Optimisation et évaluation d'un chromatographe en phase gazeuse avec double détection pour la mesure en ligne de composés organiques volatils en laboratoire et sur le terrain

Optimization and evaluation of a gas chromatograph with dual detection for on-line measurement of volatile organic compounds in the laboratory and in the field

• Auteur / Autrice : Fanny Bachelier
• Direction : Véronique Daële
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Chimie analytique
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Valéry Catoire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Coeur, Matthieu Riva, Sébastien Dusanter, Valérie Gros, Abdelwahid Mellouki, Damien Bazin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Coeur, Matthieu Riva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Composés organiques volatils

Chromatographie en phase gazeuse

Spectrométrie de masse à ionisation chimique

Chimie de l'atmosphère

Recherche

instrumentation

Chimie analytique

Mots clés libres

Composés organiques volatils

Chromatographe gazeux à désorption thermique

Qualité de l'air

Pollution atmosphérique

Campagne de terrain

Inter-comparaison analytique

Volatile organic compounds

Thermal desorption gas chromatograph

Air quality

Atmospheric pollution

Field campaign

Analytical intercomparison

Résumé

Malgré les efforts actuels pour améliorer la qualité de l'air et réduire les émissions de gaz ayant un impact sur le changement climatique, la pollution atmosphérique demeure un problème majeur de notre siècle. Parmi les composants de l'atmosphère, les gaz traces tels que les composés organiques volatils (COV), qu'ils soient d'origine anthropique ou biogénique, nécessitent une attention et un suivi particuliers, tant pour l'étude de leurs produits d'oxydation que pour leur impact direct sur la santé humaine. Pour améliorer les connaissances sur leur devenir dans l'atmosphère, une combinaison d'études de terrain, en laboratoire et avec des modèles est nécessaire. La fiabilité de l'interprétation de la dégradation de ces gaz dépend grandement de la qualité de leurs mesures. Aujourd'hui, de nombreuses techniques existent pour suivre les concentrations en COV, telles que le spectromètre de masse à temps de vol par réaction de transfert de protons (PTR-ToF-MS) et le chromatographe gazeux à désorption thermique (TD-GC). L'objectif de cette thèse est d'optimiser et d'évaluer un TD-GC avec une double détection : un détecteur à ionisation de flamme (FID) et un spectromètre de masse (MS). Ce système est conçu pour la mesure en ligne de COV contenant 2 à 16 atomes de carbone en laboratoire ou sur le terrain. Les performances de l'instrument ont tout d'abord été étudiées pour plus de 80 composés sur chaque détecteur. Un programme de traitement de données automatique conçu pour sélectionner le résultat le plus fiable entre le FID et le MS a été développé et validé. L'instrument a ensuite été déployé lors de la campagne de terrain ACROSS (Atmospheric ChemistRy Of the Suburban foreSt) dans la forêt de Rambouillet. Lors de cette campagne, des écarts importants ont été observés entre les mesures des monoterpènes par PTR-ToF-MS et par TD-GC. Ce désaccord entre les deux techniques a motivé l'organisation d'une campagne d'inter-comparaison en laboratoire, dans la chambre de simulation atmosphérique HELIOS. Cette campagne (HECTIC : HElios Chamber Terpene Instrumental Comparison) avait pour but de tester différents paramètres (étalonnages, humidité, ozone, interférents,…) pouvant impacter la quantification des terpènes dans l'air ambiant et d'établir des recommandations de mesures pour les deux techniques.

Despite current effort to improve air quality and reduce gas emissions that have an impact on climate change, air pollution remains one of the major challenges of our century. Among the constituents of the atmosphere, trace gases such as anthropogenic and biogenic volatile organic compounds (VOCs) require particular attention, both for the study of their oxidation processes as well as their direct impact on human health. To improve our knowledge of their fate in the atmosphere, a combination of field, laboratory and model studies is required. The accuracy of interpreting the degradation of these gases is strongly dependent on the precision of their concentration measurements. Today, a number of techniques exist for monitoring VOC concentrations, such as proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry (PTR-ToF-MS) and thermal desorption gas chromatography (TD-GC). The aim of this thesis is to optimize and evaluate a TD-GC with dual detection: Flame Ionization Detector (FID) and Mass Spectrometer (MS). The system is designed for on-line measurements of VOCs containing 2 to 16 carbon atoms in the laboratory or in the field. The instrument's performance was first studied for over 80 compounds on each detector. An automatic data processing program designed to select the most reliable result between FID and MS was developed and validated. The instrument was then deployed during the ACROSS (Atmospheric ChemistRy Of the Suburban foreSt) field campaign in the Rambouillet forest. This campaign provided an opportunity to test the instrument in real conditions and compare its results with those of other participating laboratories. Significant discrepancies were observed between monoterpene measurements by PTR-ToF-MS and TD-GC. This disagreement between the two techniques led to the organization of an intercomparison laboratory campaign which took place in the HELIOS atmospheric simulation chamber. The goal of the HECTIC (Helios Chamber Terpene Instrumental Comparison) campaign was to test various parameters (calibrations, humidity, ozone, interferents, etc.) that could have an impact on the quantification of terpenes in ambient air. The results enabled us to establish best practice for the two techniques, and to implement modifications to make the TD-GC studied during this thesis more reliable.