Identification and characterisation of physicochemical processes controlling indoor concentrations of submicron aerosols and volatile organic compounds

par Evdokia Stratigou

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers

Sous la direction de Véronique Riffault et de Sebastien Dusanter.

  • Titre traduit

    Identification et caractérisation des processus physicochimiques contrôlant les concentrations en particules submicroniques et composés organiques volatils en air intérieur


  • Résumé

    La concentration de particules en suspension (PM) trouvée dans l’air des espaces confinés dépend de l’intensité des sources (émission / remise en suspension locale et transport d’air extérieur) et des puits (dépôt et élimination par échange d’air). La modélisation de la QAl peut donc être obtenue par une équation de bilan massique. Néanmoins, de grandes incertitudes demeurent en raison de la difficulté de prendre en compte avec précision la co-variabilité entre les processus et les transformations se déroulant au sein d’espaces confinés. Cette thèse développe les connaissances scientifiques sur l’origine et le comportement des polluants intérieurs en phases gazeuse et particulaire. Une première campagne a fourni une description complète des processus physiques contrôlant les concentrations de polluants en air intérieur dans une pièce inoccupée. En utilisant les paramètres quantifiés mentionnés ci-dessus, un modèle de bilan massique a fourni des informations sur la clôture de bilan des particules. Les résultats ont montré que, en minimisant les sources provenant de l’intérieur et en caractérisant soigneusement le taux de renouvellement d’air, le facteur de pénétration et le taux de dépôt, PM25 et PM10 peuvent être bien décrites à partir de données extérieures, tandis que PM1 montre une variabilité significativement plus marquée due aux transformations physicochimiques. Par la suite, lors d’une 2ème campagne intensive, les COV (par PTR-QiToFMS), la composition chimique (par HR-ToF-AMS) et les transformations de particules ont été mesurés en temps réel. Il a été constaté que les concentrations élevées de composés organiques volatils à l’intérieur de l’espace étudié proviennent principalement des émissions de matériaux, tandis que pour les particules, les changements observés dépendent de leur composition chimique et de leur diamètre, montrant une diminution de 20 % pour les plus petites particules (>1,0 µm) à 86 % pour les plus grosses particules (> 5,0 µm). En résumé, l’environnement intérieur agit comme source de COV en émettant ces composés en continu, alors qu’une tendance inverse est observée pour les particules, du fait de transformations possibles pouvant se produire même dans les conditions les plus simples, sans occupant ni équipement.


  • Résumé

    The concentration of suspended particulate matter (PM) found indoors depends on the strength of sources (emission/resuspension and transport from outdoors) and sinks (deposition and removal by air exchange), thus modeling indoor air quality can be achieved through a mass balance equation. Nonetheless, large uncertainties remain due to challenges of accurately considering co-variability between processes and transformations taking place indoors. This thesis improves the scientific knowledge on the origin and behavior of indoor pollutants in the particle and gas phases. A first campaign provided a complete description of the physical processes controlling the indoor concentrations in an unoccupied room. Using the abovementioned quantified parameters, a mass balance model provided insights for the particle budget closure. The results showed that when indoor sources are not significant, a careful characterization of air exchange rate, penetration factor and deposition rate allows to model PM2.5 and PM10 in a satisfying manner from outdoor data. However the PM1 fraction shows a significantly higher variability due to physicochemical transformations. Subsequently, a second intensive campaign was performed to investigate VOCs (by PTR-QiToFMS) and PM1 chemical composition (by HR-ToF-AMS) and transformations in real time. Elevated concentrations of VOC indoors are found to come mainly from material emissions, while the changes observed for particles depend on their chemical composition and diameter, showing a decrease from 20% for smaller particles (<1.0 μm) up to 86% for larger ones (>5.0 μm). In summary, the indoor environment acts mainly as a continuous emission source of VOCs, while the opposite trend is observed the particles due to possible transformations that can occur even under the simplest conditions, with no occupants and no furnishing.