Capture et transformation du dioxyde de soufre gazeaux à la surface de poussières volcanique islandaise

Uptake and reactivity of sulfur dioxide gas onto Icelandic volcanic dusts

• Auteur / Autrice : Darya Urupina
• Direction : Frédéric Thévenet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• 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 : Laboratoire : IMT Nord Europe - Center for Energy & Environment
• Jury : Président / Présidente : Denis Petitprez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Deboudt, Antoine Rousseau, Emmanouil Romanias
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yuri Bedjanian, Paola Formenti

Mots clés

Mots clés libres

Poussière volcanique

Réaction hétérogène

Coefficient de capture

Drifts

Dioxyde de soufre

Sulfate

HLPC

Poussière minérale

Volcanic dust

Heterogeneous reactions

Uptake coefficient

Drifts

Sulfur dioxide

Sulfate formation

HLPC

Mineral dust

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur l’étude des interactions du dioxyde de soufre (SO2) gazeux avec des poussières volcaniques islandaises. Ils intègrent cinq échantillons naturels de poussières volcaniques: Hagavatn, Mýrdalssandur, Maelifellssandur, Dyngjusandur and Eyjafjallajökull. Les interactions hétérogènes entre SO2 et les poussières volcaniques sont abordées avec plusieurs techniques expérimentales complémentaires. Les profils temporels associés à la capture de SO2, caractérisés par les coefficients de capture en régime stationnaire ont été renseignés expérimentalement. Ces paramètres sont des données d’importance pour les modèles atmosphériques. Des mécanismes réactionnels décrivant la formation des espèces de surface résultant de l’interaction de SO2 avec la surface des poussières sont proposés. Une nouvelle méthode analytique permettant l’extraction et la quantification d’espèces soufrées de surface a été développée et validée. Cette méthode est à présent disponible tant pour l’étude de processus hétérogènes en laboratoire que pour la caractérisation d’échantillons de terrain. Il a été mis en évidence que l’interaction de SO2 avec les poussières volcaniques est un processus de long terme. Les produits formés en surface sont stables et influencent les propriétés des particules minérales. Il a été démontré expérimentalement que l’humidité relative présente une influence marquée sur la capture et la transformation de SO2. La composition de surface des particules minérales est aussi un élément clé, particulièrement pour des humidités relatives inférieures à 30%. Enfin, ces travaux montrent l’importance d’avoir recours à des échantillons minéraux naturels pour assurer une bonne représentativité des études portant sur les processus atmosphériques hétérogènes impliquant des particules minérales.

This thesis investigates the interactions of sulfur dioxide (SO2) gas with Icelandic Volcanic Dusts. Five natural volcanic dust samples were used for the study: Hagavatn, Mýrdalssandur, Maelifellssandur, Dyngjusandur and Eyjafjallajökull. The heterogeneous interactions of gas-phase SO2 with volcanic dusts are investigated using a number of complimentary techniques. Temporal profiles of SO2 uptake and, more precisely, the steady state uptake coefficients have been determined experimentally. These are important kinetic parameters that can be implemented in models. Mechanisms of formation of various surface species resulting from the interactions of SO2 with the surface of dusts are proposed. A new method for quantification of surface sulphur species has been developed and validated. This method can now be used both for further laboratory investigations and in field measurements. It is evidenced that the interactions of SO2 gas with the volcanic dust is a long continuous process. The products formed on the surface are stable and definitely influence the mineral particle properties. It is evidenced that the interactions of SO2 gas and volcanic particles are highly influenced by humidity and by UV light. The influence of surface composition also plays an important role especially at levels of humidity equal or lower than 30% RH. This work emphasizes the importance of using relevant natural dust samples in order to study the heterogeneous atmospheric phenomena involving natural solid particles.