Thèses

Doctorante : Romie Massoud

Direction de thèse : B. Hanoune / S. Crumeyrolle / L. Dauchet

Financement : CaPPA / Région Hauts de France

Début de thèse : Oct. 2024

La qualité de l’air est un enjeu environnemental et sanitaire fort. Les impacts sanitaires et économiques ont fait et continuent de faire l’objet de nombreuses études. Sur le volet santé publique, depuis le début des années 2000, des travaux visent à mieux connaître la qualité de l’air, qu’il s’agisse de l’air ambiant extérieur ou, plus récemment, de l’air intérieur, et à déterminer les solutions efficaces de réduction des polluants. Depuis plusieurs années, ce sujet revient régulièrement dans le débat public.

Les études épidémiologiques et de santé publique montrent que l’exposition aux polluants de l’air est associée avec un accroissement de la mortalité et de la morbidité. Mais ces études utilisent comme proxy de l’exposition les mesures en air extérieur extrapolées au domicile des personnes, faute de pouvoir disposer de mesures réelles. Ceci engendre des biais potentiels importants, dus à des sources locales non prises en compte par les réseaux de surveillance de la qualité de l’air, ou plus grave encore, à l’exposition dans les milieux confinés, et à la variabilité temporelle rapide de certains phénomènes de pollution. Des capteurs miniatures, comme ceux développés dans le cadre du projet APOLLINE de l’Université de Lille, permettent d’accéder à cette exposition réelle, et donc de revisiter les conclusions des études épidémiologiques.

Les objectifs de ce projet de thèse sont de :

- Mesurer grâce à des capteurs miniatures portables l’exposition des personnes en air extérieur en milieu urbain ou périurbain (territoire de la MEL), dans les bâtiments (habitation, travail, loisirs), dans les transports

- Evaluer les déterminants de la pollution en air intérieur, domaine très mal connu où nous passons pourtant 90 % de notre temps

- Proposer des recommandations pour des futures études épidémiologiques de grande ampleur, combinant données au sol par capteurs et par stations de référence

Les candidats recherchés devront être titulaires d’un M2 en chimie atmosphérique, sciences de l’environnement, physicochimie analytique... Une forte composante d’analyse de données est à prévoir.

La thèse est dirigée par B. Hanoune (PC2A) et co-encadrée par S. Crumeyrolle (https://www-loa.univ-lille1.fr/). Elle se déroulera principalement au sein du PC2A et du LOA.

Mots-clés : qualité de l’air, pollution intérieure, pollution extérieure, particules, exposition individuelle.

Doctorante : Rana Shebly

Direction de thèse : Guillaume Vanhove, Yann Fenard

Financement : ADEME / Région Hauts de France

Début de thèse : Oct. 2024

Contexte :

L’abattement des émissions de gaz à effet de serre - parmi lesquels le CO2 et le méthane - est envisagé au travers de l’utilisation d’hydrogène à la place du gaz naturel ou même de carburants fossiles liquides. La production d’hydrogène à partir d’énergie renouvelable, son stockage et son utilisation sont à l’heure actuelle un des challenges de la maîtrise des énergies vertes :

1. Pendant ses phases de production et de stockage, l’hydrogène, du fait de très faible section efficace de collision, est prompt à diffuser au travers des matériaux et ainsi une hausse des teneurs en hydrogène dans l’atmosphère est attendue si son utilisation comme vecteur énergétique vert est généralisée. Cet effet pose un problème de qualité de l’air par modification des processus de réactions des composés de l’atmosphère. Ce qui peut aller même à l’encontre des bénéfices de réduction de gaz à effet de serre par le remplacement de carburants fossiles par l’hydrogène en modifiant les voies de formation/consommation de ces gaz à effet de serre.
2. De plus, l’hydrogène est connu pour son danger d’inflammation à basse énergie et son potentiel de transition d’une déflagration vers une détonation très dommageable pour les infrastructures comme les personnes. Les limites d’inflammabilité de l’hydrogène sont difficilement mesurables en tout lieu et toute situation.
3. La combustion de l’hydrogène est bien connue pour de hautes températures, supérieures à 600°C. Cependant pour des températures très basses à intermédiaires de la combustion, entre 150 et 600 °C, les données expérimentales sont presque inexistantes. Une excellente compréhension des phénomènes de combustion pour cette gamme de températures sont indispensables pour une estimation précise des risques aussi bien que pour une conception efficace de systèmes de combustion en termes de rendement.

Ces problématiques se rejoignent : la chimie de l’atmosphère et de la combustion reposent sur les mêmes fondements scientifiques avec des réactions chimiques, équilibres thermodynamiques et de propriétés de transport partagées. Ce sont en revanche les conditions de température et pressions qui diffèrent. Le chalenge est de connaitre précisément les constantes de vitesses, données thermodynamiques et données de transport des espèces chimiques impliquées sur des gammes de température et pression très étendues afin de pouvoir prédire la réactivité et l’influence de l’hydrogène au travers de modèles cinétiques détaillés.

Etude proposée :

Le laboratoire de Physico-chimie de Processus de Combustion et de l’Atmosphère est un centre d’expertise depuis 40 ans sur les réactions atmosphériques et en conditions de combustion. En 2023, les équipes de combustion du laboratoire sont impliquées dans le PEPR hydrogène « Understanding and MOdeling NOx formation in Turbulent HYdrogen flames » (MONTHY) et collaborent avec les membres du PEPR hydrogène « Améliorer les connaissances en matière de sécurité pour les mesures/modélisations de l'hydrogène en phase cryogénique » (ESKYMO) au travers d’un transfert de modèle cinétique détaillé. De plus, un partenariat avec General Electric a été mené sur la mesure de délais d’auto-inflammation d’hydrogène pur ou en mélange avec du gaz naturel sur des gammes de températures intermédiaires de la combustion. Enfin, une thèse est en cours avec une soutenance prévue en 2024 sur l’influence de l’hydrogène sur la réactivité de molécules représentatives des natures chimiques présentes dans les carburants/biocarburants.

Fort de ces expériences, le laboratoire souhaite initier une thèse portant sur la compréhension de la réactivité de l’hydrogène dans des conditions de combustion et de la chimie de l’atmosphère afin d’englober les conditions d’utilisation de l’hydrogène vert comme vecteur d’énergie. Cette approche est à ce jour inédite au point de vue gamme de température étudiée.

Lors de cette thèse, des mesures de délais d’auto-inflammation seront menées en machine à compression rapide. L’hydrogène sera mélangé à de l’éther diméthylique, espèce très réactive, afin de pouvoir atteindre des conditions de températures inférieures à 300°C. De plus, le laboratoire est équipé d’un brûleur à flammes froides pouvant opérer entre 30 et 600°C grâce à un enrichissement du mélange réactif à l’ozone (O3) et à l’éther diméthylique (DME) qui permettrait l’étude de la réactivité de l’hydrogène à des températures aussi basses que 150°C.

Un modèle cinétique détaillé validé dans les conditions de ce brûleur pour un mélange DME/O2/O3 a par ailleurs été développé dans le cadre d’une thèse au laboratoire et permettra un examen approfondi des réactions propres à l’hydrogène dans ces conditions en s’affranchissant des réactions propres à l’ozone et au DME.

Résultats :

Les données expérimentales collectées serviront à affiner nos connaissances sur les réactions de l’hydrogène et valider et faire progresser les performances d’un modèle cinétique détaillé sur une gamme de température inédite allant de la température ambiante jusqu’à la température adiabatique de flamme d’hydrogène (env. 2100°C). Les modélisations obtenues avec un modèle robuste serviront les estimations du risque hydrogène dans son stockage et utilisation, l’implication de l’hydrogène dans la qualité de l’air et bien sûr la conception d’équipement de conversion d’énergie chimique de l’hydrogène en énergie utile.

Mots-clés : hydrogène, oxydation, réactivité homogène, combustion et atmosphère, modélisation cinétique

Contacts : yann.fenard()univ-lille.fr / guillaume.vanhove()univ-lille.fr

Financement envisagé : Région Hauts-de-France, ADEME, Université de Lille

Doctorante : Emilie Chantraine

Directrice de thèse : Coralie Schoemaecker

Financement : Région Hauts de France / ED SMRE*

Début de thèse : Oct. 2023

Le devenir des polluants atmosphériques émis par les activités humaines et présents dans l’atmosphère et dans les environnements intérieurs est un sujet clé car il a un impact sanitaire, environnemental et climatique. En effet, les différents polluants gazeux, principalement de type COV (composé organique volatil) sont oxidés par des radicaux, notamment le radical hydroxyle OH^Ÿ. Ce processus d’oxydation mène à la fois à des composés plus oxygénés, potentiellement plus nocif pour la santé que les composés émis, et plus lourds qui mènent à la formation d’aérosols secondaires. Ce cycle d’oxydation est également responsable, en présence de monoxyde d’azote (NO, issu de la combustion) de la formation de l’ozone troposphérique à la fois néfaste pour la santé et les plantes mais également gaz à effet de serre. En milieu pauvre en NO, les processus d’oxydations sont peu connus car ils impliquent des réactions radical-radical difficiles à étudier. Ce travail de thèse porte donc sur une approche expérimentale de l’étude de ces processus d’oxydation au moyen d’une technique de caractérisation des radicaux atmosphériques que sont les radicaux OH^Ÿet hydroperoxyle HO₂^Ÿ. La réactivité de composés ciblés grâce au travail mené dans l’action COST INDAIRPOLLNET, sera étudiée grâce à des expériences de laboratoire par la technique FAGE (Fluorescence Assay by Gas Expansion). Cette technique reponsant sur du diagnostic laser est sélective et sensible est utilisée par seulement une dizaine de laboratoires dans le monde.

Dostorant : Mohammad ISSA

Supervision : Pascale Desgroux, Luc-Sy Tran

Financement : PEPR OXY3C, France 2030

Début : Oct. 2023

Context:

This PhD thesis is part of the ambitious program “Support innovation to develop new largely carbon-free industrial processes” supported by the French Government in the framework of the decarbonization of the industry to achieve carbon neutrality by 2050.

The decarbonation of the industry partly relies on the development and intensification of processes for CO2 capture. This PhD thesis is offered as part of the OXY3C project aiming at improving knowledge and skills in oxycombustion for the optimization of eco-efficient processes. The consortium working on this project gathers seven French academic laboratories and IFPEN.

Objectives of the thesis:

This study aims at investigating chemical kinetics of soot precursors and measuring soot particles from biomass’s tar surrogates in the framework of a close collaboration between PC2A, LRGP, and IFPEN. Experiments and simulations will be performed under CO2 and H2O vapor atmosphere at a wide range of temperatures covering the temperature range in the Chemical Looping Combustion application. This work comprises two main parts.

The first part is establishing a reliable experimental database that includes mole/volume fraction profiles of reactants, products, intermediates and soot particles in the pyrolysis and combustion of a biomass’s tar surrogate. These data will be measured in a burner system at PC2A and in a jet-stirred reactor or a tubular reactor at LRGP. Chemical species will be measured using gas chromatography and mass spectrometry. Soot volume fraction profiles in flames will be measured in situ by extinction or cavity ring-down extinction. Selected soot samples thermophoretically collected in the above flames will be analyzed at IFPEN for characterizing soot morphology using microscopy (STEM + possibly TEM or HRTEM).

The second part is developing a detailed kinetic model for soot precursor formation from the pyrolysis and combustion of this biomass’s tar surrogate. The model will include a base model containing common species, a sub-model for the pyrolysis and combustion of a biomass’s tar surrogate, a sub-model of aromatics. The model will be tested against the experimental database under CO2 and H2O atmosphere that will be obtained in the above experimental part. The model will be transferred to IFPEN for soot modeling.

Requirements:

Candidates must have a master degree, in chemistry-physics or process engineering. Modeling and experimental skills, experiences in the field of combustion and chemical kinetics will be appreciated. Fluent English and ability to work in a team are expected.

Doctorante : Luna Cartayrade

Direction de la thèse: Florent Louis and Nadine Borduas-Dedekind (Université de Colombie Britannique, Vancouver, Canada)

Financement : Université de Lille - thèse labellisée Graduate Program / Labex CaPPA

Début de thèse : Oct. 2023

Le sélénium (Se) est un nutriment alimentaire essentiel. Son cycle biogéochimique, y compris sa composante atmosphérique, influence la santé animale et humaine par le biais de processus biologiques qui régulent notre vie quotidienne, comme le système immunitaire et la fonction thyroïdienne. L’apport alimentaire recommandé en Se varie entre 20 et 450 μg par jour pour les adultes. Les humains et les animaux obtiennent du Se de leur alimentation, dans laquelle la teneur en Se des aliments d’origine végétale dépend de la quantité de Se biodisponible dans les sols agricoles. Les dépôts atmosphériques sont une source majeure de Se dans les sols agricoles, et le cycle atmosphérique du sélénium est un facteur potentiel de distribution du Se dans le sol.

On pense que le Se atmosphérique a quatre sources principales : anthropique, biosphère marine, biosphère terrestre et émissions volcaniques. La réduction avec méthylation ultérieure par des micro-organismes de Se inorganique joue un rôle important dans la formation d’espèces de Se volatiles, telles que le méthane sélénol, le séléniure de diméthyle ou le diséléniure de diméthyle présents dans les systèmes marins. La volatilisation peut entraîner l’émission en phase gazeuse de ces organo-séléniures à partir de la phase aqueuse. Il est généralement postulé que les composés organiques Se ont une durée de vie assez courte dans l’atmosphère, où ils sont rapidement oxydés et par conséquent se partagent dans la phase particulaire. Cependant, les informations disponibles nous empêchent de prédire la spéciation chimique et le devenir des composés organiques volatils Se dans l’atmosphère. Avec les changements climatiques, il est urgent de modéliser le cycle biogéochimique de Se afin d’atténuer les futures carences en Se.

En plus des expériences qui seront effectuées à l’Université de la Colombie-Britannique, ce projet de thèse évaluera le devenir des espèces contenant du Se en utilisant des outils de chimie théorique pour élucider le mécanisme d’oxydation chimique par étapes du Se atmosphérique afin de permettre les capacités prédictives du devenir de ces composés pour les futures cartes de distribution du sol Se. En fin de compte, ce projet permettra de mieux comprendre les aspects actuellement inconnus de l’oxydation du sélénium en phase gazeuse, ce qui permettra d’améliorer la modélisation du devenir du Se et de son impact sur la distribution des sols dans un climat changeant.

Au cours des dernières décennies, la cinétique théorique a contribué de manière significative à une meilleure compréhension d’un nombre important de réactions atmosphériques et a permis d’estimer les constantes de vitesse associées avec une précision chimique. Cette amélioration est le résultat d’importants progrès dans les outils informatiques et la précision des méthodes théoriques (c.-à-d. les théories de la structure électronique et de la cinétique chimique). Une étude de référence systématique des méthodes théoriques appropriées sera effectuée pour évaluer différentes propriétés telles que, par exemple, les paramètres géométriques, les fréquences vibratoires et les forces de liaison pour les espèces contenant du sélénium. Dans un deuxième temps, ce projet vise à éclairer la compréhension des faits expérimentaux et à déterminer à la fois les propriétés thermochimiques et les paramètres cinétiques des systèmes moléculaires couramment étudiés. L’objectif est d’éclairer les expériences sur les produits recommandés à rechercher, et vice-versa, pour soutenir la cinétique et les produits déjà identifiés. L’utilisation de la cinétique théorique sera également utile pour déterminer tous les chemins de réaction lorsque les produits n’ont pas pu être identifiés dans les expériences. Ces résultats fourniront de nouvelles connaissances sur le devenir des composés Se dans l’atmosphère afin d’évaluer leur transport atmosphérique, leur devenir et, finalement, leur distribution spatiale pour évaluer les futures carences en Se.

Doctorant : Brendan Gachot

Direction de la thèse : Xavier Mercier (PC2A), Cornélia Irimiea (ONERA) et Nicolas Fdida (ONERA)

Financement : 50% ED SMRE / 50% ONERA

Début de thèse : Oct. 2022

Des efforts considérables ont été déployés ces dernières années pour concevoir des moteurs d'avion offrant de meilleures performances environnementales. Une solution à court terme consiste à remplacer le carburant dérivé du pétrole par des carburants synthétiques pour la propulsion des avions afin de réduire de manière conséquente les émissions de particules de suie et de polluants gazeux. Cette stratégie a été partiellement mise en œuvre dans divers secteurs de l'aviation. Cependant, très peu d'études existent à l’heure actuelle sur la combustion des biocarburants aéronautiques dans des conditions représentatives des chambres de combustion des avions. En outre, il n'est pas certain que la technologie actuelle des chambres de combustion soit idéale pour caractériser la combustion de biocarburants à faible émission de polluants et que les paramètres puissent être adaptés pour éviter les instabilités de combustion et la formation de polluants. Dans ce contexte, l’obtention de données expérimentales fiables est une étape indispensable pour identifier les paramètres critiques impliqués dans la combustion des biocarburants des avions pendant les cycles représentatifs d'atterrissage et de décollage (LTO).

L'objectif de ce projet de recherche vise à caractériser la combustion du kérosène (comme carburant de référence) et celle de carburants dérivés du bio-kérosène sur un banc d'essai semi-industriel aéronautique au moyen d’un panel de techniques optiques non intrusives. Ces techniques optiques seront tout d’abord mises en œuvre et testées à l'échelle du laboratoire dans des configurations de brûleurs académiques avant d’être transposées sur le banc d'essai. Les techniques mises en œuvre, de par leur complémentarité, permettront l’obtention d’une image globale des paramètres d'intérêt tels que le développement du spray et de sa dynamique dans la chambre de combustion, les zones de dégagement de chaleur et les régions contenant les précurseurs et les particules de suie. En pratique, l'incandescence et la fluorescence induites par laser (LII/LIF) seront couplées à la diffusion de Mie/Rayleigh et à la fluorescence ou à la chimiluminescence du radical hydroxyle (OH) pour caractériser la combustion des carburants aéronautiques, de mélanges de carburants aéronautiques et de carburants synthétiques et de carburants synthétiques purs dans la chambre de combustion du banc d'essai MICADO. Les cartographie des espèces obtenues couplées aux paramètres d'intérêt de la chambre de combustion, tels que la caractérisation du jet liquide, la chimiluminescence du radical OH, la formation des précurseurs aromatiques en phase gazeuse et des particules de suies, seront traitées au moyen d’outils statistiques pour étudier les différences entre les régimes de combustion et les carburants. Les résultats obtenus aideront à prédire le comportement des biocarburants dans des conditions de combustion complexe, à réduire les émissions de particules et de gaz et à valider les modèles de simulation dans des conditions de fonctionnement similaires aux conditions étudiées.

laboratoire d'accueil : ONERA

Doctorante : Sabah MOSTAFA

Direction de la thèse : Christa Fittschen (PC2A), Yoshizumi Kajii (Kyoto Univ, Japon)

Financement : LabEx CaPPA (50%) / ULille (50%)

Début de thèse : Oct. 2022

Gas-phase chemical reactions are important in a wide variety of environments such as combustion, Earth’s atmosphere, and dense interstellar clouds. Modelling such environments requires a detailed understanding of the mechanisms and rate coefficients of key reactions that define the system. In the atmosphere, the oxidation mechanism of volatile organic compounds (VOC) influences on a regional scale the air quality and hence human health. On a global scale it affects the oxidizing capacity of the atmosphere and with this the global climate: on one hand through effects on the lifetime of greenhouse gases such as methane, and on the other hand via tropospheric ozone chemistry and formation of secondary organic aerosols (SOA). In combustion systems, the fuel oxidation mechanism influences the efficiency of the process and the formation of pollutants, and so is intimately linked to the chemistry of the atmosphere.

In general, these gas-phase chemical systems are driven by reactions of short-lived intermediates such as OH, HO₂ and RO₂ (peroxy) radicals. Different approaches are combined to improve the understanding of this chemistry. Field campaigns gathering different research groups together at a well-selected place will collect data such as radical and trace gas concentration and meteorological data for defined periods (often several weeks). Subsequent modelling of these data using an appropriate model will try reproducing the experimental time traces of the field measurements. Disagreement between model and measurements can then indicate chemistry that is not well described in the model. At this point, laboratory measurements jump in to improve the knowledge of these processes.

The current PhD project is involved in all three aspects: (a) the major task will consist in laboratory experiments in Lille designed to elucidate the chemistry of peroxy radicals using a sophisticated set-up consisting of laser photolysis coupled to two different detection techniques: cavity ring down spectroscopy (cw-CRDS) for the quantification of peroxy radicals and laser induced fluorescence (LIF) for the time-resolved, relative detection of OH radicals. Setting-up a third technique, broad-band UV absorption spectroscopy for a complementary detection of peroxy radicals, halogen species or Criegee intermediates, is planned in the frame of this PhD. Through a secondment of 3-6 months to Kyoto University during the 2nd or 3rd year, the student will get inside into the two other aspects: (b) participating in a field campaign in Japan (if timing permits) and (c) modelling of field campaign data under the supervision of Prof. Yoshizumi Kajii.

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Doctorante : Maria Chehab

Direction de thèse : Directeur de thèse : HERBIN Hervé (LOA) , Co-directeur de thèse : PETITPREZ Denis (PC2A)

Financement : Région Hauts-de-France (50 %) – LabEx CaPPA (50%)

Début de thèse : Nov. 2022

Description du sujet : L'objectif de la thèse est d'étudier l'impact des propriétés optiques des aérosols
de feux de biomasse (FB) déterminées à partir de mesures de laboratoire afin d’améliorer le suivi des
incendies par télédétection et modélisation. En effet, les aérosols FB sont connus comme l'une des plus
grandes sources d'aérosols absorbants dans l'atmosphère terrestre, ce qui en fait un paramètre clé de la chimie atmosphérique et du bilan radiatif. Cependant, leur grande diversité chimique et microphysique en font l'un des types d'aérosols les plus mal connus et très difficile à surveiller et à quantifier. De plus, les aérosols FB sont une source importante d'incertitude pour les modélisations chimie-transport et climatique. Ainsi, l'ambition de cette thèse repose en premier lieu sur la détermination en laboratoire des propriétés optiques, en particulier des indices complexes de réfraction (ICR) sur une large gamme
spectrale (de l'infrarouge lointain à l'ultraviolet) d'aérosols FB pour des combustibles représentatifs de
différents types de végétations. Mesurer l'IRC dans une gamme spectrale aussi étendue représente un
réel défi et serait une avancée importante dans la détermination des propriétés optiques (rapport lidar,
épaisseur optique, albédo de diffusion simple, extinction spectrale, coefficient d'Ångström, etc.)
nécessaires aux observations par télédétection ainsi qu’à la modélisation du climat.
Méthodologie : Les travaux de thèse seront organisés autour de deux tâches principales. La première
consistera à enregistrer en laboratoire les spectres d’extinction (spectomètres IRTF et UV-visible) des
aérosols FB. La caractérisation physique et chimique de ces particules sera menée avec l’instrumentation
disponible au laboratoire PC2A (compteurs de particules, granulomètres, prélèvement sur filtre pour
analyses chimiques). La seconde tâche consistera à restituer, à partir des spectres enregistrés, les ICR à
l’aide d’une méthode numérique développée au LOA.
Retombées scientifiques : La détermination expérimentale des paramètres optiques qui caractérisent
les particules émises par les feux de biomasse représente une attente de la communauté des sciences
de l’atmosphère car ces données sont cruciales pour interpréter les observations par télédétection de ces
feux dont la fréquence et l’intensité risquent d’augmenter avec le dérèglement climatique. Elles pourront
aussi être injectées dans les modèles d’inversions utilisés par les équipes qui travaillent sur la modélisation
à l’échelle globale des aérosols carbonés.
Insertion du sujet dans les programmes de recherche régionaux : Ce sujet de thèse s’inscrit dans un
projet collaboratif trans-disciplinaire porté par le LOA et le PC2A depuis plusieurs années. Il est
profondément fédérateur puisqu’il permet d’associer de nombreux laboratoires en région (LOA, PC2A,
IEMN, LPCA, CERI EE) issus de différentes thématiques (Physique, Chimie, Atmosphère). Le sujet de
thèse va également fortement contribuer au CPER 2021-2027, en tant qu’axe de recherche transverse
d’ECRIN. Enfin la détermination expérimentale des propriétés optiques des aérosols est un axe de
recherche affiché dans le WorkPackage 2 (WP2) du Labex CaPPA (https://www.labex-cappa.fr/groupe-
de-travail-2/) et ce sujet de thèse figure parmi les sujets prioritaires du labex CaPPA.

 

Doctorante : Nour EL BABA

Direction de la thèse : Nathalie Lamoureux, Pascale Desgroux

Financement : ADEME / LabEx CaPPA

Début de thèse : Oct. 2022

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Pour atteindre l'objectif de neutralité carbone en 2030/2050, comme annoncé par la France dans son plan d’investissement « France 2030 » et par l'Europe dans son "Green Deal", la demande en électricité va fortement augmenter. Les ressources énergétiques renouvelables comme l'éolien et le solaire sont considérées comme les principales ressources énergétiques d’avenir. Toutefois, en raison de leur intermittence et de la nécessité de garantir la sécurité de l'approvisionnement en électricité, le stockage de l'énergie fera partie intégrante du réseau électrique intelligent moderne. Une solution pour stocker l'excédent d'électricité est ce que l'on appelle communément les électro-carburants (e-carburants). Par exemple, l’e-carburant hydrogène (H₂) peut être produit par électrolyse de l’eau, puis stocker sous forme d’ammoniac (NH₃) par un procédé Haber-Bosch ou des méthodes électrochimiques. Contrairement à l'hydrogène, le transport et le stockage de l'ammoniac (qui est déjà utilisé dans le monde entier à des fins agricoles) est plus facile que celui de l'hydrogène. Le NH₃ peut être réduit en H₂ et N₂ (craquage). Il peut aussi être utilisé directement dans les dispositifs de combustion. Ainsi, l’utilisation de l’ammoniac est d’ores et déjà effective dans le transport maritime (DNV-GL, C-JOB, MAN, …) qui doit répondre à l’obligation de l’organisation maritime internationale (OMI) de réduire les émissions de CO₂ de la marine marchande de 40% d’ici 2030 et 70% d’ici à 2050, comparé à 2008. Cependant, l’ammoniac a un très faible dégagement de chaleur par rapport aux combustibles fossiles, et sa combustion peut être affectée par l'apparition d'instabilités. Ces difficultés sont atténuées lorsque l’ammoniac est utilisé avec un co-combustible, de préférence de l'hydrogène afin d'atteindre l'objectif de zéro émission de carbone.

Si l’ammoniac a l’avantage d’offrir une combustion zero carbone, les émissions attendues en NO_x, N₂O et NH₃ imbrûlés doivent être maitrisées. Le développement de nouveaux brûleurs, moteurs à combustion interne s’appuie sur des codes de simulation de combustion turbulente pour lesquelles il est important d’avoir une bonne connaissance de la cinétique chimique de l’oxydation de l’ammoniac. Il existe aujourd'hui plusieurs mécanismes cinétiques détaillés représentatifs de la combustion de l'ammoniac. La plupart a été validé par des mesures de paramètres globaux tels que les vitesses fondamentales de flamme et les délais d'allumage. Ces mécanismes doivent être consolidés à partir de données détaillées telles que l’évolution des espèces chimiques en fonction des conditions de combustion. Celles-ci peuvent être obtenues dans des flammes de prémélange stabilisées à basse pression qui présentent l’avantage d’un front de flamme bien décollé de la surface du brûleur.

Le travail de la thèse s’articulera autour de deux axes :

Construction d’une base de données expérimentales en flammes laminaires.

Différentes flammes de prémélange seront stabilisées à basse pression ; NH₃/O₂/N₂ avec différents rapport d’équivalence (NH₃/O₂), ainsi que des flammes où une faible fraction de NH₃ sera substituée par de l’hydrogène. Les techniques de spectroscopie laser (Laser Induced Fluorescence, LIF et absorption par Cavity RingDown Spectroscopy, CRDS) seront mises en place afin de mesurer dans ces flammes les variations des profils de concentration des espèces telles que : OH, NH, NO, O et H, ainsi que les profils de température. Ces techniques sont d’ores et déjà bien maîtrisées au laboratoire PC2A (<link nathalie-lamoureux/publications/%23descr>https://pro.univ-lille.fr/nathalie-lamoureux/publications/#descr</link>). Afin de compléter l’inventaire des espèces mesurables, la technique FTIR sera implantée afin d’obtenir les profils de concentration de NH₃, H₂O, NO₂ et N₂O.

Développement d’un modèle cinétique détaillé.

Le travail de simulation cinétique sera effectué avec des codes de calculs (Chemkin-Pro, LogeSoft, Cantera) en utilisant dans un premier temps des modèles cinétiques de la littérature. Sur la base de la comparaison entre les prédictions et les expériences, le travail d’analyse cinétique permettra d’identifier les voies de formation des émissions polluantes NOx et N₂O, ainsi que les conditions où les émissions de NH₃ imbrûlé sont critiques. A l’issue du travail, un modèle cinétique détaillé et validé pour la prédiction des émissions sera proposé.

Mots-clés : Combustion, Cinétique chimique, émissions NOx, diagnostics de spectroscopie laser

Prérequis : Diplôme de Master ou Ecole d’ingénieur dans le domaine de la chimie, chimie-physique, et une forte aspiration à réaliser un travail expérimental sont nécessaires. Des connaissances dans le domaine de la combustion, des techniques laser seraient appréciées.

Ecole Doctorale : Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement (https://edsmre.univ-lille.fr)

Laboratoire d’accueil : Université de Lille, Faculté des Sciences et Technologies, PC2A https://pc2a.univ-lille.fr/

Durée et démarrage : 36 mois à partir d’Octobre 2022

Contact e-mail: Nathalie.lamoureux[chez]univ-lille[point].fr, Pascale.desgroux[chez]univ-lille[point].fr

Doctorant : Valisoa RAKOTONIRINJANAHARY

Direction : Benjamin Hanoune (PC2A), Suzanne Crumeyrolle (LOA)

Financement : CIFRE

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La qualité de l’air est un enjeu environnemental et sanitaire fort. Les impacts sanitaires et économiques ont fait et continuent de faire l’objet de nombreuses études. Sur le volet santé publique, depuis le début des années 2000, des travaux visent à mieux connaître la qualité de l’air, qu’il s’agisse de l’air ambiant extérieur ou, plus récemment, de l’air intérieur, et à déterminer les solutions efficaces de réduction des polluants. Depuis plusieurs années, ce sujet revient régulièrement dans le débat public.

La présence de particules (PM₁₀ et PM_2.5) dans les enceintes ferroviaires souterraines est un risque en émergence de santé publique et de santé au travail (exposition des conducteurs de RER, agents en charge de la maintenance des infrastructures, régulateur de flux, agents d’accueil, etc.). C’est aussi un sujet d’image sur la capacité de SNCF à prendre en charge le sujet.

Dans les emprises ferroviaires souterraines, les PM₁₀ et PM_2.5 présentes proviennent de deux sources majoritaires très différentes de celles de l’air extérieur : (i) l’usure du train : frottement lors du freinage, contact roue-rail, contact caténaire-pantographe) et (ii) l’usure de l’infrastructure : poussière de ballast, poussières des ciments des tunnels et des revêtements. D’autres sources a priori plus minoritaires sont à considérer : (iii) les travaux de maintenance (trains diesel, activités industrielles), (iv) l’air extérieur, variable en fonction de l’ouverture de la gare sur l’extérieur et de la ventilation, (v) les personnes (poussières transportées et émises). Le principal vecteur de diffusion dans les souterrains est la circulation des trains qui, par le brassage de l’air qu’elle cause, participe à la remise en suspension dans l’air des particules présentes sur la voie et à leur envol sur les quais et dans les autres espaces des gares.

L’objectif de cette thèse est de déterminer la contribution de chacun des paramètres régissant les variations des concentrations de particules dans les enceintes ferroviaires, à partir des données déjà collectées dans des gares parisiennes ou de données complémentaires à acquérir. Ce travail permettra d’évaluer l’efficacité potentielle de méthodes d’amélioration de la qualité de l’air pouvant être implémentées dans ces environnements.

Elle se déroulera au centre de recherche de la SNCF, dans le cadre d’une convention CIFRE.

Doctorante : Doha KDOUH

Date prévue de soutenance : 2024

Financement : ANR OFELIE

Direction : Laurent Gasnot, Luc-Sy Tran

In order to reduce the fossil fuel dependency and the net CO₂ emissions of spark-ignition (SI) engines, bio-fuels, which contain oxygenated molecules, are being considered as a promising lever. This is why the percentage of ethanol in gasoline, up to 10% today, will be still increased in the coming years. Although oxygenated fuels tend to reduce soot emissions, the chemical interactions between Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) with oxygenated compounds is not yet well understood. Moreover, the use of such alternative fuels gives rise to new pollutant issues. For example, they produce much larger formaldehyde and aldehyde emissions compared to standard fuels. As these molecules are highly toxic, they will be regulated in the future Euro 7 norm.

A better understanding of the chemical processes related to the use of these new bio-fuels requires experimental measurements to establish a detailed database including aldehydes, PAHs and soot during the combustion of oxygenated fuels. In this way, a set of laminar flame experiments will be carried out. As a surrogate of gasoline we will consider a reference fuel made of iso-octane, n-heptane and toluene (INT), mixed with ethanol (INT-E), the most plausible oxygenated gasoline for the coming decade, or with butanol (INT-B), as a representative of long-term bio-resourced oxygenated fuels. Comparison between INT-E and INT-B will also allow us to assess the influence of the structure of the oxygenated fuels, which is also not well known.

Hence, the objective of this PhD will be to establish an experimental detailed database to characterize the oxidation of the INT reference fuel, the combustion chemistry of the oxygenated compounds and their influence on key chemical species involved in pollutant emissions. This project will also aim to contribute to a larger research program devoted to the impact of oxygenated fuels on SI engine emissions (ANR OFELIE). Different research laboratories and automobile constructor companies (IFPEN, LRGP, PC2A, PSA, and Renault) will be involved in this ANR OFELIE program.

Keywords: Combustion, Oxygenated Fuels, Laminar Flames, HAPs, Soot

Doctorant : Mateus Freitas Paiva

Date de soutenance prévue : 2024

Financement : European doctoral programme PEARL website www.pearl-phd-lille.eu.

Direction : Fabio Bellot Noronha (UCCS), Guillaume Vanhove (PC2A)

Lignocellulosic biomass is an abundant, non-edible and renewable resource for the production of high added-value chemicals and fuels in the future biorefineries. The first step in a biorefinery is the fractionation of lignocellulosic biomass into its components, which is followed by depolymerization and upgrading. These processes are usually performed separately and consecutively. In this PhD project, we propose to integrate these steps into a one-pot process to improve the viability of the biorefinery. One of the challenges is the pretreatment step due to the biomass recalcitrance. The approach of proposed PhD work is based on the use of abundant and "simple" inorganic molten salt hydrate (ZnCl2.xH2O) as solvent to extract carbohydrates from the biomass matrix. This fractionation technique has various advantages: inorganic molten salt hydrates are inexpensive, easily prepared from non-toxic precursors; they are recyclable; and exhibit high performance on cellulose and hemicellulose dissolution at low temperature. Different biomass wastes (wheat straw, corn stover) or crops (miscanthus) typical of the Hauts-de-France region and Netherlands will be used. Once cellulose and hemicellulose are extracted from the biomass matrix, they will be transformed into platform molecules in the same reactor where the fractionation takes place. This will be performed by using an innovative heterogeneous catalyst containing Brönsted acid sites and highly active transition metal nanoparticles deposited on magnetic core-shell support that will be designed and tested. The reaction involves the hydrolysis of the carbohydrates on the sulfonic groups grafted on the silica support followed by the hydrogenation of the sugars produced into sorbitol and xylitol using metal (Ru, Pd) nanoparticles and formic acid as a hydrogen donor. The magnetic core-shell nanoparticles allow the easy separation of the catalyst and its reuse. Lignin remains in the solid residue produced and it will be separated, characterized and tested for oxygen removal and production of hydrocarbons. The integration of biomass fractionation and carbohydrate conversion to platform molecules at low temperature using low-cost and environmentally friendly solvents such as molten salt hydrates and multifunctional catalysts will improve the efficiency of the overall process, reduce the costs and increase its competitiveness. The potential to valorise lignin produced as biofuel will also be investigated. This is highly dependent on their reactivity towards ignition, i.e. their gas-phase oxidation mechanism at temperatures below 1000 K. This will therefore be evaluated through kinetic studies of their combustion in engine-relevant conditions, by measuring their ignition delays in a well-controlled environment, and identifying the major reaction pathways involved. This in turn will permit the development of predictive tools of their reactivity, thus facilitating their introduction into commercial fuels. This thesis will be carried out at Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS) and Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère (PC2A) in Lille. The PhD student will also perform a research stay at University of Wageningen in Netherlands for 10 months. During his/her PhD the candidate will disseminate his results on international congresses in the field of catalysis, chemical engineering and combustion.

The funding is managed by the I-SITE ULNE foundation which is a partnership foundation between the University of Lille, Engineering schools, research organisms, the Institut Pasteur de Lille and the University hospital.

Doctorante : Marwa SAAB

Date prévue de soutenance : 2024

Financement : 50% Labex CaPPA /50% ED SMRE

Direction : Guillaume Vanhove, Yann Fenard

english version

Afin de réduire le coût environnemental du secteur du transport, l’utilisation de l’hydrogène issu de biogaz comme carburant est plébiscitée. Les moteurs à combustion interne alimentés à l’hydrogène démontrent des rendements supérieurs et émissions inférieures à leurs homologues à carburant conventionnel. Cependant l’influence de l’hydrogène sur la cinétique de combustion des carburants et biocarburants à basse température (< 1000 K) reste très peu documentée. Dans ces conditions, la chimie de la combustion est plus complexe et dépend de manière importante de la structure du carburant initial. Pour faciliter l'utilisation de carburants modernes avec de l’hydrogène, des modèles prédictifs doivent ainsi être construits et validés.

Pour étudier l’impact de l’hydrogène sur la combustion de carburants et biocarburants, des études expérimentales seront menées à l'aide d'une Machine à Compression Rapide sur des espèces représentatives. Ce réacteur de laboratoire permet d'approcher les conditions de fonctionnement d'un moteur en comprimant des mélanges gazeux à des températures allant de 600 à 1000 K et des pressions de 1 à 30 bar. Ce réacteur permet à la fois la mesure de délais d'auto-inflammation, mais aussi de prélever le milieu réactif pendant ce délai d'auto-inflammation, et permet ainsi d'acquérir des données de validation des modèles cinétiques globales (délais) et détaillées (profils d'espèces).

Les objectifs de la thèse sont de :

·         Comprendre et approfondir les mécanismes d’auto-inflammation des carburants et biocarbants en présence d’hydrogène dans les gammes de basses températures de la combustion,

·         Evaluer le besoin de calcul théorique de vitesses de réaction afin de renforcer la description de la combustion de carburants/biocarburant et hydrogène,

·         Proposer des recommandations sur les mélanges permettant une combustion plus propre et efficace dans les moteurs à combustion interne.

Mots-clés : Combustion propre, cinétique d’oxydation des carburants, combustion aux basses températures, modélisation cinétique.

Doctorante : Jeyan BICHON

Date de soutenance prévue : 2024

Direction : Denis Petitprez (PC2A), Sophie Eliet (IEMN), Hervé Herbin (LOA)

Financement : ANR STEPSON

Contexte du projet

A l’échelle globale les aérosols sont une des composantes majeures impliquées dans le calcul du bilan radiatif terrestre et donc de l’évolution future du climat. Leur contribution résulte de nombreux effets directs ou indirects dont l’intensité sera liée à leur concentration en nombre et la nature de leurs sources se traduisant par une large diversité de propriétés physico-chimiques: taille des particules, morphologie, composition chimique. A l’échelle locale, les impacts sanitaires de la pollution particulaire sont à présents suffisamment documentés pour confirmer le rôle néfaste des particules sur la santé des populations, leur toxicité dépendant aussi de la taille et de la composition chimique des particules.

Une meilleure connaissance des impacts locaux et globaux des aérosols nécessite donc de disposer de ces données sur une couverture globale avec une résolution temporelle élevée. L’observation de l’atmosphère par télédétection permet d’obtenir ces informations cruciales et notamment à partir de spectromètres embarqués sur les plateformes satellitaires. Le challenge de ces observations consiste à inverser les signaux optiques enregistrés sur toute la colonne atmosphérique afin de déterminer les propriétés physico-chimiques des aérosols. Cette opération nécessite la connaissance des propriétés optiques et notamment les indices complexes de réfraction (ICR) des aérosols. Or, ces ICR sont très mal connus dans la gamme spectrale TeraHertz (100 GHz-30 THz). Il est donc primordial de réaliser des expériences de laboratoire afin de les mesurer.

Le projet STEPSON prévoit le développement d’un spectromètre permettant la caractérisation d’aérosol entre 0,2 et 5 THz. Ce spectromètre, à vocation transportable, pourra être couplé avec d’autres spectromètres (IR et visible) permettant ainsi d’obtenir des ICR sur une très large gamme spectrale jamais couverte jusqu’à présent.

Missions et activités de l’étudiant(e) en thèse de doctorat

L’étudiant(e) aura pour mission de développer un banc expérimental afin d’enregistrer des spectres TéraHertz de particules remises en suspension dont la granulométrie et la concentration seront aussi enregistrés.

Il/Elle sera amené à optimiser une procédure numérique existante afin d’en déduire les indices complexes de réfraction de particules. Ces particules seront dans un premier temps des particules dites « modèles », sphériques, calibrées en taille et composition connue. L’étudiant(e) disposera ensuite d’une banque d’échantillons réels (poussières désertiques, cendres volcaniques) sur lesquels il/elle pourra mener ses expériences.

Une fois toutes ces étapes validées à l’IEMN, l’instrumentation sera couplée avec d’autres spectromètres (UV-Vis et IRTF) de sorte à acquérir des jeux de données de l’UV au TéraHertz dans les mêmes conditions opératoires.

Contexte professionnel et géographique

L’étudiant(e) en thèse intégrera l’équipe Photonique-TeraHertz de l’Institut d’Electronique Microélectronique et Nanotechnologies (IEMN). L’étudiant(e) exercera sa mission principalement au laboratoire central de l’IEMN, situé sur le Campus Cité Scientifique à Villeneuve d’Ascq, accessible en métro (arrêt 4 Cantons). Il/Elle bénéficiera de l’environnement instrumental et technique des plateformes de l’IEMN. L’étudiant(e) sera encadré(e) par le Professeur Denis Petitprez du laboratoire des Processus Physico-Chimique Combustion et Atmosphère (PC2A) et par le Dr Sophie Eliet, Ingénieur de Recherche à l’IEMN. L’étudiant(e) sera amené(e) à interagir avec les personnels du PC2A et du Laboratoire d’Optique Atmosphérique (LOA) (situés sur le même campus universitaire que le laboratoire central de l’IEMN) et pourra bénéficier des équipements et des savoir-faire selon les besoins inhérents au sujet.