Caractérisation d'intermédiaires de combustion, de polluants et de produits hautement oxygénés par chromatographie liquide et spectrométrie de masse Orbitrap pour la compréhension des mécanismes réactionnels d'oxydation de biocarburants

Characterization of combustion intermediates, pollutants and highly oxygenated products by liquid chromatography and mass spectrometry Orbitrap for the understanding of biofuel oxidation pathways

• Auteur / Autrice : Nesrine Belhadj
• Direction : Philippe Dagaut, Fabrice Foucher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/09/2022
• 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 : Hervé Jeanmart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roland Benoit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Vanhove, Pierre-Alexandre Glaude

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à combustion interne -- Combustion

Cinétique chimique

Spectroscopie à haute résolution

Chromatographie en phase liquide

Oxydation

Biocarburants

Mots clés libres

Spectrométrie de masse haute résolution (Orbitrap Q-Exactive)

Flamme froide

Oxydation en phase gazeuse

Réacteur auto-agité

Moteur entrainé

Machine à compression rapide

High resolution mass spectrometry (Orbitrap Q-Exactive)

Cool flame

Gas phase oxidation

Jet-stirred reactor

Motored engine

Rapid compression machine

Résumé

Depuis plusieurs décennies, la transition écologique et le développement durable sont au cœur des préoccupations des organisations mondiales. Ainsi, l'exploitation et la valorisation de la biomasse lignocellulosique, visant à diminuer la dépendance aux ressources fossiles et à réduire les émissions de gaz à effet de serre, voient leur importance grandirent. Dans le domaine énergétique, la production de potentiels biocarburants (ex. éther diéthylique, éther dibutylique, tétrahydrofurane, n-pentane, n-hexane) est particulièrement importante. Ces derniers pouvant se présenter sous diverses structures chimiques, leur combustion et mécanismes de formation de leurs intermédiaires d'oxydation suscitent l'intérêt des chercheurs. Plusieurs dispositifs expérimentaux (réacteur auto-agité, moteur à combustion interne, machine à compression rapide) ont été utilisés pour oxyder des biocarburants dans la zone de flamme froide. Le développement d'une méthode chromatographique par couplage de la chromatographie en phase liquide et de la spectrométrie de masse haute résolution ont permis de caractériser des intermédiaires d'oxydation peu étudiés auparavant (hydroperoxydes, cétohydroperoxydes et molécules hautement oxygénées). Les profils des produits d'oxydation formés dans le réacteur auto-agité ont été comparés aux résultats de simulations utilisant des modèles cinétiques issus de la littérature. De plus, la comparaison entre les espèces chimiques formées dans les trois systèmes expérimentaux a démontré une similitude entre les processus chimiques de combustion dans chacun des systèmes, et ce malgré leurs différentes caractéristiques physiques.

Since several decades, ecological transitions and sustainable development have been of great interest of global organizations. Thus, the exploitation lignocellulosic biomass aiming at decreasing the dependence on fossil resources and reducing greenhouse gas emissions, open the field of application in the energy sector, in particular the production of potential biofuels (e.g., diethyl ether, dibutyl ether, tetrahydrofuran, n-pentane, n-hexane). Because they have various chemical structures, their combustion and the mechanisms of formation of their oxidation intermediates are of interest to researchers. Several experimental devices (jet-stirred reactor, motored engine, rapid compression machine) have been used to oxidize biofuels under the cool flame regime. The development of a chromatographic method by coupling liquid chromatography and high-resolution mass spectrometry allowed the characterization of oxidation intermediates little studied before (hydroperoxides, ketohydroperoxides and highly oxygenated molecules). The profiles of the oxidation products formed in a jet-stirred reactor were compared to predictions of kinetic models found in the literature. In addition, comparison of the chemical species formed in the three experimental systems showed strong similarity, despite their different physical properties.