Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008

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1 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)

2 Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008
Contexte Responsabilité humaine  Changement climatique qui continuera au cours du 21ème siècle pollution atmosphérique sur différentes échelles spatio-temporelles Gaz à effet de serre (longue durée de vie) Ozone, NOx, Composés Organiques Volatils (COV), aérosols, … (courte durée de vie) de source anthropique // Vitesse de réaction? kc ? Comment? Mécanisme? Oxydant Irradiation Système complexe COV + Devenir? Produits ? Particules? 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)

3 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 Atmosphérique Missions: 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. Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement (LPCE-Orléans) Partenaire industriel: CILAS (Orléans) Groupe Atmosphère Missions: 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 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

4 Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE
Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008 Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE 1) irradiation simulée Spectroscopie IRTF in situ irradiation simulée (254 et 365 nm) Miroirs de White Moniteurs (O3+NOx) - Chambre de 7.2 m3 - Etudes cinétiques et mécanistiques en phase gazeuse (COV + Ozone, OH), formation de particules - Faibles concentrations Mesure de HONO (LOPAP) Granulomètre (SMPS)

5 Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE
Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008 Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE 1) irradiation simulée - Chambre de 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

6 Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE
Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008 Les chambres de simulation atmosphérique de l’ICARE 2) 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 Radiomètre Rajout photo analyses+JNO2+SMPS homogénéisation Introduction des réactifs, prélèvements Extraction/Sonde humidité-température

7 Atelier Expérimentation et Instrumentation 2008
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

8 Développement du projet - Etape 1: Construction
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

9 Développement du projet - Etape 2: Validation
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

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

11 Parc analytique d’HELIOS
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) Mesure du flux actinique Spectromètre de Masse à Transfert de Proton (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) pour NO3 Mesure rapide, fréquente (> 0,1 Hz) et sensible (<10ppt) de l’oxydant NO3 des composés organiques

12 Applications envisagées : exemples Projets pouvant impliquer HELIOS
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’aérosols Etude des mécanismes et des produits de formation des Aérosols Organiques Secondaires à partir de l’oxydation (OH, O3) des COV (Aromatiques, Oxygénés) 3 : Produits phytosanitaires Etude 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…

13 Planning et actions mises en place HELIOS en France et en Europe
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 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