PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère

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Réactivité atmosphérique homogène et hétérogène

Post-docs en cours

  • Influence du vieillissement de la matière organique sur les propriétés hygroscopiques des particules d’aérosols
    Présentation:

    En agissant comme noyaux de condensation, les particules d’aérosols participent à la formation des nuages. Cette propriété des aérosols dépend très fortement de la nature chimique de la particule mais aussi de sa taille.

    L’objectif est d’étudier les propriétés hygroscopiques des aérosols en fonction de leur composition chimique et de leur taille. On se focalisera notamment sur le rôle de l’oxydation de la matière organique particulaire sur ces propriétés. Les études seront menées au PC2A au sein de réacteurs à écoulement sur des particules modèles, particules organiques pures (liquide ou solide) mais aussi particules mixtes constitués d’un cœur inorganique recouvert d’espèces organiques très peu volatiles. On s’attachera à décrire l’évolution chimique de la particule au cours de son vieillissement mais aussi son éventuelle transformation physique (changement de taille, changement de phase) tout en déterminant les propriétés hygroscopiques des particules.

    La personne recrutée bénéficiera de l’équipement scientifique dont dispose l’équipe pour développer ce projet : réacteur photochimique à écoulement d’aérosols, GC/MS, GC/FID, analyseurs de gaz, spectromètres IR et UV, SMPS, CCNC). Elle travaillera en relation étroite avec les équipes impliquées dans le Laboratoire d’Excellence, Labex CaPPA (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere).

     

    Post Doc : Ahmad EL MASRI

    Financement : labex CaPPA

    Contact: Denis PETITPREZ, denis.petitprez@univ-lille1.fr
    Tel: (33) (0)3 20 43 65 62

Thèses en cours

  • Propriétés optiques des aérosols : mesures expérimentales dans l’infrarouge et inversion de données satellitaires
    Présentation:

    A ce jour, de nombreux instruments de sondage à distance de l’atmosphère permettent de détecter les aérosols à partir d’instruments déployés au sol ou embarqués sous ballon, avions ou plateformes satellites. Il est notamment possible, à partir de spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF), de quantifier la nature, la granulométrie et la concentration des constituants atmosphériques liquide et solide. Or, bien que des études de faisabilité aient démontré le potentiel des spectres infrarouge à haute résolution spectrale, ces derniers sont encore très peu exploités et leur utilisation reste confinée aux analyses d’espèces gazeuses. Ceci s’explique d’une part, par la complexité du traitement du transfert radiatif dans ce cas (absorption + diffusion + émission thermique + émission solaire…) et d’autre part, par le manque de propriétés optiques de références obtenues en laboratoire.
    Nous proposons d’enregistrer au laboratoire les spectres d’extinction IR de particules d’aérosols modèles dont la taille, la concentration en nombre et la composition chimique seront connues. Les propriétés optiques des aérosols seront déterminées à partir de l’inversion des spectres IR enregistrés en laboratoire dans une gamme spectrale et avec une résolution compatibles avec celles des instruments satellitaires, tels que IASI ou GOSAT, facilitant ainsi l’intégration directe des mesures de laboratoire dans les modèles d’inversion. Ces données alimenteront les bases de données encore peu renseignées dans le domaine infrarouge.

    Programme de recherche en lien avec le LABEX CAPPA (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere)

    Doctorant : Patrice HUBERT

    Mots clés : Métrologie des aérosols - propriétés optiques – spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier – sondage atmosphérique

    Financement : Labex CAPPA (50%), Région (50%)

    Encadrant: Denis Petitprez (PC2A), Hervé Herbin (LOA)
    Laboratoire: Laboratoires PC2A et LOA
    Contact: Denis Petitprez, Tel : 03 20 43 65 62
    Hervé Herbin, Tel : 03 20 43 61 83

  • Études cinétiques des réactions d’intérêt atmosphériques et en combustion 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 deux techniques de détection :

    - le radical OH est détecté par la technique FIL (Fluorescence Induite par Laser) à haute cadence (10 kHz) : cette technique permet de suivre l’évolution de la concentration des radicaux OH après l’impulsion du laser de photolyse avec une résolution temporelle de 100 µs. L’utilisation d’un tel laser à haute cadence pour les mesures résolue dans le temps est encore rare dans le monde.
    - les radicaux peroxyles RO2 sont détectés par le technique cw-CRDS (continous wave Cavity Ring Down Spectroscopy) : cette technique est une technique d’absorption très sensible, basée sur la mesure du taux de déclin d’une impulsion lumineuse, piégée dans une cavité optique. Ce « ring-down time » dépend d’abord de la réflectivité des miroirs (en général supérieure à 99.99%, plus la réflectivité est élevée, plus les photons effectuent d’aller-retour avant de s’échapper de la cavité et plus le ring-down time est long), et ensuite de la concentration en espèces absorbantes se trouvant entre les miroirs. La mesure de ces ring-down time se produisant à différents délais par rapport à l’impulsion de laser photolyse permet de déterminer le profil temporel des radicaux RO2. Le couplage de cette technique avec une initiation de réaction par impulsion laser est unique au monde.

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

    (i) la dégradation de l’isoprène, un composé organique volatile (COV) émis en grande quantité par la végétation, est un sujet de haute actualité : la mesure directe et simultanée de OH et RO2 peut apporter des informations importantes pour mieux comprendre son oxydation.
    (ii) 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 de OH et RO2 / HO2 permet de déterminer le rapport de branchement entre ces deux voies.

    Programme de recherche en lien avec le sujet :
    Labex CaPPA

    Mots clés :
    radicaux-réactivité-cinétique-combustion-atmosphère-diagnostic laser

    Financement : Cofinancement 50%Labex CaPPA - 50% Président Lille 1

    Candidat : Emmanuel ASSAF
     

    Encadrant: C. Fittschen, C. Schoemaecker
    Laboratoire: Lab. PC2A
    Contact: Christa Fittschen  Tél : 03.20.33.72.66
    Coralie Schoemaecker , Tél : 03.20.33.72.66
     

  • Etude de la réactivité atmosphérique par mesures expérimentales de la capacité oxydante de l'atmosphère
    Présentation:

    Ce travail de thèse porte sur une approche expérimentale de l’étude de la chimie atmosphérique au moyen du développement et de l’utilisation d’une technique de caractérisation des radicaux atmosphériques que sont les radicaux hydroxyl OHŸ, hydroperoxyle HO2Ÿ et peroxyles RO2Ÿ (R représentant un groupement carboné). En effet, ces espèces réactives sont impliquées dans les processus de transformation des composés organiques volatils (COV) gazeux émis par la nature (végétation) ou les activités anthropiques (trafic, industries,…). Les produits formés sont des espèces plus oxygénées, plus fonctionnalisées voire des Aérosols Organiques Secondaires (AOS). Malgré la réalisation de campagnes de mesures sur le terrain et le déploiement d’un nombre de plus en plus important d’instruments, une part importante de la réactivité atmosphérique reste non identifiée. Cela entraine des incertitudes dans les mécanismes chimiques utilisés dans les modèles atmosphériques et limite l’analyse et la compréhension des phénomènes observés dans l’atmosphère.

    Afin d’apporter des éléments de réponses concernant ces mécanismes, nous proposons dans ce travail de thèse de réaliser des expériences de laboratoire mais également des mesures de terrain portant sur la quantification des radicaux OH, HO2 et RO2 et également sur la mesure du temps de vie de OH (mesure de l’ensemble des voies de consommation de OH) par la technique FAGE (Fluorescence Assay by Gas Expansion). Cette technique, sélective et sensible, reposant sur la mesure de la Fluorescence Induite par Laser de OH à basse pression, est utilisée par une dizaine de laboratoires dans le monde. Un instrument a été développé ces dernières années au laboratoire PC2A. Celui-ci sera utilisé au cours de la thèse lors d’études en laboratoire pour évaluer le potentiel de la technique à la mesure des radicaux RO2Ÿ mais également pour caractériser de façon détaillée les potentielles interférences liées à d’autres espèces réactives (telles que les intermédiaires de Criegee produits lors de l’ozonolyse des alcènes). Il sera également déployé sur le terrain pour des intercomparaisons avec d’autres instruments en chambres à simulations atmosphérique afin de tester la fiabilité des mesures. Des mesures en environnements forestiers permettront également l’étude ciblée de l’oxydation des espèces biogéniques et leur rôle dans la formation des AOS.

    Doctorant : Mohamad Al Ajami

    Programmes de recherche en lien avec le sujet :

    CPER CLIMIBIO, LaBEX CaPPA

    Mots clés :

    Radicaux atmosphériques– capacité oxydante de l’atmosphère – mécanisme chimique - Diagnostic Optique – campagnes de terrain

    Financement : 50% Labex CaPPA

    Encadrant: C. Schoemaecker, C. Fittschen
    Laboratoire: lab. PC2A
    Contact: coralie Schoemaecker Tel : 03 20 33 72 66

    Christa Fittschen Tel : 03 20 33 72 66

  • Physico-chimie des aérosols et propriétés optiques : mesures expérimentales dans le domaine IR et inversion des données satellitaires
    Présentation:

    A ce jour, de nombreux instruments de sondage à distance de l’atmosphère permettent de détecter et de quantifier des espèces gazeuses atmosphériques clés à partir de spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) embarqués sous ballon, avions ou plateformes satellites. Or ces spectres infrarouges à haute résolution spectrale contiennent aussi des signatures imputables aux aérosols atmosphériques. Bien qu’encore très peu exploités, il est possible d’inverser ces spectres IR pour identifier la nature chimique des particules d’aérosols et leur granulométrie. Ceci s’explique d’une part, par la complexité du traitement du transfert radiatif dans ce cas (absorption + diffusion + émission thermique + émission solaire…) et d’autre part, par le manque de propriétés optiques de références obtenues en laboratoire. C’est pourquoi les laboratoires PC2A et LOA ont développé une méthodologie originale permettant de dériver les indices de réfraction de particules à partir de spectres d’extinction enregistrés dans la gamme spectrale infrarouge et UV-vis compatibles avec celles des instruments satellitaires, tels que IASI ou GOSAT, facilitant ainsi l’intégration directe des mesures de laboratoire dans les modèles d’inversion. Ces expériences alimenteront les bases de données encore peu renseignées dans le domaine infrarouge. Nous proposons de poursuivre ce projet en élargissant la nature des aérosols étudiés : particules liquides, particules mixtes, particules solides recouvertes d’organiques. Enfin une partie de l’étude plus exploratoire portera sur le lien entre vieillissement atmosphérique des particules et évolution de leurs propriétés optiques.

    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 sujet :

    LaBEX CaPPA

    Doctorant : Alexandre Deguine

    Métrologie des aérosols  -  Réactivité hétérogène - Propriétés optiques – Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et UV-vis – Sondage atmosphérique

    Financement : 50% Lille1, 25% Labex CaPPA(PC2A), 25% labex CaPPA (LOA)

    Encadrant: D. Petitprez, N. Visez, H. Herbin (LOA)
    Laboratoire: lab. PC2A & LOA
    Contact: Denis Petitprez   (PC2A) Tel : 03 20 43 65 62
    Nicolas Visez      (PC2A) Tel : 03 20 43 65 62
    Hervé Herbin      (LOA) Tel :  03 20 33 61 83

  • Modifications physico-chimiques du pollen par la pollution atmosphérique
    Présentation:

    La pollution atmosphérique transforme le pollen : sa composition chimique est modifiée, sa structure physique est altérée, ses fonctions biologiques de reproduction sont diminuées et les pollens allergisants sont généralement plus allergisants lorsqu’ils sont pollués.

    Malgré une littérature abondante sur le sujet, l’influence précise de la pollution sur l’allergénicité du pollen n’est toujours pas connue. Certains effets de la pollution sur le pollen sont encore incertains et la dose de polluants affectant le pollen n’est pas connue.

    Troix axes de recherches sur les effets de la pollution sur le pollen seront explorés. Les effets de la pollution seront recherchés directement sur la composition chimique du pollen (A) : modification des composés organiques naturellement présents et ajout de composés d’origine anthropique (pesticides). Les vitesses de réaction de deux polluants atmosphériques (NO2 et O3) seront déterminées sur différents pollens (B). Enfin les effets de ces pollutions naturelles ou artificielles seront recherchés sur la structure même du pollen et la fragilisation (C) de son enveloppe extérieure (l’exine).

     

    Début de thèse : Octobre 2015

    Doctorante : Jinane FARAH (en co-tutelle avec le Liban)

    Encadrant: D. Petitprez, N. Visez
    Laboratoire: lab. PC2A
    Contact: D. Petitprez, denis.petitprez@univ-lille1.fr
    N. Visez, nicolas.visez@univ-lille1.fr
    tel: 0230436562

  • Etude de la réactivité d'espèces radicalaires de type peroxyles d'intérêt atmosphérique
    Présentation:

    Dans l’atmosphère, les polluants organiques tels que les Composés Organiques Volatils (COV) sont oxydés photochimiquement et conduisent à la formation de radicaux de type peroxyles : hydroperoxyles HO2. et alkylperoxyles RO2. , qui jouent un rôle prépondérant dans la chimie de la troposphère. La réactivité des radicaux peroxyles contrôle la capacité oxydante de l’atmosphère et la formation d’ozone troposphérique et de polluants secondaires, elle est cependant encore mal connue et sujet à polémique dans les travaux de la littérature, notamment en atmosphère propre contenant peu d’oxydes d’azote (régions éloignées des activités humaines). L’objectif du projet de thèse est l’étude des réactions entre les radicaux RO2. + HO2. pour une meilleure compréhension de la chimie atmosphérique, ces réactions pouvant mener à des processus de terminaison (puits de radicaux) ou de propagation (formation de nouveaux radicaux, ex. OH). Pour cela, un nouveau dispositif expérimental développé au PC2A sera utilisé. Celui-ci comprend un réacteur à écoulement couplé à trois techniques complémentaires ; deux techniques optiques : la Fluorescence Induite par Laser (FIL) pour la mesure in-situ du radical OH. et la spectroscopie à temps de déclin d’une cavité optique (cw-CRDS : continuous wave Cavity Ring-Down Spectroscopy) pour la mesure in-situ des radicaux HO2. ; et une technique analytique : la Spectrométrie de Masse avec prélèvement par Faisceau Moléculaire (FM/SM) permettant la mesure d’espèces stables (produits de réaction) et radicalaires. Les constantes de vitesse des réactions du type RO2. + HO2., ainsi que les rapports de branchement pourront être déterminés grâce à une caractérisation détaillée des radicaux et produits impliqués dans ces réactions. 

     

    Ce projet de thèse s’adresse aux candidats intéressés par les aspects expérimentaux de la recherche et ayant une formation en chimie ou physico-chimie avec de bonnes connaissances en chimie atmosphérique.

     

    Programmes de recherche en lien avec le sujet :               LaBEX CaPPA (WP1), Climibio (WP1)

     

    Mots clés :  Réactivité atmosphérique – Radicaux peroxyles - Techniques optiques - Spectrométrie de masse – Constante de vitesse – Rapport de branchement

     

    Encadrant: L. Pillier, C. Fittschen (Directrice)
    Laboratoire: PC2A
    Contact: Laure Pillier
    Christa Fittschen

Masters en cours

  • ATMOSPHERIC AGING OF ORGANIC PARTICLES
    Présentation:

    The knowledge of the chemical composition of particles is crucial to understand their impact on climate and health. The chemical composition evolves in the atmosphere as the particles are chemically aged by oxidation processes. The organic composition of atmospheric aerosols is so complex that heterogeneous chemistry is not yet well understood and is the subject of a huge diversity of laboratory studies worldwide (secondary organic aerosol formation, interactions with radicals, with ozone, with light, …).

     

    In this context, this research project aims to gain more knowledge on the oxidation of organic particles in the atmosphere. Uptake coefficient, reaction products and mechanism will be determined. The influence on reactivity of chemical composition and size distribution of particles, presence of water and concentration of oxidants will be investigated. Several studies in PC2A have already been conducted in this specific area of interest1-3 with pure fatty acids particles. The candidate will gain a strong training into the following laboratory equipment: aerosol flow tube, aerosol sizer (SMPS and APS), and GC-MS.

    1. Mendez et al., Atmos. Chem. Phys., 13 11661-73, 2013

    2. Ciuraru et al., J. Atm. Chem., 70 341-55, 2013

    3. Mendez et al. J., J. Phys. Chem. A, 40 9471-81, 2014

     

    Keywords: Heterogeneous Chemistry, Analytical Chemistry, Aerosol Organic Matter

    Master student: Chao ZHU

     

    Encadrant: Nicolas VISEZ
    Laboratoire: lab. PC2A
    Contact: Nicolas Visez
    nicolas.visez@univ-lille1.fr