Détermination expérimentale des caractéristiques physiques et chimiques de particules de suie émises par des turboréacteurs d'avion

Experimental characterization of the physico-chemical properties of soot particles emitted by an aircraft engine

• Auteur / Autrice : David Delhaye
• Direction : Daniel Ferry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux. Physique. Chimie et nanosciences
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fractales

Microscopie électronique à balayage

Avions -- Turboréacteurs

Microscopie électronique en transmission

Résumé

Les émissions liées à la combustion de la biomasse et des carburants fossiles constituent des sources significatives de particules dans l’atmosphère. Les particules de suie émises par les turboréacteurs aéronautiques dans la basse stratosphère et la haute troposphère, zones sensibles de l’atmosphère, ont un impact sur le forçage radiatif global de par la formation de traînées de condensation qui peuvent évoluer en nuage de type cirrus. Par ailleurs, ces particules de taille submicrométrique, dont l’impact sur la qualité de l’air est avéré, sont également source de questionnement quant à leur(s) effet(s) sur la santé publique. La présente étude a pour objet la détermination expérimentale des caractéristiques physiques et chimiques des particules de suie émises par des turboréacteurs d’avions commerciaux. Les prélèvements sont effectués sur un banc d’essai de la société SNECMA (groupe SAFRAN) par un dispositif mis au point au cours de ce travail et localisé derrière des turboréacteurs CFM56-5C et CFM56-5B qui équipent respectivement des avions long-courriers et moyen-courriers. Diverses techniques expérimentales telles que la microscopie électronique en transmission (MET), la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectrométrie dispersive d’énergie de rayons X (XREDS), et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) sont mises en œuvre pour étudier la morphologie, la structure, la distribution en taille, la composition chimique élémentaire des particules primaires de suie, et la nature des groupes fonctionnels présents à leur surface. La dimension fractale ( ) des agrégats de suie et leur diamètre de giration ( ) sont également établis. Les résultats expérimentaux montrent que les suies émises par les deux turboréacteurs étudiés présentent : - des valeurs similaires de la dimension fractale des agrégats - des distributions en taille log-normales pour les particules primaires et les agrégats - des compositions chimiques élémentaires et des groupes fonctionnels très similaires - des diamètres de giration des agrégats qui diffèrent Par ailleurs, nous montrons que la phase de préparation des échantillons, préalable aux observations en MEB, a une influence importante sur la valeur déterminée de la moyenne géométrique de la distribution en taille des particules primaires. Par conséquent, nous préconisons de réaliser l’étude des caractéristiques physiques des particules primaires de suie aéronautique par MET plutôt que par MEB.

Biomass burning and fossil fuel combustion represent significant sources of particles in the atmosphere. Soot particles emitted by aircraft engines in the troposphere and lower stratosphere are also of importance since they have an impact on the global radiative forcing in regard with condensation trails (contrails) that can evolve into cirrus clouds. Moreover, it has already been established that these particles have an impact on the air quality, and their sub-micrometer size is now a matter of questions regarding their effect on human health. This study is devoted to determine the physico-chemical properties of soot particles emitted by commercial aircraft engines, through various experiments. Soot samples are collected behind CFM56-5C and CFM56-5B aircraft engines, in a test bench that belongs to the SNECMA company (SAFRAN group). These engines are usually used to respectively power long- and medium- hauls. Various experimental techniques such as transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray energy dispersive spectroscopy (XREDS), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) are used to study the soot primary particles morphology, structure, size distribution, elemental chemical composition, and to determine the surface functional groups. Fractal dimension ( ) and gyration diameters ( ) of soot aggregates are also determined. Our experimental data show that: - soot aggregates emitted by both engine have similar values of the fractal dimension - soot primary particles and aggregates always exhibit log-normal size distributions and have similar elemental chemical composition and functional groups - aggregates have different gyration diameters according to the engine used We also point out that the sample preparation, which is a prerequisite for SEM studies, has a strong influence on the geometric mean value of the primary particles size distribution determined from micrographs analyses. Consequently, we claim that TEM is more suitable than SEM to characterize the size distribution of soot primary particles emitted by engines.