2. Dispositifs expérimentaux
2.1. Systèmes de génération d'aérosols synthétiques
La génération d'aérosols synthétiques est un point important dans l'étude de l'hygroscopicité des particules. En effet, il est primordial de pouvoir générer des aérosols de composition, de taille, de concentrations connues. L'objectif de telles mesures est de pouvoir tester le comportement théorique de certains composés dans un environnement contrôlé afin de pouvoir interpréter les mesures réalisées en atmosphère réelle. Pouvoir contrôler la composition chimique permet d'étudier les propriétés hygroscopiques en fonction de la chimie, de pouvoir étudier des composés purs ou des mélanges. Le fait de pouvoir contrôler la taille et la concentration des particules générées est important pour pouvoir obtenir des résultats clairs sur les différents appareils qui analyseront cet aérosol. Il existe plusieurs systèmes permettant de générer des aérosols synthétiques que nous allons détailler. Ces systèmes sont classés selon le type de particules produites.
2.1.1. Générer des aérosols purs à partir de sels ou de latex
Afin de produire un aérosol simple, un des moyens les plus efficaces consiste à nébuliser une solution dans laquelle sont dissous le/les composés chimiques que l'on veut
étudier. L'appareil que nous avons couramment utilisé au sein du LaMP pour générer des aérosols est un nébuliseur (Modèle TSI 3076).
Le principe de fonctionnement est relativement simple. Une arrivée d'air filtré pour éviter les impuretés, comprime (≈2 bar) une solution dans un flacon. La solution est alors injectée puis vaporisée à travers un petit orifice pour former une population de gouttelettes polydispersées qu'il convient d'assécher afin d'obtenir une population d'aérosols de composition connue. La solution nébulisée est réalisée à partir d'eau ultrapure (18.2MΩ) dans laquelle nous avons soit dissout un sel pur (NaCl, (NH4)2SO4, NH4NO3…), soit ajouté une solution de PolyStyrène Latex (PSL). Les aérosols de taille connue issus de la nébulisation de solutions contenant un ou des sels permettent soit d'étudier les sels en tant que composés chimiques présents dans l'atmosphère, soit à calibrer les instruments mesurant la taille des particules dans des conditions d'humidité relative importante car leurs propriétés hygroscopiques sont généralement bien documentées. Les aérosols produits à partir des solutions de PSL sont utilisés quant à eux pour calibrer les instruments à des humidités relatives faibles. En effet, les solutions de PSL utilisées sont des solutions de particules (billes) de latex de taille unique. De plus, ce composé étant hydrophobe, il n'y a pas de changement de taille de ces particules en fonction de l'humidité relative. En nébulisant par exemple des particules de 100nm de diamètre, nous pouvons ainsi vérifier que nos instruments en aval du nébuliseur mesurent également des particules de 100nm.
A l'aide de microvannes et de chambre de dilution, le débit, la pression et la concentration des particules en sortie du nébuliseur peuvent être ajustés en fonction des besoins de l'opérateur. Concernant les sels, la concentration de la solution nébulisée influence la taille des aérosols produits. En faisant varier ces différents paramètres, il est donc possible de modifier le spectre granulométrique des aérosols produits par nébulisation.
2.1.2. Générer des suies
La génération de suie suppose un autre type d'instrumentation. Une des techniques les plus réalistes consiste à brûler un mélange gazeux dans un appareil de type CAST (Combustion Aerosol STandard). La Figure 7 présente le mode de fonctionnement du CAST (Modèle Jing miniCAST 4202). Un mélange gazeux d'air et de carburant (propane), est brûlé. La flamme est soufflée horizontalement pour empêcher la combustion complète et former ainsi des particules de suie. Les particules sont ensuite transportées par ce gaz porteur et diluées pour diminuer leur concentration qui est très importante au niveau du brûleur.
Les particules formées sont donc des particules de suies, composées à la fois de Carbone Elémentaire et de Carbone Organique. La fraction de Carbone Organique peut être modifiée en faisant varier le rapport carburant/O2 du mélange gazeux qui est brûlé. En modifiant les débits des gaz d'extinction et de dilution, il est également possible de faire varier la taille moyenne des particules formées ainsi que la concentration de celles-ci. La dilution est importante dans ce système car le nombre de particules générées est très important.
Figure 7 : Schéma de fonctionnement du Mini CAST.
2.1.2.2. Par arc électrique : système PALAS GFG1000 Flamme Air Air Carburant Sortie des aérosols Gaz de dilution Gaz d'extinction Gaz de dilution
Il existe un autre système permettant de générer des suies, basé sur le phénomène d'arrachage de particules de graphite par arc électrique. Le système que nous avons utilisé est un PALAS GFG-1000. Il est composé de deux électrodes de graphite traversées par un courant électrique. A chaque décharge, l'arc électrique arrache des particules de graphite qui sont évacuées par un gaz porteur (généralement de l'argon). Ces suies sont exclusivement composées de Carbone Elementaire, contrairement aux suies générées à l'aide du CAST. En effet, les électrodes qui composent le GFG-1000 sont en graphite pur et le gaz porteur est constitué d'argon qui demeure inerte alors que le CAST utilise un mélange gazeux composé entre autre d'oxygène et de propane capable de générer du carbone organique. Là encore, on peut faire varier la taille et la concentration de l'aérosol en faisant varier l'intensité du courant électrique, le débit du gaz porteur et du gaz de dilution.
Nous avons présenté différents systèmes permettant de générer des aérosols synthétiques de compositions différentes. En fonction des particules à étudier (sels ou suies) ou des expériences à réaliser (mesures d'hygroscopicité, calibrage à une humidité relative faible ou élevée, il convient de choisir l'appareil adéquat). En faisant varier certains paramètres physico-chimiques (débit, concentration, rapport carburant/O2), il est possible de faire varier la taille et la composition des particules générées. La taille des particules générées va de quelques nanomètres pour les particules de sels à plusieurs micromètres pour les suies mais la gamme de taille généralement utilisée par nos mesures se situe plus entre 20 et 200 nanomètres.
Puisque ce type d'instruments génère une quantité d'aérosol très importante, capable d'endommager les instruments placés en aval, ou encore de saturer certains capteurs, il est important d'associer à ces systèmes de génération des modules de dilution pour empêcher ce genre de problèmes.