Validation du dispositif pour l’étude de l’hygroscopicité des particules

Deux méthodes peuvent être employées pour déterminer les propriétés d’hygroscopicité des particules : le suivi de l’évolution des bandes Raman des espèces, et la modification de la taille des particules observées par microscopie optique.

Les spectres Raman et l’attribution des bandes des sels étudiés durant cette thèse sont bien décrits dans la littérature. Les positions et largeurs des bandes Raman caractéristiques des composés inorganiques variant selon le taux d’hydratation des particules, il est ainsi possible de suivre l’évolution de la transition solide – liquide. Aussi, des spectres Raman de particules en lévitation ont été collectés en fonction de l’évolution de l’humidité relative dans la cellule de lévitation. Le suivi de l’aire intégrée des bandes Raman d’intérêt en fonction des valeurs de RH permet de construire un cycle d’hystérésis et de déterminer les points de déliquescence et d’efflorescence de la particule concernée.

Cependant, il n’est pas toujours évident de visualiser l’apparition de nouvelles bandes Raman lorsque celles-ci sont masquées par d’autres bandes plus intenses. Aussi, lors de nos études, le suivie de l’évolution de la taille des particules par microscopie optique a été privilégié.

Le suivi de l’aire projetée des particules durant une évolution croissante ou décroissante de l’humidité relative est une méthode couramment appliquée pour la détermination des facteurs de croissance des particules et la détermination des points de déliquescence et d’efflorescence (Chan et al., 2005; Gupta et al., 2015; Hu et al., 2011; Li et al., 2014). Cette méthode est aisément mise en œuvre, à condition de pouvoir visualiser les particules avec une résolution satisfaisante. La caméra rapide installée sur notre dispositif expérimental permet d’enregistrer des images avec résolution de 2048x2048 pixels par images, soit 525x525 µm. L’aire projetée d’une particule est estimée à l’aide du logiciel ImageJ (Figure 2.5). Les niveaux de contraste et de luminosité sont ajustés pour une bonne sélection du contour de la particule. La conversion en µm pour la mesure de la taille est réalisée grâce à une photo de calibration préalablement enregistrée.

Figure 2.5. Image optique originale d’une particule en lévitation (à gauche) et mesure de son aire projetée en pixels (à droite).

Des images de la particule ont été enregistrées pour des pas d’environ 1% d’humidité relative.

Chapitre 2

La méthode a été validée par l’étude des propriétés de déliquescence d’une particule de NaCl bien connues dans la littérature (Cohen et al., 1987; Martin, 2000; Tang et al., 1997; Wise et al., 2007).

Une particule de NaCl solide de taille 61x74 µm a été piégée par nébulisation d’une solution de NaCl à 1 mol.L-1 _{dans la cellule de lévitation. Des images ont été collectées durant l’humidification,} puis l’assèchement progressif de la chambre expérimentale, provoqués par l’introduction de N2 humidifié ou sec (Figure 2.6).

Figure 2.6. Evolution morphologique d’une particule de NaCl, provoquée par une augmentation ou une diminution de l’humidité relative.

Pour chaque valeur d’humidité relative, l’aire projetée (A) a été mesurée et le rapport A/A0 (où A0 est l’aire projetée de la particule sèche) déterminé afin de construire le cycle d’humidité illustré par la Figure 2.7. Ce cycle met en évidence deux points d’inflexion, caractéristiques des propriétés d’hygroscopicité de la particule de NaCl, soit le point de déliquescence DRH = 75,5 ± 0,9% et le point d’efflorescence ERH = 52,4 ± 0,9%.

Figure 2.7. Cycle d’humidité d’une particule de NaCl

Les valeurs obtenues ont été comparées aux valeurs obtenues lors de travaux antérieurs dans le Tableau 2.1. Les écarts obtenus dépendent fortement des conditions expérimentales. La méthode employée par Wise et al. (2007) et Gupta et al. (2015) consiste en l’observation par microscopie

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Ratio de l a surface de l a parti cule Humidité Relative (%) Air sec Air humide ERH = 52,4% DRH = 75,5%

Matériels et méthodes

optique de l’évolution des particules de NaCl de 1 à 10 µm, et de 0,1 à 4,0 µm déposées sur une grille de microscopie en cuivre recouverte d’un film hydrophobe en Formvar. Tang et al. (1997) ont déterminé les DRH et ERH de particules de 6 à 8 µm de diamètre par un dispositif de lévitation électrodynamique. Enfin, Ebert et al. (2002) ont utilisé un microscope électronique à balayage et ont conclu qu’un décalage d’environ 20% de la valeur du ERH est observé lorsque la particule, de 0,1 à 20 µm, est déposée sur une surface.

Tableau 2.1. Points de déliquescence et d’efflorescence de particules de NaCl.

Référence DRH ERH Expérience

Gupta et al. (2015) 75,5% 47,6-46,3% Particule sur substrat /microscopie optique

Wise et al. (2007) 76% 44% Particule sur substrat /microscopie optique

Tang et al. (1997) 75,3% 45-48% EDB

Ebert et al. (2002) 77,5% 65% Microscope électronique à balayage

Ce travail 75,5 % 52.4 % Lévitation acoustique

La valeur de DRH obtenue pour des particules de NaCl lors de ces travaux de thèse est en bon accord avec les valeurs de la littérature. En revanche, la valeur de ERH est surestimée comme l’observe Ebert et al. (2002). La présence d’un germe de cristallisation est possible dans des gouttes de taille importante et favorise largement leur efflorescence. Aussi, le dispositif expérimental que nous utilisons permet de déterminer de valeurs de DRH correct mais ne sera pas utilisé pour déterminer des valeurs d’ERH.

2. Dispositifs pour l’étude de la photolyse de composés organiques soufrés isolés en matrice

de gaz inerte et en phase gaz

Deux techniques complémentaires ont été employées pour comprendre la photolyse de composés organiques soufrés en phase gaz. La première est la technique d’isolement en matrice de gaz inerte à température cryogénique couplée à la spectroscopie Infrarouge à transformée de Fourier qui donne la possibilité d’étudier des réactions unimoléculaires de photodégradation et d’en déterminer les mécanismes. La deuxième technique est la photolyse des composés volatils en phase gaz et le suivi in-situ par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier.