Comparaison des suies kérosène et diesel prélevées avec la microsonde

De manière identique à l’étude des suies prélevées par dépôt, l’activité hygroscopique des suies diesel et de kérosène des suies prélevées avec la microsonde est étudiée en comparant:

(1) la fraction activée à une sursaturation donnée (1,6% SS) (2) la sursaturation critique (SSc). 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0,0 2,0x10-3 4,0x10-3 6,0x10-3 8,0x10-3 1,0x10-2 1,2x10-2 1,4x10-2 1,6x10-2 1,8x10-2 Tailles de particule: 150 nm 300 nm 400 nm Fract ion act ivée ( Fa ) Sursaturation (%)

2.3.3.1 Comparaison de la fraction activée.

La Figure IV.17 présente la comparaison de la fraction activée des particules de suies diesel et kérosène prélevées avec la microsonde à une sursaturation de 1,6%, pour les trois diamètres de mobilité électrique (150; 300 et 400 nm).

Figure IV.17:Comparaison de la fraction activée des suies diesel et de kérosène prélevées par microsonde

à une sursaturation de 1,6%.

La Figure IV.17 montre que la fraction activée des suies kérosène et diesel à une sursaturation de 1,6% SS est bien inférieure à celle obtenue pour la technique précédente (Section 2.2.3.1). La fraction activée établie pour les particules de suie (kérosène et diesel) prélevées avec cette technique de prélèvement montre que les suies ont une très faible affinité avec l’eau. Compte tenu de l’incertitude liée à la détermination de la fraction activée, il n’est pas possible d’évaluer l’impact de la taille et de la nature chimique des particules de suies sur la nucléation hétérogène pour la gamme de sursaturation inférieure à 1,8% SS.

2.3.3.2 Comparaison de la sursaturation critique.

Le traitement des données concernant l’étude des suies kérosène et diesel permet de déterminer la sursaturation critique SSc pour les trois diamètres de mobilité électrique

sélectionnés (150 ; 300 et 400 nm). L’évolution de la sursaturation critique est présentée Figure IV.18. 150 200 250 300 350 400 0,0 5,0x10-3 1,0x10-2 1,5x10-2 2,0x10-2 Nature de particule: Diesel Kérosène F ra ct io n act ivé e ( Fa )

Figure IV.18: Évolution de la sursaturation critique en fonction de la taille de suies prélevées à une HAB de 130 mm.

La Figure IV.18 montre que les suies kérosène et diesel présente une sursaturation critique voisine de 2,7 %, quel que soit le diamètre de mobilité électrique sélectionné.

On n’observe pas d’influence de la taille sur l’activation des particules de suie d’une même nature. Pour un diamètre de mobilité électrique de 150 nm, la sursaturation critique est de 2,9 ± 0,8% (particules de suies kérosène) et pour un diamètre de mobilité électrique de 400 nm, la sursaturation critique est de 2,6 ± 0,3%.

3 Discussion.

Les deux techniques de prélèvement permettent d’étudier les propriétés hygroscopiques des suies kérosène et diesel. Ces mêmes particules peuvent faire office de noyaux de condensation et ainsi initier la nucléation hétérogène.

Au début de ce travail de thèse, nous avons prélevé les suies en utilisant la méthode simple par dépôt (Section 2.2). Cependant nous avons constaté que les courbes d’activation des suies ainsi prélevées avaient un comportement différent de l’allure des courbes d’activation issues des particules de référence (Chlorure de sodium, sulfate d’ammonium). Dans un second temps, nous avons donc fait évoluer la méthode d’échantillonnage et d’analyse des suies. Les suies ont été prélevées avec une microsonde et analysées en flux continu (Section 2.3). La

150 200 250 300 350 400 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Nature de particules: Diesel Kérosène Su rsa tu ra tio n cri tiq u e SS c (% )

comparaison des courbes d’activation issues des deux techniques de prélèvement nous mène à faire le constat ci-dessous.

Les courbes de fraction activée présentent des allures très différentes selon la méthode de prélèvement considérée. La différence de la fraction activée estimée pour une même nature de particules de suie est donc due à la méthode de prélèvement des suies. Nous avons montré que la méthode de prélèvement par dépôt et de remise en suspension de l’aérosol induit des modifications de la morphologie des particules de suies (Figure IV.10). L’étape entre la collecte des suies sur le tube de quartz par grattage et de la remise en suspension pourrait également impacter les prédispositions des suies à servir de noyau de condensation. En effet, le système de remise en suspension mécanique pourrait favoriser l’apparition de charges par friction, la présence de ces charges contribuerait à favoriser la nucléation hétérogène des gouttelettes d’eau. Chen et al. [18] ont montré que la présence de charges favorise la nucléation hétérogène.

Ces différents aspects expliqueraient la différence d’activation entre les deux méthodes de prélèvement. Bien que des tendances reproductibles aient pu être mises en évidence pour les suies prélevées par dépôt, nous pensons que la détermination de la fraction activée et de la sursaturation critique ont pu être affectées par les modifications de la morphologie et l’apparition de charges dues à la procédure de prélèvement des suies par dépôt (Figure IV.11 et Figure IV.12). Face à cette difficulté, nous avons opté pour un prélèvement des suies au moyen de la microsonde développée à cet effet. L’acquisition des courbes d’activation des suies prélevées avec la microsonde présente une allure totalement différente de celle obtenue avec le prélèvement par dépôt. Ces courbes présentent une allure comparable à celle des particules de référence, malgré la très faible activation des suies révélée pour la gamme de sursaturation accessible expérimentalement avec le CCNc (Figure IV.15 et Figure IV.16). L’ajustement des points expérimentaux avec une fonction de Boltzmann confirme cette observation. La fonction suit effectivement les points expérimentaux de la courbe d’activation des suies kérosène et diesel, pour l’ensemble des tailles évaluées et les conditions étudiées y compris pour les suies oxydées présentées dans le Chapitre 5.

Notre étude montre que les suies kérosène et diesel présentent une activité hygroscopique très faible, la fraction activée est inférieure à 10-2 _{pour l’ensemble des suies étudiées (de taille et}

de composition différentes) exposées à une sursaturation de 1,6% (Figure IV.17). Ces résultats sont cohérents avec les données de suies fraîches issues de la littérature (Figure IV.7). La

faible activation des particules de suies serait due à la présence de HAP hydrophobes à la surface des suies. Ainsi, Koehler et al. [1] justifie la faible affinité des suies kérosène avec l’eau du fait de la présence de composés organiques hydrophobes à la surface des suies kérosène, à savoir des HAP (phénanthrène, pyrène, fluoranthène, et anthracène). Dans notre cas, nous avons également identifié la présence d’une gamme d’hydrocarbures aromatiques communs présents dans les suies diesel et kérosène. Ces espèces hydrophobes ainsi que l’absence de soufre dans les suies kérosène expliquent en partie le manque d’affinité des suies diesel et kérosène avec l’eau.

Tableau IV.8: Donnée de la littérature concernant les propriétés hygroscopiques en sursaturation

Auteurs Natures des suies Génération Tailles (nm) Sursaturation (%) Fraction activée

Henning et al [19] Propane CAST < 1,38 % 10-3

Tritscher et al.[20] Diesel Moteur diesel 200 < 1,4 % 0

Wittbom et al. [21] Diesel Moteur diesel 150 < 2 % 0

Lambe et al. [22] Ethylène _prémélange Flamme de 224 < 1,8 % 0

Koehler et al. [1]

Kérosène Lampe à huile 200 2 % 5 × 10-2

AEC (suies de kérosène issues d’un moteur aéronautique)

moteur aéronautique

(D30-KU) 250 1,6 % 0,3

Ce travail de thèse Diesel Kérosène Flamme de diffusion 150 300 400 1,6 % < 10-2

La très faible activité conduit à une valeur de la sursaturation critique estimée autour de 2,7% pour les suies kérosène et diesel. Compte tenu de l’incertitude liée à la très faible activité, il n’est pas possible d’identifier un effet du carburant sur la sursaturation critique, en particulier une « hydrophilie » attendue plus importante pour les suies kérosène. Rappelons que cette faible hydrophilie des suies avec l’eau est également constatée en condition de sous-saturation [1], [15].

Dans le Chapitre 4 nous avons mis en évidence des teneurs en COV plus importantes pour les suies diesel que pour les suies kérosène. Selon Han et al. [13] la teneur en COV des suies n’est pas corrélée avec l’affinité des suies avec l’eau.

Pour ce qui concerne l’influence des produits oxygénées, Han et al. [13], Popovicheva et al. [15] et Koehler et al. [1] montrent que la présence de ces espèces favorise l’affinité des suies avec l’eau.

Dans ce travail, même si nous avons identifié des composés oxygénés dans les suies kérosène, l’incertitude associée à la détermination de la sursaturation critique ne permet pas de conclure quant à leur implication sur les propriétés hygroscopiques des suies kérosène par rapport à celles des suies diesel.