par un mesurage direct. Le paramètre de taux de production de suie est généralement
utilisé comme donnée d’entrée dans les modèles de flamme employés pour calculer la propagation du feu.
4.3.2.5 Coefficient de diffusion
Le coefficient de diffusion des aérosols dépend de la section de diffusion des agrégats, selon l’expression :
scasca
KN(,mN)(= fd)(Cd,)mdd
∫
où
-3
N est la concentration de particules (m )
m est l’indice de réfraction de la suie (/)
f(d) est la fonction de répartition du diamètre des particules (/)
d est le diamètre des particules (m)
sca -2 --1
C (d, m) est la section de diffusion pour le diamètre de particule d (m sr )
sca -1
K (d, m) est le coefficient de diffusion (m )
d
p
sca
Lorsque le paramètre de taille x =π est suffisamment faible, C est donné par l’approximation
p
λ
de Rayleigh :
π
sca 6
CF= md
()
4λ
où
m −1
Fm()=
m +2
et
scasca
KN= C
Avec l’approximation de Rayleigh, la concentration particulaire est définie comme :
ext
K
()
1 Fm()
N =
22 sca
4λ Em() K
et les particules élémentaires sont définies comme :
3 sca 3
−4λ Fm() K
d =
p
2 ext
π Em()K
Différentes approches sont utilisées pour offrir une formule établissant la relation entre le coefficient de
diffusion de l’aérosol et la section de diffusion des particules élémentaires (c’est-à-dire les composants
élémentaires des agrégats fractals de l’aérosol). Ces approches peuvent être séparées en deux familles :
– La première famille utilise de nombreuses approximations et hypothèses et offre l’avantage de
fournir une formule analytique reliant les propriétés d’une particule élémentaire à celles d’un
agrégat et de l’aérosol lui-même.
– La deuxième famille utilise des techniques mathématiques puissantes pour calculer la diffusion des
aérosols d’agrégats en résolvant les équations de Maxwell de manière analytique ou numérique.
Pour réduire l’approximation, les principales techniques sont la théorie de Rayleigh, la théorie
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de Rayleigh-Debye-Gans et la théorie de Rayleigh-Debye-Gans pour des agrégats fractals ou
polydispersés [1].
d
p
Le degré d’approximation dépend du paramètre de taille
x =π .
p
λ
Des méthodes intégrales (méthode d’équation d’intégrale de volume, méthode du moment, méthode
dipolaire discrète, etc.) ou des méthodes différentielles (méthode de matrice T, théorie généralisée de
Lorenz-Mie pour les agrégats fractals, etc.) sont également utilisées pour la résolution des équations de
Maxwell [1][12][13].
4.3.2.6 Indice de réfraction
L’indice de réfraction est une fonction mathématique des parties réelle et imaginaire et est défini comme :
mn=−ik×
où
n est la partie réelle de l’indice de réfraction
k est la partie imaginaire de l’indice de réfraction
L’indice de réfraction est nécessaire pour déterminer des propriétés telles que la fraction volumique
lorsque des mesures expérimentales sont utilisées. Des méthodes d’inversion ont été mises au point pour
déterminer l’indice de réfraction des aérosols en utilisant les coefficients d’extinction et de diffusion
obtenus par des études expérimentales et en couplant ces résultats aux coefficients d’extinction et de
diffusion estimés par des calculs pouvant prendre en compte la forme fractale des agrégats.
4.3.3 Avertissements concernant les paramètres caractéristiques des aérosols
La majorité des particules contenues dans les effluents du feu sont riches en carbone. Néanmoins, il est
important de tenir compte des aérosols autres que les particules solides à base de carbone qui peuvent
être présents en quantités significatives. Ceux-ci comprennent par exemple les particules minérales
solides provenant d’un objet en feu lorsque ce dernier contient des charges minérales. Dans ce cas, des
précautions doivent être prises dans l’expression des paramètres descriptifs de l’aérosol. Certaines des
relations présentées ci-dessus sont sujettes à caution lorsqu’elles sont étendues aux aérosols non carbonés.
5 Méthodes de mesure
5.1 Applications
La nature des mesures d’aérosol décrites dans la présente Norme internationale est dictée par des
objectifs de sécurité incendie. Ces objectifs comprennent l’évaluation des blessures, de la réduction
des possibilités d’évacuation et de l’impact sur l’environnement. Toutes les zones ont normalement des
effets directs et indirects et un paramètre clé dans la plupart d’entre elles est le transport des espèces
adsorbées. Certaines espèces, telles que les composés soufrés ou les métaux radioactifs, ont une forte
affinité pour les aérosols carbonés. Elles peuvent être transportées dans les poumons (voir ci-dessus)
ou loin du foyer de l’incendie.
Les principaux facteurs physiologiques négatifs affectant les personnes exposées aux aérosols générés
par un feu sont la distribution granulométrique, la nature chimique et la morphologie des aérosols. La
distribution granulométrique a une incidence sur la pénétration de l’aérosol dans les voies respiratoires
où la nature chimique et la morphologie de l’aérosol sont les principaux facteurs négatifs. L’effet des
grosses particules
...
Questions, Comments and Discussion
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