Structure et propriétés physico-chimiques à l'échelle nanométrique d'aérosols carbonés d'origine aéronautique

Structure and physico-chemical properties of aircraft carbonaceous aerosols at the nanometer scale

• Auteur / Autrice : Iman Marhaba
• Direction : Daniel Ferry, Philippe Parent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 05/12/2017
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM)
• Jury : Président / Présidente : Barbara D'Anna
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Launois, Daniel Gaffie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Pino, Pascale Desgroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique en transmission

Spectrométrie XANES

Avions -- Turboréacteurs

Suie

Mots clés libres

Suies

Turboréacteur

Met

Ftir

Nexafs

Xps

Soot

Jet engine

Tem

Ftir

Nexafs

Xps

Résumé

Les particules de suie émises par les moteurs d'avion influencent le climat en absorbant/diffusant la lumière solaire. Elles agissent aussi comme noyaux glaciogènes dans l’atmosphère en participant à la formation des traînées de condensation et des cirrus artificiels, ce qui augmente la nébulosité et affecte l'équilibre radiatif de l'atmosphère. Dans les zones aéroportuaires, elles contribuent à la dégradation de la qualité de l’air et peuvent affecter la santé humaine. Connaître leurs propriétés physico-chimiques est donc primordial pour évaluer leurs impacts environnementaux, sanitaires et agir pour leur réglementation. Nous avons caractérisé les propriétés physiques et chimiques de suies émises par un turboréacteur SaM146-1S17 alimenté avec du kérosène JET A-1 et fonctionnant à différents régimes, dont le régime de croisière. Des informations précises sur leur morphologie, leur (nano)structure, leur composition/spéciation chimique ont été obtenues par microscopie électronique à transmission (TEM), spectroscopie infra-rouge (FTIR), spectroscopie d'absorption des rayons X (NEXAFS) et photoémission X (XPS). Ces techniques ont également permis de caractériser des suies de laboratoire produites par un générateur commercial (miniCAST, Jing Ltd.) et de montrer qu’il permet de générer de bons analogues des suies aéronautiques. La production de quantités importantes de ces analogues aux propriétés physico-chimiques contrôlées offre de nouvelles perspectives quant à l’étude en laboratoire de la réactivité des suies aéronautiques vis-à-vis des environnements atmosphériques et biologiques, permettant d’améliorer notre compréhension de leurs impacts environnementaux et sanitaires.

Soot particles emitted from aircraft engines influence climate by absorbing and scattering sunlight. They also act as ice condensation nuclei in the atmosphere by participating to the formation of condensation trails and artificial cirrus clouds that increase the cloudiness and affects the radiative balance of the Earth’s atmosphere. In airport areas, they contribute to the degradation of air quality and can affect human health. Knowing their physical and chemical properties is therefore of prime importance to assess their environmental and health impacts as well as acting for their regulation. We have characterized physical and chemical properties of soot emitted by a SaM146-1S17 turbofan engine fueled with kerosene JET A-1 and operated at different regimes, including the cruise regime. Accurate information about their morphology, (nano)structure, chemical composition/speciation have been obtained by transmission electron microscopy (TEM), infrared spectroscopy (FTIR), Near-Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). These techniques have also been used to characterize laboratory soot produced by a commercial generator (miniCAST, Jing Ltd.) and to show that it can generate relevant analogues of aeronautic soot. The production of large amounts of these analogues with controlled physico-chemical properties offers new prospects for laboratory studies of aeronautic soot’s reactivity with respect to atmospheric and biological environments aiming at improving our understanding of their environmental and health impacts.