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
Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008
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
Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008
Fonctionnement type : expérience de photo-oxydation
Par beau temps + ozonolyse + calibrations + intercomparaisons + ….. toute l’année
Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008
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