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Etudes cinétiques et mécanistiques des processus
d’oxydation des composés organiques volatils
d’importance atmosphérique induits par le radical
nitrate en atmosphères simulées.
Jean-Francois Doussin
To cite this version:
Jean-Francois Doussin. Etudes cinétiques et mécanistiques des processus d’oxydation des composés
organiques volatils d’importance atmosphérique induits par le radical nitrate en atmosphères simulées..
Autre. Université Paris-Diderot - Paris VII, 1998. Français. �tel-00002792�
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Etudes cinétiques et mécanistiques des processus d’oxydation
de composés organiques volatils d’importance troposphérique
induits par le radical nitrate en atmosphère simulée.
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Figure I.1 : Schéma simplifié des principaux processus photochimiques dans la troposphère.16
Figure I.2 : Cycle de Leighton...18
Figure I.3 : Variations journalières des concentrations mesurées en OH et fréquence de
photolyse d’ozone enregistrées au Schauinsland, le 25 juin 1984.. ... 18
Figure 1.4 : Schéma simplifié du cycle d’oxydation des COV induit par OH et son impact sur
l’ozone troposphérique. ... 22
Figure I.5 : Schéma général des principales réactions du mécanisme d’oxydation par OH des
alcanes.. ... 23
Figure I.6 : Mécanisme hypothétique de l’oxydation des alcoylbenzènes. ... 27
Figure I.7 : Rapport de mélange de NO
3
, NO
2
et de O
3
, humidité relative mesurés dans la nuit
du 15 au 16 avril 1980 à Deuselbach. ... 30
Figure I.8 : Evolutions comparées des concentrations en radicaux nitrate et de l’humidité
relative (Deuselbach, nuit du 17 au 18 avril 1980 et durées de vie de NO
3
observées en
différents endroits autour du désert de Mojave en fonction de l’humidité relative... 31
Figure I.9 : Mesure DOAS : Durées de vie calculées de NO
3
en fonction de la surface
spécifique d’aérosol par unité de volume d’air et durées de vie calculées de N
2
O
5
en
fonction de la surface spécifique d’aérosol par unité de volume d’air... 31
Figure I.10 : Mesures simultanées des concentrations de NO
3
, NO
2
, O
3
et de DMS dans un
environnement côtier]. ... 32
Figure I.11 : Spectre d’absorption visible de NO
3
et rendements quantiques... 34
Figure I.12 : Evolution de la constante de vitesse k
alcane+NO3
à 298 K au long d’une série
d’alcanes linéaires. ... 38
Figure I.13 : Evolution comparée de la réactivité des alcènes à 298 K en fonction du nombre
d’atomes de carbone... 40
Figure I.14 : Mécanisme d’oxydation du propène proposé par Wayne et al,[23]. ... 41
Figure I.16 : Schéma réactionnel proposé pour l’oxydation du DMS par NO
3
... 46
Figure I.17 : Comparaison des mécanismes d’oxydation nocturne et diurne des composés
organiques volatils... 53
Figure II.1 : Vue de la chambre de simulation atmosphérique... 59
Figure II.2 : Performance du dispositif de pompage ... 60
Figure II.3 : Schéma de la voie d’analyse UV-Visible. ... 62
Figure II.4 : Spectre d’émission de la source du spectromètre UV-Visible ... 63
Figure II.5 : Schéma de principe de la cellule de White - cas de 8 traversées... 63
Figure II.6 : Exemple de discrimination entre absorption différentielle A’ et absorption «
non-résolue » A’’. ... 65
Figure II.7 : Exemple de détermination pratique de I
0
’ ... 66
Figure II.7 : Exemple de transformation de courbe Intensité en fonction du temps ... 68
Figure II.8 : schéma de principe de l’interféromètre de Michelson. ... 70
Figure II.9 : Figures d’interférences. ... 71
Figure II.10 : Exemple d’interférogramme... 72
Figure II.11 : Amplification d’une vibration dans une cellule de White « classique » ... 75
Figure II.12 : Vues générales d’une cellule de White « classique » et d’une cellule de White
stabilisée telle que nous l’avons conçue... 76
Figure II.13 Distribution des points focaux sur le miroir de front et les rétroreflecteurs
prismatiques (exemple pour 112 trajets).. ... 77
Figure II.14 : Progression des composantes horizontale et verticale d’un dérèglement au long
des séries de points images sur le miroir de front de la cellule stabilisée.. ... 79
Figure II.15 : Schéma du couplage du spectromètre avec la cellule multiréflexion infrarouge .
... 80
Figure II.16 : Spectre en intensité de la source d’analyse ... 81
Figure II.17 : Schéma d’ensemble de la chambre de simulation... 81
Figure II.18 : Exemple d’étalonnage au moyen d’une lampe à vapeur de mercure - ... 84
Figure II.19 : Comparaison des points proposés par Wayne et al avec la double Lorentzienne
ajustée pour la bande de transition (0-0). ... 86
Figure II.20 : Comparaison de la bande à 662 nm de référence à celles dégradées par la méthode
des gaussiennes glissantes à différentes résolutions... 87
Figure II.21 : Comparaison du spectre publié à la résolution de 0.1 Å par Daumont et al avec le
même spectre dégradé à la résolution de 4.2 Å par les gaussiennes glissantes. ... 88
Figure II.22 : Exemple de graphe en trois dimensions d’un suivi cinétique par IRTF... 89
Figure III.23 : Bande la plus intense de NO entre 500 et 5000 cm
-1
. ... 96
Figure III.24 : Bandes les plus intenses de NO
2
entre 500 et 5000 cm
-1
. ... 96
Figure III.25 : Bandes de N
2
O
5
entre 600 et 1400 cm
-1
... 97
Figure III.26 : Bandes de l’acide nitrique entre 700 et 1400 cm
-1
. ... 98
Figure III.28 : Exemple de courbes de concentration de NO
3
, de N
2
O
5
et de HNO
3
en fonction
temps - Cas où NO
3
est généré par la méthode dite « fort ozone » ... 100
Figure III.29 : Courbe cinétique de NO3 - Etude de la reproductibilité de la méthode...
Figure III.30 : Tentative d’ajustement des concentrations en radicaux nitrates simulées par le
modèle « classique » à la courbe expérimentale... 104
Figure III.31 : Tentative d’ajustement des concentrations en radicaux nitrates simulées par le
modèle « hétérogène » à la courbe expérimentale... 106
Figure III.32 : Tentative d’ajustement des concentrations en N
2
O
5
, HNO
3
simulées par le
modèle « hétérogène » aux courbes expérimentales... 107
Figure III.33 : Section efficace d’absorption de NO
3
à 662 nm calculées par Marinelli et al[91],
en fonction des concentrations initiales en NO
2
et des concentrations stationnaires en
ozone. ... 109
Figure III.34 : Ajustement par le système « ONOO » des concentrations en NO
3
, N
2
O
5
, HNO
3
simulées aux courbes expérimentales ... 111
Figure III.35 : Ajustement des concentrations en NO
3
, N
2
O
5
, HNO
3
simulées par le système
« ONOO » aux courbes expérimentales - Expérience de deux injections successives de
1.53x10
14
molécules.cm
-3
de NO. ... 112
Figure III.36 : Schema général du système chimique « ONOO »...117
Figure III.37 : Courbes cinétiques simulées des principales espèces chimiques intervenant dans
le modèle « ONOO » ... 118
Figure III.38 : Evolution du rapport [N
2
O
5
]/([NO
3
]x[NO
2
]) au cours d’une expérience typique .
... 117
Figure III.39 : Evolution du rapport [N
2
O
5
]/([NO
3
]x[NO
2
]) stationnaire en fonction de la
concentration initiale en ozone... 118
Figure III.40 : Variation du rapport
∆
NO
2
/
∆
O
3
en fonction de la concentration initiale en ozone
et de la vitesse de pseudo-premier ordre de la vitesse d’hydrolyse de N
2
O
5
... 119
Figure III.41 : Variation du rapport
∆
NO
2
/
∆
O
3
en fonction de la concentration initiale en ozone
et de la concentration initiale en dioxyde d’azote. ... 120
Figure III.42 : Schéma du dispositif à écoulement de génération de NO
3
à basse concentration
d’ozone. ... 121
Figure III.42 : Spectre de référence AECD de l’ozone à 0.25 cm
-1
de résolution. ... 123
Figure III.43 : Exemple de courbes de concentration de NO
3
, de N
2
O
5
, d’ozone et de HNO
3
en
fonction temps - Cas où NO
3
est généré par la méthode dite « faible ozone »... 124
Figure III.44 : Ajustement simulées par le modèle de « boîtes » des concentrations en NO
3
,
N
2
O
5
, HNO
3
et O
3
aux courbes expérimentales (courbes simulées en traits continus,
données expérimentales indiquées par les points)... 125
Figure IV.I : Spectre de référence de l’acétaldéhyde... 129
Figure IV.2 : Spectre de référence du formaldéhyde... 130
Figure IV.3 : Spectre de référence du nitrate de peroxyacétyle... 130
Figure IV.4 : Spectre de référence de CO ... 131
Figure IV.5 : Profils temporels des espèces au cours d’une expérience d’oxydation de
l’acétaldehyde induite par le radical NO
3
... 132
Figure IV.6 : Graphe tridimensionnel des spectres d’absorption infrarouge en fonction du temps
dans la zone spectrale d’absorption du PAN au cours d’une expérience d’étude cinétique
de l’acétaldéhyde. ... 136
Figure IV.7 : Profils temporels des espèces carbonées et bilan de carbone pour l’une des
expériences d’étude cinétique de l’oxydation de l’acétaldehyde. ... 138
Figure IV.8 : Profils temporels des espèces au cours d’une expérience d’oxydation de
l’acétaldehyde induite par le radical NO
3
composés de deux générations successives de
radicaux nitrate. ... 141
Figure IV.9 : Profils temporels des espèces au cours d’une expérience d’oxydation de
l’acétaldéhyde induite par le radical NO
3
composés de deux générations successives de144
radicaux nitrate.. ... 144
Figure IV.10 : Schéma du mécanisme réactionnel de l’oxydation de l’acetaldéhyde initiée par
NO
3
dans nos conditions expérimentales. ... 146
Figure IV.10 : Evolution de la constante d’équilibre formation/décomposition du PAN dans la
gamme de température de nos expériences ... 147
Figure IV.12. : Analyse de la décroissance de l’acétaldéhyde dans la période « gouvernée par
OH » selon un modèle simpliste de décroissance exponentielle ... 151
Figure IV.13 : Comparaison entre les profils temporels des espèces mesurées au cours d’une
expérience d’oxydation de l’acétaldéhyde induite par le radical NO
3
et les concentrations
simulées par le mécanisme B. ... 153
Figure IV.14 : Comparaison entre les profils temporels des espèces mesurées au cours d’une
expérience d’oxydation de l’acétaldéhyde induite par le radical NO
3
et les concentrations
simulées par le mécanisme C. ... 156
Figure IV.15 : Spectre de référence du propionaldéhyde ... 158
Figure IV.16 : Comparaison des spectres d’absorption infrarouge du PAN et du PPN... 158
Figure IV.17 : Profils temporels des espèces mesurées au cours d’une expérience d’oxydation
du propionaldéhyde induite par le radical nitrate. ... 159
Figure IV.19 : Graphe tridimensionnel des spectres d’absorption infrarouge en fonction du
temps dans la zone spectrale d’absorption du PAN et du PPN au cours d’une expérience
d’étude cinétique du propionaldéhyde... 164
Figure IV.20 : Schéma du mécanisme réactionnel de l’oxydation du propionaldéhyde initié par
NO
3
dans nos conditions expérimentales. ... 165
Figure IV.21 : Comparaison entre les profils temporels des espèces mesurées au cours d’une
expérience d’oxydation du propionaldéhyde induite par le radical NO
3
et les
concentrations simulées par le mécanisme D... 169
Figure IV.22 : Comparaison entre les profils temporels des espèces mesurées au cours d’une
expérience d’oxydation du propionaldéhyde induite par le radical NO
3
et les
concentrations simulées par le mécanisme D... 171
Figure IV.23 : Spectre de référence du benzène... 172
Figure IV.24 : Comparaison entre les profils temporels des espèces mesurées au cours d’une
expérience d’oxydation du benzène induite par le radical NO
3
et les concentrations
simulées par le mécanisme simpliste.. ... 173
Figure IV.25 : Spectre de référence du toluène. ... 175
Figure IV.26 : Spectre de référence de l’acide formique... 176
Figure IV.27 : Profils temporels des espèces mesurées au cours d’une expérience d’oxydation
du toluène induite par le radical NO
3
généré par la méthode « fort ozone »... 177
Figure IV.29 : Comparaison de l’effet d’augmentation de la durée de vie de NO
3
a deux
concentrations de toluène. Chaque courbe en présence de toluène est associée à sa courbe
de référence (« blanc »). ... 181
Figure IV.30 : Effet sur l’intensité transmise à 662 nm de l’apparition d’un aérosol au cours
d’une expérience impliquant le toluène... 183
Figure IV.31 : Profils temporels des espèces mesurées au cours d’une expérience d’oxydation
du toluène induite par le radical NO
3
généré par la méthode « faible ozone » ... 185
Figure IV. 32 : Approximation de la consommation du toluène par une courbe exponentielle
décroissante. ... 186
Figure V.1 : Comparaison des distributions associées aux résultats expérimentaux et aux
valeurs recommandées concernant le formaldéhyde. ... 190
Figure V.2 : Comparaison des distributions associées aux résultats expérimentaux et aux
valeurs recommandées concernant le acetaldéhyde. ... 193
Figure IV.4 : Evolution de la réactivité de NO
3
vis a vis des aldehydes avec l’allongement de la
chaîne carbonée. ... 194
Figure V.5 : Logarithme des constantes de vitesse pour les réaction avec NO
3
en fonction du
logarithme des constantes de vitesse pour les réaction avec OH ... 196
Figure V.6 : Diagramme hypothétique d’énergie potentielle pour les réaction entre les
aldéhydes saturés et NO
3
. ... 197
Figure V.7 : Evolution relative des constantes d’équilibre des réactions V.3 et V.5 ... 200
Figure V.8 : Evolution en fonction de la substitution de la réactivité des composés aromatiques
¡ ¢£ ¤¥ ¦ § ¨ © ª « ¬ ¬ § ¤ ¬ § ®ª ¯ ¬ ° ¬ ¤ « ª § ± ¦ ¥ ² « ¬ ³ § ¬ § « ´ £ µ ¤®¦ ± § µ © ®¥ ® ¶ ³ ¬ § · ¡ ¢£ ¨ ¨ « ¦ ¸ ®¥ £ ¤®¦ ± ¶ ³ ® ¹ £ ®¤ ° ¬ ¢£ ®« ³ ± ¥ ´ £ ± ¯ ¬ ³ ± ®¶ ³ ¬ ¥ ¬ ± ¤ µ ¦ ± § ¤®¤ ³ ´ ° ¬ º » ¼ ° ¢£ ½ ¦ ¤¬ ¾ ¿ À ¼ ° ¢¦ ¸ Á ¯ ª ± ¬ ¾ ° ¬ ¶ ³ ¬ ¶ ³ ¬ § ¯ £ ½ « £ « ¬ § ¾ ° ¢³ ± ¨ ¬ ³ ° ¬ Â Ã Ä ¬ ¤ ° ¬ Å £ ¨ ¬ ³ « ° ¢¬ £ ³ ¬ § ¤ ¬ ¸ ¤« Æ ¥ ¬ ¥ ¬ ± ¤ « ´ ° ³ µ ¤ « ®µ ¬ · ¡ ¢£ ®« ¬ § ¤ µ ¦ ¥ ¨ ¦ § ´ ° ¢³ ± ¤« ª § ¯ « £ ± ° ± ¦ ¥ ² « ¬ ° ¢¬ § ¨ ª µ ¬ § µ © ®¥ ®¶ ³ ¬ § ° ¦ ± ¤ µ ¬ « ¤ £ ®± ¬ § ¾ ² ®¬ ± ¶ ³ ¬ ¤« ª § ¥ ®± ¦ « ®¤ £ ®« ¬ § ¨ £ « £ ¶ ³ £ ± ¤ ®¤ ´ ¾ Ǧ ³ ¬ ± ¤¾ ¨ £ « ¬ ³ « « ´ £ µ ¤®Å ®¤ ´ ¾ ³ ± « È ¬ ° ´ ¤ ¬ « ¥ ®± £ ± ¤ ° £ ± § ¬ § ¥ ´ µ £ ± ®§ ¥ ¬ § ° ¬ § ¤« £ ± § ¹ ¦ « ¥ £ ¤®¦ ± § µ © ®¥ ®¶ ³ ¬ § · ¡ ¬ § µ ¦ ± µ ¬ ± ¤« £ ¤® ¦ ± § ° ¬ µ ¬ § µ ¦ ¥ ¨ ¦ § ´ § ¥ ®± ¦ « ®¤ £ ®« ¬ § § ¦ ± ¤ µ £ « £ µ ¤ ´ « ®§ ´ ¬ § ¨ £ « ³ ± ¬ ¤ « ª § ¯ « £ ± ° ¬ Å £ « ®£ ² ®®¤´ § ¨ £ ¤®£ ¬ ¬ ¤ ¤ ¬ ¥ ¨ ¦ « ¬ ¬ ®´ ¬ É £ ¯ « £ ± ° ¬ ° ®Å ¬ « § ®¤ ´ ° ¬ ¬ ³ « § § ¦ ³ « µ ¬ § ¾ ° ¬ ¬ ³ 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