Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Développement d’une chambre de simulation

atmosphérique à irradiation naturelle à Orléans : HELIOS

G. Eyglunent, A. Lecru, V. Daële, J. Sabatier, et A. Mellouki

Equipe Réactivité Atmosphérique, Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement (CNRS-Orléans)

Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Contexte

Responsabilité humaine Changement climatique qui continuera au cours du 21ème siècle

Gaz à effet de serre (longue durée de vie)

Ozone, NOx, Composés Organiques Volatils (COV), aérosols, … (courte durée de vie) de source anthropique

pollution atmosphérique sur différentes échelles spatio-temporelles

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Nécessité d’étudier les polluants atmosphériques en laboratoire et de développer des outils correspondant (concentrations proche atmosphère + maîtrise conditions opératoires extrapolation)

Projet HELIOS(cHambrE de simuLation atmosphérique à Irradiation naturelle d’OrléanS)

COV + OxydantIrradiation

Vitesse de réaction? kc ?

Comment? Mécanisme?

Particules?

Devenir? Produits ?

Système complexe

Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement (ICARE-CNRS-Orléans)

Missions: développer des recherches avancées dans les domaines de l’Énergie & Environnement, d’une part, et de la Propulsion & Espace, d’autre part.

Mots clefs : Énergie, environnement, combustion, pollution, propulsion, espace

Équipe Réactivité AtmosphériqueMissions: compréhension des phénomènes de chimie atmosphérique reproduits en laboratoire

Mots clefs : Composés organiques volatils et semi volatils, polluants atmosphériques, plate forme analytique, chambre de simulation atmosphérique, photochimie, aérosols organiques secondaires.

Groupe AtmosphèreMissions: Études chimiques et dynamiques de l'atmosphère à toutes latitudes et altitudes par mesures et modèles

Mots clefs : atmosphère terrestre, Environnements planétaires Physique des plasmas spatiaux, Astrophysique

Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement (LPCE-Orléans)

Partenaire industriel: CILAS (Orléans)

Missions: expertise dans les technologies lasers et optiques

Marchés : défense et sécurité civile et militaire, instrumentation scientifique et industrielle, composants optiques de pointe, grands programmes de lasers scientifiques

Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE1) irradiation simulée

Spectroscopie IRTF in situ

Miroirs de White

Granulomètre (SMPS)

Moniteurs (O3+NOx)

Mesure de HONO (LOPAP)

irradiation simulée (254 et 365 nm)

- Chambre de 7.2 m3

- Etudes cinétiques et mécanistiques en phase gazeuse (COV + Ozone, OH), formation de particules- Faibles concentrations

Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE1) irradiation simulée

- Chambre de 150-200 L- Etudes cinétiques et mécanistiques à hautes concentrations en phase gazeuse (COV+OH/Cl)- Analyses GC et Infrarouge

- Chambre de 250 L- Etudes de surfaces dépolluantes (diminution des NOx)- Analyses NOx

Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE2) irradiation naturelle

- Chambre de 3.4 m3

- Etudes de surfaces dépolluantes- Faibles concentrations- Analyse GC-PID, Moniteurs O3, NOx, HONO, J(NO2), SMPS- Station météo- Irradiation naturelle

homogénéisation

Extraction/Sonde humidité-température

Introduction des réactifs, prélèvements

Radiomètre

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Projet HELIOS : cHambrE de simuLation atmosphérique à Irradiation naturelle d’OrléanS

- Grand volume (33m3)

- Faible rapport Surface/Volume (1.2 m-1)

- Parc analytique Important

- Faibles concentrations (~ppb)

- Irradiation naturelle

Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Développement du projet - Etape 1: Construction

1) Mise en place des fondations et des sas de communication chambre/laboratoire

2) Construction du support et de la protection de la chambre (hangar)

3) Mise en place et fixation du film Téflon (paroi de la chambre)

4) Mise en place du parc analytique et connexion à la chambre

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Développement du projet - Etape 2: Validation

1) Caractérisation physique

- Détermination précise du volume de la chambre, évaluation des potentielles fuites à l’aide d’un traceur inerte (SF6)

- Évaluation de la température, du flux actinique et de l’humidité relative moyenne pendant une expérience dans la chambre de simulation

- Évaluation des vitesses d’homogénéisation et de nettoyage après une expérience

- Automatisation de la gestion des flux et évacuations des gaz

2) Quantification des interactions chimiques composés/structure

- Utilisation de différents COV avec/sans oxydant en présence/absence d’irradiation

- Influence de l’humidité relative, formation éventuelle de particules

3) Validation / Module de chambre

- utilisation de systèmes chimiques caractéristiques de l’atmosphère largement étudiés dans la littérature (propène + NOx + irradiation)

- détermination du module de chambre

Validation de la plate-forme HELIOS

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Fonctionnement type : expérience de photo-oxydation

Par beau temps + ozonolyse + calibrations + intercomparaisons + ….. toute l’année

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Parc analytique d’HELIOS

Instrumentation Fonction

IRTF (in-situ) (+système multiréflexions) Mesure de composés organiques volatils et semi-volatils, ozone,oxydes d’azotes, …

Analyseur d’ozone Mesure de la concentration d’ozone

Analyseur de NOx Mesure des concentrations d’oxydes d’azote, NO et NO2

Analyseur de HONO Mesure de la concentration de l’acide nitreux (HONO)

Compteur de condensation Compteur de particules

Analyseur de mobilité différentielle Granulométrie des particules

Générateur d’ozone Production d’ozone

Mesure de température / humidité relative Contrôles de la température et de la vapeur d’eau

Radiomètre Mesure de l’intensité solaire (JNO2)

Radiomètre Mesure du flux actinique

Spectromètre de Masse à Transfert deProton (PTR-MS)

Détection et suivi des composés organiques volatils et semi-volatils

Spectromètre à laser infrarouges Mesure rapide, fréquente (> 0,1 Hz) et sensible de produits d’oxydation:

N2O,CH4,H2O,H2O2,O3,CO,CO2,HCHO (<50ppt),HNO3

Spectromètre laser visible (662 nm) pourNO3

Mesure rapide, fréquente (> 0,1 Hz) et sensible (<10ppt) de l’oxydantNO3 des composés organiques

Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Applications envisagées : exemples

1 : Pollution photo-oxydante et qualité de l’air (exemple des biocarburants)Etude des mécanismes chimiques de dégradation dans les conditions atmosphériques des

esters émis après combustion des biocarburants

2 : Formation d’aérosolsEtude des mécanismes et des produits de formation des Aérosols Organiques

Secondaires à partir de l’oxydation (OH, O3) des COV (Aromatiques, Oxygénés)

3 : Produits phytosanitairesEtude de la dégradation des pesticides en phase gazeuse par réaction avec des oxydants

tels que les radicaux hydroxyle (OH) et nitrate (NO3), et l’ozone (O3), ainsi que par photolyse par le rayonnement solaire.

Projets pouvant impliquer HELIOS

Eurochamp (1 et 2), Primequal, Neorad, PHOTONA, ROVOC, projets industriels, etc…

Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

Planning et actions mises en place

- Septembre 2007 : début de la rédaction du projet- Janvier - Mai 2008 : étude de faisabilité, modélisation- Mai 2008 : dépôt du projet région- Juillet 2008 - début des travaux- Décembre 2008 : fin des travaux- Janvier - mai 2009 : premier tests et caractérisation de la chambre

Eté 2009 : HELIOS opérationnelle

HELIOS en France et en Europe

- Seule installation de cette envergure en France- 3ème en Europe après :

EUPHORE – Valencia (Espagne)

SAPHIR – Jülich (Allemagne)

Volonté d’ouverture aux communautés scientifiques nationales et internationales