Composés organiques volatils dans l'atmosphère : mesures de terrain et étude en laboratoire de dégradation d'une famille d'esters

Volatile organic compounds in the atmosphere : field measurements and laboratory study of the degradation of a series of esters

• Auteur / Autrice : Min Cai
• Direction : Véronique Daële
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Physique de l'environnement
• Date : Soutenance le 15/09/2021
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Guimbaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aline Gratien, Yujing Mu, Abdelwahid Mellouki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelkhaleq Chakir, Alexandre Tomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Pollution atmosphérique

Oxydation

Composés organiques volatils

Chimie de l'atmosphère

Mots clés libres

Cinétiques de réaction

Constantes de vitesse

Radicaux OH

Station de recherche atmosphérique Atlas-Mohammed V

Reaction kinetics

Rate coefficient

OH radicals

Atlas-Mohammed V atmospheric research station

Résumé

La pollution atmosphérique à l'échelle locale et régionale est un problème d’environnement majeur en raison des effets qu'elle engendre sur la santé de l'homme et son environnement. Ce type de pollution est dû notamment à l’oxydation de composés organiques volatils (COVs) par différents oxydants atmosphériques comme les radicaux hydroxyles (OH), nitrates (NO3), l’atome de chlore (Cl)ou l’ozone (O3). Il est donc nécessaire de bien connaître les mécanismes chimiques de dégradation de ces COVs dans les conditions atmosphériques. L’objet de cette étude comprend d'abord des mesures de constantes de vitesse de réaction d’esters insaturés, avec les radicaux OH et l’ozone ainsi que la détermination de leurs mécanismes réactionnels. Ces esters sont des COVs souvent utilisés dans l’industrie. Ceux qui ont été ciblés sont le méthacrylate de méthyle, le méthacrylate d’éthyle, le méthacrylate de n-propyle, le méthacrylate de n-butyle, le méthacrylate d'iso-propyle, le méthacrylate d'iso-butyle et le méthacrylate de méthyle entièrement deutéré ; l’objectif étant aussi d’étudier l’effet de la substitution sur la réactivité de ces composés. Ces mesures cinétiques ont été réalisées à l’aide dedeux dispositifs expérimentaux, une cellule de photolyse laser couplée à la fluorescence induite par laser et une chambre de simulation atmosphérique. Cette dernière a aussi été utilisée pour les études mécanistiques de ces réactions.En plus des études conduites au laboratoire, ce travail présente des études effectuées sur le terrain en air ambiant. Des mesures réalisées au supersite – Voltaire-Helios, situé sur le campus CNRS d’Orléans, visaient à analyser l’effet du premier confinement lié à la pandémie de Covid-19. Ce travail présente aussi les résultats de la première grande campagne de mesures réalisée au Maroc dans la station de recherche atmosphérique ATLAS-MOHAMMED V vouée à devenir un observatoire à long terme de l’environnement atmosphérique régional en Afrique du Nord.

Air pollution on a local and regional scale is a major environmental problem because of the effects on human health and the environment. This pollution is due in particular to the oxidation of volatile organic compounds (VOCs) by various atmospheric oxidants such as hydroxyl radicals (OH), nitrates (NO3), chlorine atom (Cl) or ozone (O3). It is therefore necessary to know the chemical mechanisms of degradation of these VOCs under atmospheric conditions. The aim of this study is to measure there action rate constants of unsaturated esters with OH radicals and ozone, and to determine their mechanisms of reaction. These esters are often used in industry. Those targeted in the present workare methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-propyl methacrylate, n-butyl methacrylate, iso-propylmethacrylate, iso-butyl methacrylate and fully deuterated methyl methacrylate; the aim being also tostudy the effect of substitution on the reactivity of these compounds. These kinetic measurements were carried out using two experimental set-ups, a laser photolysis cell coupled to laser-induced fluorescence and an atmospheric simulation chamber. The latter was also used for the mechanistic studies of these reactions. In addition to the laboratory studies, this work reports on field studies in ambient air. Measurements carried out at the Voltaire-Helios supersite, located on the CNRS campus in Orléans, were aimed atanalysing the effect of the first lockdown related to the Covid-19 pandemic. This work also presents the results of the first major field campaign carried out in Morocco at the ATLAS-MOHAMMED V atmospheric research station, which is intended to become a long-term observatory for the regional atmospheric environment in North Africa studies.