Thèse soutenue

Développement de capteurs électroniques à base de matériaux nanocomposites conducteurs pour la mesure du nitrate d'ammonium particulaire
FR  |  
EN
Accès à la thèse
Auteur / Autrice : Mohamed Lamine Boukhenane
Direction : Patrice Coddeville
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
Date : Soutenance le 18/12/2020
Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
Partenaire(s) de recherche :  : Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (France)
Laboratoire : IMT Lille Douai
Jury : Président / Présidente : Jérémie Soulestin
Examinateurs / Examinatrices : Suzanne Crumeyrolle, Sophie Génermont, Nathalie Redon
Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Debliquy, Boris Lakard

Résumé

FR  |  
EN

La pollution atmosphérique par les particules fines (PM2,5) constitue un enjeu sanitaire et environnemental majeur. Avec une composition chimique présentant une grande variabilité, les particules fines (PM2,5) sont dominées par des sels d’ammonium (jusqu’à 40%), parmi eux, le nitrate d’ammonium. Ce dernier est formé majoritairement par la combinaison d’ammoniac, dont 80% des émissions en Europe proviennent des activités agricoles, avec de l’acide nitrique gazeux à température ambiante (<20°C). La mesure des particules de nitrate d’ammonium par les moyens habituels déployés pour la mesure des particules atmosphériques est une tâche lourde et coûteuse. En outre, les seuls capteurs optiques de particules qui existent n’informent en aucun cas sur la nature chimique des particules. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux capteurs à faible coût capables de mesurer spécifiquement la concentration des particules de nitrate d’ammonium. La méthode de mesure repose sur la thermo-décomposition des particules de nitrate d’ammonium en acide nitrique gazeux et ammoniac. Ce dernier est quantifié à l’aide d’une couche sensible à base de matériaux nanocomposites conducteurs constitués de la polyaniline dopée (PANI), élément réactif, et d’une matrice en polyuréthane (PU). La concentration en ammoniac libéré est corrélée à la concentration massique des particules de nitrate d’ammonium. Les capteurs développés au cours de ce projet ont montré une réponse à l’ammoniac gazeux à des concentrations inférieures ou égales à 20 ppb avec une sensibilité de 0,35% ppb-1, ce qui répond aux objectifs attendus en air ambiant et permettrait d’envisager des mesures du nitrate d’ammonium particulaire. Les capteurs ont également démontré une bonne répétabilité et reproductibilité de leur réponse à ce gaz. L’impact de la température (23-50°C) et l’humidité relative (30%-90%) sur la sensibilité des capteurs à ce gaz est étudié afin d’évaluer la capacité des capteurs à mesurer l’ammoniac issu de la thermo-décomposition des particules de nitrate d’ammonium à des températures et à des taux d’humidité propices à leur décomposition. Certaines formulations de surfaces sensibles continuent de présenter des réponses concluantes à l’ammoniac même dans ces conditions particulières. Par ailleurs, les capteurs ont montré une sensibilité à l’acide nitrique gazeux seul à 50°C (-4,85% à 195ppb). Malgré cette interférence, les capteurs ont été capables de mesurer des concentrations en nitrate d’ammonium particulaire de l’ordre de 265 µg.m-3 avec une sensibilité de 1,82.10-3%.µg-1.m3 à 50°C. Ces résultats prometteurs démontrent la capacité des capteurs à mesurer le nitrate d’ammonium particulaire selon la méthode proposée. En revanche, l’interférence de l’acide nitrique gazeux pourrait réduire la sensibilité des capteurs à ces particules.