PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère

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Offres de thèses

Préparation d'un doctorat dans le domaine de la chimie Physique :
Combution, Sûreté nucléaire, Energétique, Environnement

Laboratoire de Physicochimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère
PC2A - UMR 8522 CNRS/Lille1
Université Lille 1 Sciences et Technologies
Cité scientifique, Bâtiment C11/C5
59655 Villeneuve d'Ascq Cedex, France

Le Laboratoire de Physicochimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère de l'Université Lille1 Sciences et Technologies cherche des physico-chimistes, chimistes ou physiciens de formation, actuellement en Master Recherche, pour préparer une thèse de doctorat dans le domaine de l'énergétique et de l'environnement, à partir de Septembre-Octobre 2017.

Les sujets de recherche proposés concernent les domaines de la combustion, de la sûreté nucléaire et de l'environnement. Ils s'inscrivent dans des axes de recherche soutenus par le Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, le CNRS-INSIS, l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) et le Contrat de Projet Etat-Région Nord Pas-de-Calais.

Les candidatures, comportant un CV et une lettre de motivation, doivent être soumises auprès des chercheurs responsables des sujets proposés.

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Liste des offres

  • Etude expérimentale des réactions de capture/désorption des iodes gazeux (I2, CH3I) sur des aérosols environnementaux
    Présentation:

    Lors d’un accident grave survenant sur un réacteur à eau pressurisée, les radionucléides les plus volatils sont susceptibles d’être rejetés dans l’atmosphère. L’iode peut ainsi être relâché sous une forme gazeuse (I2, CH3I) malgré la présence de dispositifs de filtration. Ces espèces iodées sont très réactives et vont interagir avec les autres espèces présentes dans l’atmosphère (gaz ou particules) pour évoluer soit sous forme gazeuse soit sous forme particulaire. Etant donné l’enjeu opérationnel de protection des populations lors de la gestion d’une crise accidentelle, la problématique de la réactivité de l’iode dans l’atmosphère est au cœur des préoccupations de l’IRSN. L’IRSN développe des outils de simulation d’un accident grave afin de prédire le relâchement d’iode, encore dénommé terme-source, ainsi que son transfert dans la biosphère (plateforme SYMBIOSE) et plus spécifiquement sa dispersion dans le compartiment atmosphérique (logiciel C3X). Une étude récente a permis de développer un mécanisme réactionnel de l’iode en phase gazeuse et de réaliser des simulations 0D avec ASTEC et 3D avec Polair3D. Les résultats obtenus ont démontré qu’I2 et CH3I réagissent rapidement avec des espèces chimiques présentes dans l’atmosphère (O3, NOx et COV) et se photolysent pour conduire à un mélange complexe d’espèces iodées dont la composition varie en fonction des conditions atmosphériques. Des points d’amélioration restent cependant encore à apporter pour réduire les incertitudes sur la spéciation des formes d’iode radioactif susceptibles d’être présentes dans l’atmosphère. Ainsi, le couplage iode gazeux–aérosols atmosphériques doit être développé afin d’une part de tenir compte de la nucléation d’espèce formée telle qu’IONO2, et d’autre part de considérer les phénomènes d‘adsorption/désorption des espèces iodées gazeuses par les aérosols atmosphériques. Ces phénomènes peuvent jouer un rôle important et contribuer à la présence d’iode gazeux radioactif loin du point d’émission. Une seconde étape consistera à développer un modèle spécifique pour l’iode pour lequel il faudra disposer de données expérimentales pour prendre en compte ces interactions iode gazeux – particules sachant que les données disponibles dans la littérature sont insuffisantes.

    Le travail de thèse proposé ici consistera donc en l’étude expérimentale, à l’échelle du laboratoire, de la capture de l’iode gazeux (I2, CH3I), dans des conditions contrôlées, sur des particules modèles de l’atmosphère (sels marins synthétiques, aérosols inorganiques purs de type sulfate, carbonate, silicate) et de sa désorption depuis ces particules. Il visera à combler les lacunes en données utiles pour la modélisation telles que les coefficients de capture. Un second apport attendu sera de regarder à l’échelle atomique la nature de l’interaction entre l’espèce iodée adsorbée et la particule (interactions d’ordre physique ou chimique). La première partie de ce travail s’intéressera à l’état particulaire et à son évolution lors de son exposition à l’iode gazeux. Des essais seront réalisés dans des conditions contrôlées (température, humidité), afin de suivre in-situ la capture de l’iode gazeux par des aérosols synthétisés en laboratoire à partir de produits commerciaux. Les caractéristiques de ces aérosols seront déterminées en termes de distribution en taille, porosité et surface spécifique ainsi que leur composition chimique. La nature de l’iode capturé sera mise en évidence par des techniques d’analyses appropriées, permettant de suivre l’évolution de la composition de surface de ces aérosols. Les paramètres considérés seront la nature des aérosols ainsi que le taux d’hydratation, la nature du gaz porteur, ainsi que les espèces iodées gazeuses. Cette première phase permettra d’identifier et de quantifier les mécanismes de réaction de capture et de désorption de l’iode avec les surfaces des aérosols. La seconde partie de ce travail sera consacrée au suivi cinétique de réaction en considérant l’évolution de la concentration en iode dans la phase gazeuse. Cette étude permettra de déterminer les coefficients de capture de l’iode par les aérosols, dans des conditions aussi proche que possible de l’atmosphère (température, humidité) avec une attention toute particulière portée à la représentativité des concentrations mises en jeu.

    Programmes de recherche en lien avec le sujet :               C3R, Labex CaPPA

    Mots clés :          Iode - Réactivité – Aérosol - caractérisation

    Encadrant: Laurent GASNOT (PC2A), Anne-Cécile GREGOIRE (IRSN), Sophie SOBANSKA (LASIR)
    Contact: Laurent Gasnot, Tel : 03 20 43 48 02
    Anne Cécile Grégoire, Tel : 04 42 19 97 40
    Sophie Sobanska Tel : 03 10 43 49 01

  • Etude de la qualité de l’air dans les bâtiments grâce à des mesures par microcapteurs
    Présentation:

    L’objet de ce travail de thèse est de comprendre les phénomènes régissant la qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments, en particulier les bâtiments récents à basse consommation. En effet, pour respecter les normes énergétiques actuelles, les bâtiments nouvellement construits sont d’une part de plus en plus étanches à l’air, et d’autre part ventilés avec un système de renouvellement d’air canalisé et programmable, et non plus diffus et naturel. De plus, ils sont construits avec des nouveaux matériaux et de nouvelles techniques, dont l’impact sur la qualité de l’air est encore méconnu. Il est donc nécessaire de réaliser des études documentant ces nouvelles constructions.

    Classiquement, les études en air intérieur se font grâce à des moyens de prélèvements des polluants, qui fournissent, après analyse différée en laboratoire, une  réponse intégrée sur la période du prélèvement. Nous proposons dans ce travail d’utiliser des microcapteurs de polluants, qui sont des outils technologiques récents, miniatures, performants, autonomes, et à bas coût, ce qui permet d’équiper simultanément plusieurs lieux. Leur temps de réponse rapide permet de vérifier l’effet de la ventilation sur la réduction des polluants émis par des sources intérieures et également de relier des épisodes de pollution (intérieure ou venant de l’extérieur) à un évènement. Il existe de tels capteurs sélectifs vis-à-vis de certains polluants, d’autres qui donnent une réponse à des familles de polluants, fournissant plutôt une signature du type de pollution. Ces deux types de capteurs sont déjà opérationnels au PC2A, grâce à des collaborations avec l’INRIA et Mines-Douai.

    Ces capteurs seront utilisés pour équiper des bâtiments existants, anciens, rénovés, ou en construction, sur le campus Lille 1 principalement. Des mesures complémentaires avec des instruments « classiques » (analyseurs online, compteurs de particules, techniques chromatographiques, PTR-MS…) seront également réalisées. La qualité de l’air à l’intérieur de ces bâtiments sera analysée en conjonction avec la ventilation et la performance énergétique du bâtiment. Les protocoles d’analyse des données issues des capteurs devront être développés lors de cette thèse.

    Le candidat recherché doit avoir une formation initiale en chimie ou en sciences de l’atmosphère.

     

    Programmes de recherche en lien avec le sujet :               PACTE Lille 1

     

    Mots clés :          Air intérieur  - Pollution -  Réseaux de capteurs

    Encadrant: B. Hanoune (PC2A), Romain Rouvoy (INRIA)
    Laboratoire: Lab. PC2A
    Contact: Benjamin Hanoune  Tel : 03 20 43 40 67
    Romain Rouvoy Tel : 03 20 43 42 56

  • Etude expérimentale de la cinétique de combustion de biocarburants issus de la biomasse lignocellulosique à hautes pressions
    Présentation:

    Afin de réduire la consommation, les émissions polluantes (NOx, suies) et de gaz à effet de serre des moteurs à combustion interne, les progrès technologiques récents visent à un fonctionnement à des températures et des concentrations en carburant réduites. Ces choix ont justifié l'apparition de la technologie EGR (Exhaust Gas Recirculation), et motivé la recherche dans le domaine de la combustion aux basses températures (c’est-à-dire en dessous de 1000 K). Dans ces conditions, la chimie de la combustion est plus complexe car la production de radicaux repose sur la formation de peroxydes. La ramification chimique est ainsi indirecte et dépend de manière importante de la structure du carburant initial. Pour faciliter l'utilisation de carburants modernes issus de la biomasse, des modèles prédictifs doivent ainsi être construits et validés.

     

    Les progrès récents dans la production de carburants liquides à partir de la biomasse lignocellulosique ont engendré un besoin de connaissances sur les mécanismes chimiques et la cinétique réactionnelle d'une large variété de molécules dans ces conditions de combustion de basses températures. Afin d'éclairer ceux-ci, des études expérimentales seront menées à l'aide d'une Machine à Compression Rapide (MCR). Ce réacteur de laboratoire permet d'approcher les conditions de fonctionnement d'un moteur en comprimant des mélanges gazeux à des températures allant de 600 à 1000 K et des pressions de 1 à 30 bar. Ce réacteur permet à la fois la mesure de délais d'auto-inflammation, mais aussi de prélever le milieu réactif pendant ce délai d'auto-inflammation, et permet ainsi d'acquérir des données de validation des modèles cinétiques globales (délais) et détaillées (profils d'espèces). La mesure de profils d'espèces par prélèvement pendant le délai d'auto-inflammation n'est possible à l'heure actuelle que dans deux dispositifs au monde. En supplément de ces résultats, des adaptations mécaniques seront faites à la MCR afin de faciliter le développement de diagnostics optiques basés sur la spectroscopie d'absorption dans l'infra rouge proche.

    Le candidat recherché devra justifier d’une formation en chimie, physique, physico-chimie avec de solides bases en réactivité en phase gazeuse et/ou en combustion. Au vu de l'implication de l'équipe dans plusieurs initiatives collaboratives internationales, un bon niveau en anglais est exigé.

     

    Programmes de recherche en lien avec le sujet :               CPER Climibio

    Mots clés :          Biocarburants – Biomasse – Combustion de basses températures– Cinétique chimique

    Encadrant: Guillaume Vanhove
    Laboratoire: PC2A
    Contact: Guillaume Vanhove  Tel : 03 20 43 44 85

  • Toward a smart sensor network to monitor and prescribe indoor air quality
    Présentation:

    Indoor air pollution has been recognized as a worldwide major health concern. Because of the diversity of indoor environments, construction techniques and materials, occupants behavior, understanding and predicting the indoor air quality, identifying its key drivers, and proposing improvement solutions, still require considerable efforts, both in expert modeling and in experimental studies. The PC2A laboratory has been investigating in the last three years the adequacy of chemical sensors for the monitoring of indoor air pollution, and is considering establishing a campus-wide dedicated network of sensors. The objective of this PhD proposal is to collaborate with the CRIStAL laboratory to set up an air quality living lab, taking the form of a distributed cyber-physical system, that can be used to monitor, visualize (computer platforms and/or cellular phones), analyze and prescribe in real-time the air quality in various buildings of a university campus, while ascertaining the validity of the data (quality control and on-field sensor calibration procedures) and minimizing energy consumption and data flow. The proposed project therefore goes beyond the state-of-the-art of air quality monitoring platforms by integrating prescriptive analytics to explore the decision space of actions that can be applied to improve the indoor air quality, thus providing actionable and automatable feedbacks to stakeholders (from end-users to experts). The ideal candidate should therefore have a solid background in ICT-related fields (communication protocols, data transfer and storage, electronics, data analysis...), but will also be trained in atmospheric chemistry and associated analytical techniques.

    Programmes de recherche en lien avec le CPER CLIMIBIO,

    Mots clés : Indoor air quality, sensor networks, prescriptive analytics

     

    Responsables et coordonnées :

    PC2A :                   Benjamin Hanoune           benjamin.hanoune@univ-lille1.fr                   Tel : 03 20 43 40 67

    CRISTAL :           Romain Rouvoy                  Romain.Rouvoy@univ-lille1.fr                        Tel : 03 59 35 87 77

    Encadrant: Benjamin Hanoune (PC2A), Romain Rouvroy (CRISTAL)
    Contact: Benjamin Hanoune, Tel : 03 20 43 40 67
    Romain Rouvoy, Tel : 03 59 35 87 77

  • Etude théorique de la solvatation de composés iodés d'intérêt atmosphérique
    Présentation:

    Les composés iodés émis dans l’atmosphère ne subissent pas uniquement des processus de dégradation en phase gazeuse. Ils peuvent être également soumis à des processus hétérogènes dus à la présence d’aérosols et notamment ceux qui font intervenir les hydrométéores (nuages). Au niveau de la troposphère, leur proportion aboutit à l’apparition ou à la modification de différents processus. Pour les composés hydrosolubles, le phénomène de solubilisation constitue un puits. Une fois incorporés, ces composés sont soit stabilisés en solution et disparaissent de l’atmosphère par le biais de la sédimentation des hydrométéores, soit ils subissent des réactions en phase aqueuse telles que des réactions d’hydrolyse ou d’oxydation. Ces réactions en phase aqueuse peuvent être beaucoup plus rapides que celles pouvant se produire en phase gazeuse.                   

    Les processus d’interactions hétérogènes entre les composés iodés et les hydrométéores constituent un domaine encore peu connu mais dont la compréhension permettra d'améliorer la modélisation atmosphérique de l'iode avec un modèle chimie - transport. Pour cela, il importe d’une part de coupler ces processus avec ceux de la chimie homogène et d’autre part de connaître un certain nombre de paramètres concernant les interactions gaz/liquide afin de fournir des données cohérentes quant au devenir des composés iodés.

    L'étude de la solvatation des composés iodés présents dans l'atmosphère se fera en utilisant les méthodes de chimie théorique les plus pertinentes en vue des propriétés recherchées (constante de la loi d'Henry, réactivité en phase aqueuse, etc.). Les laboratoires PC2A et PhLAM ont déjà acquis l'expertise pour traiter de tels systèmes électroniques.

     

    Ce projet s’effectue dans le cadre du Laboratoire de Recherche Commun C3R (Cinétique Chimique, Combustion, Réactivité) IRSN/CNRS/Lille1 et le LABEX CaPPA – WP6 (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere).

     

    Le candidat recherché devra justifier d’une formation en chimie, physique ou physico-chimie avec de solides bases en chimie théorique, cinétique, thermodynamique, chimie atmosphérique.

    L'étude de la solvatation des composés iodés présents dans l'atmosphère se fera en utilisant les

    Programmes de recherche en lien avec : LRC C3R, LaBEX CaPPA

    Mots clés : Iode  -  Atmosphère - Nuages – Chimie théorique - Agrégats - Dynamique moléculaire

    Encadrant: Florent Louis (PC2A), Valérie Vallet (PhLAM), Florent Réal (PhLAM)
    Contact: Florent Louis, Tel. 03 20 33 63 32
    Valérie Vallet, Tel. 03.20.33.59.85
    Florent Réal, Tel. 03.20.33.59.29

  • Études cinétiques des réactions d’intérêt atmosphériques par détection simultanée des radicaux OH et RO2 couplé à la photolyse laser
    Présentation:

    Les radicaux OH ainsi que des radicaux peroxyles (HO2 et RO2) sont des espèces clés dans les mécanismes réactionnels en chimie de l’atmosphère mais également en combustion, deux domaines de recherches développés au laboratoire PC2A.  Dans ce cadre, nous avons mis en place un dispositif expérimental résolu dans le temps pour la mesure de ces radicaux afin d’étudier les cinétiques de réactions élémentaires. Il s’agit d’une cellule de photolyse laser, qui initie la réaction par photolyse pulsée d’un précurseur approprié (p.e. H2O2 pour faire le radical OH), couplée à trois moyen de détection : la Fluorescence Induite par Laser à haut cadence permet de détecter le radical OH d’une manière relative, deux voies de Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS) permet la quantification simultanée de deux espèces, par exemple HO2, OH (quantitatif), CH3O2, CH2O, H2O2…                                        

    Dans le cadre de cette thèse ce dispositif sera utilisé pour l’étude de différents systèmes d’intérêt atmosphérique, par exemple :

    la réaction entre les radicaux RO2 et OH. Nous avons très récemment montré que ces réactions jouent un rôle important dans les atmosphères propres. Il est prévu d’étudier les réactions des radicaux RO2 issue des l’oxydation des COV biogénique.
    les réactions entre le radical HO2 et d’autre radicaux peroxyle RO2, importantes aussi bien en atmosphère qu’en combustion basse température, peuvent mener aux produits stables (i.e. terminaison de la chaîne de réaction) ou à la formation des radicaux OH (i.e. continuation de la chaîne de réaction). La mesure simultanée et absolue de OH et RO2 / HO2 permet de déterminer le rapport de branchement entre ces deux voies.

    Le candidat rechercher devra justifier d’une formation en chimie, physique ou physico-chimie avec de solides bases en spectroscopie, réactivité, optique atmosphérique.

    Programmes de recherche en lien avec le LaBEX CaPPA et le CPER ClimiBio

    Mots clés : Réactivité homogène – Chimie radicalaire – Photolyse laser – Spectroscopie

    Encadrant: Christa Fittschen, Coralie Schoemaecker
    Contact: Christa Fittschen, Tel. 03 20 43 72 66
    Coralie Schoemaecker, Tel. 03 20 43 72 66