Étude de la solubilité et de l'incorporation du formaldéhyde dans l'eau et la glace

Investigation of the solubility and the incorporation of formaldehyde in water and ice

• Auteur / Autrice : Adriana Oancea
• Direction : Cristian Focsa, Bertrand Chazallon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et Lasers, Physico-Chimie, Atmosphère
• Date : Soutenance le 21/06/2010
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Spectrométrie de masse

Clathrates

Équilibre liquide-vapeur

Formaldéhyde

Composés organiques volatils

Mots clés libres

Glace atmosphérique

Coefficient de Henry

Désorption thermique

Désorption laser

Résumé

L’impact des interactions hétérogènes entre la glace et les gaz traces sur la physico-chimie atmosphérique est à présent bien établi. A cause des propriétés spécifiques de la glace atmosphérique la quantification de cet impact reste encore très incertaine. Dans ce contexte nous avons étudié la solubilité et l’incorporation de formaldéhyde (H2CO) dans la glace, ce composé appartenant à la famille des composés organiques volatils qui ont une influence majeure sur la capacité oxydante de l’atmosphère. A l’aide de la spectrométrie de masse et de la spectroscopie d’absorption infrarouge par diode laser accordable, nous avons analysé la pression de vapeur de H2CO au-dessus des solutions aqueuses de formaldéhyde (10-3 à 30 mol %) à l’équilibre liquide vapeur à T = 295 K. L’analyse des solutions à faible concentration (<1mol %) a conduit à la détermination de la constante de Henry (H), paramètre thermodynamique important pour mieux comprendre la répartition de H2CO dans l’atmosphère. Cette étude a ensuite été étendue à T = 273 K, où une inversion dans la dépendance de H avec la température a été observée. Les mesures sur la phase gaz des solutions aqueuses concentrées ont servi à estimer la concentration de formaldéhyde dans les films de glace obtenus par co-condensation à basse température. Lors de l’analyse par la diffusion Raman, nous avons trouvé que lors du recuit sous une atmosphère d’azote, le mélange amorphe H2O-H2CO se transformait dans une structure clathrate à T = 148 K, même à faibles concentrations (~10-3 mol∙mol-1). L’azote gazeux s’adsorbe à la surface de la glace et semble agir par la suite comme un noyau de cristallisation pour la formation du clathrate de H2CO.

The impact of the heterogeneous interactions between the ice and the traces gases in the atmospheric physico-chemistry is now well established. However, because of the specific properties of the ice atmospheric crystals the quantification of this impact still remains very uncertain. In this context we have studied the solubility and the incorporation of the formaldehyde (H2CO) in the ice. This compound belongs to the group of volatile organic compounds (VOC), which have a major importance in atmospheric chemistry. By using mass spectrometry and infrared tunable diode laser absorption spectroscopy we analyzed the partial pressure of H2CO above the aqueous formaldehyde solutions at vapor liquid equilibrium. This has been done at T = 295 K, on a range of concentration going from 10-3 to 30 mol%. The analysis of the solutions with a concentration < 1 mol % leads to the determination of the Henry’s law constant (H) of formaldehyde. This is a key thermodynamic parameter to better characterize the distribution of formaldehyde in the atmosphere. This study was extended at T = 273 K, where an inversion in the dependence of H with the temperature was observed. Measurements on the gas phase of the concentrated aqueous solutions are used to estimate the formaldehyde concentration trapped in the ice films obtained by co-condensation at low temperatures. By annealing the ice-formaldehyde films we have found by Raman scattering that formaldehyde forms a clathrate hydrate phase at 148 K, even at low H2CO concentrations. The gaseous N2 adsorbs at the porous ice surface and forms a clathrate that will act as nucleation seed for the H2CO clathrate formation.