L’objectif de ce travail est d’analyser théoriquement et expérimentalement la condensation des espèces inorganiques dans une installation de gazéification de la biomasse. Lors de la gazéification de la biomasse, des espèces inorganiques sont volatilisées et se condensent lors du refroidissement du gaz de synthèse. Ces espèces sont problématiques pour le procédé et doivent être éliminées avant la synthèse des biocarburants. Une étude thermodynamique a précisé la nature et la répartition des espèces inorganiques qui sont volatilisées lors de la gazéification ainsi que des espèces qui se condensent lors du refroidissement. Un modèle de condensation des aérosols issus de la gazéification de la biomasse a ensuite été construit à partir d’une description mathématique des différents phénomènes mis en jeu (nucléation, croissance, agglomération et dépôts) Parallèlement un dispositif expérimental a été mis au point, construit et qualifié. Ce dispositif permet d’analyser la condensation d’une vapeur de KCl dans un écoulement pouvant comporter des particules de carbone se refroidissant à une vitesse de 1000 K/s. Les résultats expérimentaux obtenus ont mis en évidence une nucléation du KCl lors d’un refroidissement à 1000 K/s, la condensation de KCl sur les particules de carbone ainsi que le dépôt de KCl et des particules sur les parois. La condensation de KCl provoque une augmentation du diamètre aérodynamique des particules de carbone. La présence de particules dans l’écoulement permet de diminuer les dépôts de KCl aux parois de 25% à 40%. La comparaison de calculs simulant les expériences avec les données expérimentales a permis de quantifier les différents phénomènes et de valider le modèle. Enfin, des solutions ont été proposées pour limiter les dépôts de KCl aux parois des échangeurs dans une installation industrielle de gazéification de la biomasse / The aim of this work is to analyse theoretically and experimentally inorganic species conden- sation in a biomass gasification facility. During biomass gasification, some inorganic species are volatilised and then condense when the syngas cools down. These species can spoil the facility and thus have to be removed before the biodiesel synthesis. First, a thermodynamic study descri- bed the nature and distribution of inorganic species either volatilised during biomass gasification or condensed during cooling. Then an aerosol condensation model for biomass gasification has been developed using a mathematical description of the different phenomena involved (nuclea- tion, growth, agglomeration, deposition). Meanwhile, an experimental device (ANACONDA) has been built and qualified. This device was used to analyse KCl condensation on graphite particles as the gas cooled at 1000 K/s. Experimental results showed nucleation of new KCl particles du- ring the cooling, KCl condensation on graphite particles and deposition of KCl and particles on walls. KCl condensation causes an increase in graphite particle aerodynamic diameter. Graphite particles prevent wall deposit of KCl, which decreased from 40% to 25%. From the comparison of simulation and experimental results, the various phenomena could be quantified and the model validated. Finally, the model was used to propose solutions for limiting inorganic deposit on exchanger walls in a biomass-gasification industrial facility

Important d'étudier le dépôt sec des aérosols en milieu rural. Le manque de données expérimentales en milieu rural sur la vitesse de dépôt sec des particules ayant une taille inférieure à 1 μm conduit à des incertitudes au vu des modèles et de leurs différences, qui vont jusqu'à dépasser un ordre de grandeur. Le but de cette étude est de développer une mesuredirecte de la vitesse de dépôt sec des aérosols (Vd), notamment en utilisant un impacteur à bassepression (Electrical Low Pressure Impactor, ELPI, DEKATI), à travers des mesures expérimentales in situ. L'originalité de la méthode est le calcul des flux de dépôt par corrélation turbulente. Les vitesses de dépôt sec ont été obtenues pour des aérosols atmosphériques de tailles comprises entre 7 nm et 2 μm, sur un terrain plat dans le sud-ouest de la France, sous différentes conditions atmosphériques, ainsi que sur différents couverts (maïs, herbe, sol nu). Vd est analysée en fonction du diamètre des particules et l'impact des conditions micro météorologiques est étudié.

Aerosol electrostatics is an important property of pharmaceutical aerosols. The electrostatic properties of pMDI aerosols have been shown to be a function of both formulation and packaging components. The modified ELPI enables measurement of aerosol charge as a function of particle size, and the simultaneous determination of the mass distribution using chemical analysis. However, in order to fully assess the cause and effects of aerosol electrostatics in terms of its biological and regulatory implications, it is necessary to understand the basic charging mechanisms inside the pMDI formulation. Electrical resistivity and zeta potential measurements confirmed the presence of charged species within HFA based solutions and suspensions although the nature of these species remains unknown. These measurements were influenced by the cosolvent concentration and to a lesser extent by the presence of soluble drug and surfactant. The mean electrical resistivity of a 7% ethanol / 93% HFA 134a blend (0.83 ± 0.02 MΩ.cm) was significantly lower than that reported for HFA 134a (180 MΩ.cm). Albuterol sulfate demonstrated a positive zeta potential (75.9 ± 26.2 mV) in HFA 134a. Pilot molecular modeling studies, in conjunction with the analysis of particle interactions using HINT, provided an improved understanding of the possible interactions within albuterol sulfate HFA suspension pMDIs. The predominantly negative (-7597 ± 2063) HINT score signified unfavorable interactions between albuterol sulfate and HFA 134a molecules. Systematic investigations of the electrical properties of HFA solution and suspension pMDIs using the modified ELPI demonstrated that the electrical properties were a function of the formulation type (solution/suspension), formulation components and particle size. Experimental BDP solution pMDIs produced predominantly electropositive aerosols (net charge: 160 ± 30 pC) while albuterol sulfate pMDIs produced bipolar charged aerosol clouds (net charge: -162 ± 277 pC). Finally, the modified ELPI was recalibrated using commercially available polydisperse pMDIs as calibration aerosols with a reference Andersen cascade impactor. The mean cut-off diameters for stages 4-12 obtained following recalibration of the modified ELPI were 0.44, 0.56, 0.70, 1.01, 1.40, 2.12, 3.03, 4.75, 6.37 μm, respectively in comparison to those reported by the manufacturer (0.16, 0.27, 0.39, 0.62, 0.96, 1.62, 2.42, 4.05, 6.67 μm, respectively).

Les enjeux médicaux et le contexte socio-économique des maladies respiratoires ont une importance majeure à l'échelle mondiale. Parmi les procédures mini-invasives classiques de traitement des maladies respiratoires, l’aérosolthérapie se distingue par sa capacité d’administrer des médicaments pour les pathologies locales, directement dans les voies respiratoires, comme les sinus ou l’arbre trachéaux-bronchique. Dans ce contexte, l’utilisation de nanoparticules à visée pulmonaire est objet de grandes avancées en aérosolthérapie car les aérosols nanométriques ont la capacité de contourner les obstacles dans les voies aériennes supérieures et se déposer dans le poumon profond, renforçant ainsi la performance thérapeutique et diagnostique de ces aérosols. Afin de contribuer à l’évolution des traitements par aérosolthérapie cette thèse s’est orientée vers le développement des nouvelles techniques de génération d’aérosols nanométriques et submicroniques, capables de cibler des régions spécifiques de l'appareil respiratoire d'un patient. La problématique majeure à être confrontée dans ce contexte est donc l’adaptation de la taille des particules de l’aérosol afin de promouvoir un dépôt ciblé chez le patient. Pour cela il est d’abord nécessaire d’avoir une large gamme de tailles d’aérosols, de micronique à nanométrique, puis déterminer la relation entre la taille des particules et leur site de dépôt dans les voies respiratoires. De ce fait, les objectifs principaux de cette thèse sont la caractérisation métrologique et l’évaluation des performances des aérosols nanométriques en termes de cartographie de dépôt. Les résultats obtenus ont démontré qu’il est possible de générer efficacement des aérosols submicroniques et nanométriques soit solides soit liquides. Les aérosols contenant une plus grande quantité de nanoparticules ont montré un dépôt plus important dans les poumons, ce qui contribue au développement des techniques d'administration de médicaments par aérosolthérapies ainsi que pour des études toxicologiques. / Medical and socio-economic issues of respiratory diseases have a major importance in world medicine. Among the conventional minimally invasive procedures in the treatment of respiratory diseases, the aerosoltherapy distinguishes itself by its ability to deliver medication directly into the respiratory tract, such as the sinuses or the tracheal-bronchial tree. In this context, the use of nanoparticles to target the lungs is object of great advances in aerosoltherapy as nanometric aerosols have the ability to overcome obstacles in the upper airways and deposit in the deep lung, increasing the therapeutic and diagnostic performance of these aerosols. In order to contribute with the advance of aerosoltherapy treatments this thesis is directed towards the development of new techniques of generation of nanometric and submicronic aerosols, able to target specific regions of the respiratory system of a patient. The major problem within this context is the adjustment of the aerosol’s particle size in order to promote a targeted deposition in a patient. Therefore, it is firstly necessary to have a wide range of aerosols sizes, from micronic to nanometric, and then it is needed to determine the relationship between particle size and deposition site in the respiratory tract. As a result, the main objectives of this thesis are the metrological characterization of nanometric aerosols and the evaluation of its performance in terms of its deposition in the respiratory tract. The achieved results have demonstrated that is possible to efficiently generate submicronic and nanometric aerosols, either with solid or liquid particles. Aerosols containing a higher amount of nanoparticles showed a larger deposit in the lungs that may contribute to the advancement of aerosoltherapy techniques as well as for toxicological studies.

L'objectif de ce travail est d'analyser théoriquement et expérimentalement la condensation des espèces inorganiques dans une installation de gazéification de la biomasse. Lors de la gazéification de la biomasse, des espèces inorganiques sont volatilisées et se condensent lors du refroidissement du gaz de synthèse. Ces espèces sont problématiques pour le procédé et doivent être éliminées avant la synthèse des biocarburants. Une étude thermodynamique a tout d'abord précisé la nature et la répartition des espèces inorganiques qui sont volatilisées lors de la gazéification ainsi que des espèces qui se condensent lors du refroidissement. Un modèle de condensation des aérosols issus de la gazéification de la biomasse a ensuite été construit à partir de d'une description mathématique des différents phénomènes mis en jeu (nucléation, croissance, agglomération et dépôts). Parallèlement un dispositif expérimental (ANACONDA) a été mis au point, construit et qualifié. Ce dispositif permet d'analyser la condensation d'une vapeur de KCl dans un écoulement pouvant comporter des particules de carbone se refroidissant à une vitesse de 1000 K/s. Les résultats expérimentaux obtenus ont mis en évidence une nucléation du KCl lors d'un refroidissement à 1000 K/s, la condensation de KCl sur les particules de carbone ainsi que le dépôt de KCl et des particules sur les parois. La condensation de KCl provoque une augmentation du diamètre aérodynamique des particules de carbone. La présence de particules dans l'écoulement permet de diminuer les dépôts de KCl aux parois de 25% à 40%. La comparaison de calculs simulant les expériences avec les données expérimentales a permis de quantifier les différents phénomènes et de valider le modèle. Enfin, le modèle a été utilisé afin de proposer des solutions pour limiter les dépôts de KCl aux parois des échangeurs dans une installation industrielle de gazéification de la biomasse.

Pour évaluer l'impact d’un rejet accidentel ou chronique de polluants dans les écosystèmes, il est important d’étudier le dépôt sec des aérosols en milieu rural. Le manque de données expérimentales en milieu rural sur la vitesse de dépôt sec des particules ayant une taille inférieure à 1 μm conduit à des incertitudes au vu des modèles et de leurs différences, qui vont jusqu’à dépasser un ordre de grandeur. Le but de cette étude est de développer une mesure directe de la vitesse de dépôt sec des aérosols (Vd), notamment en utilisant un impacteur à basse pression (Electrical Low Pressure Impactor, ELPI, DEKATI), à travers des mesures expérimentales in situ. L’originalité de la méthode est le calcul des flux de dépôt par corrélation turbulente. Les vitesses de dépôt sec ont été obtenues pour des aérosols atmosphériques de tailles comprises entre 7 nm et 2 μm, sur un terrain plat dans le sud-ouest de la France, sous différentes conditions atmosphériques, ainsi que sur différents couverts (maïs, herbe, sol nu). Vd est analysée en fonction du diamètre des particules et l’impact des conditions micro météorologiques est étudié. / To evaluate the impact of accidental or chronic pollutant releases on ecosystems, we must study the dry deposition of aerosols in rural areas. The lack of experimental data on the dry deposition velocity of particle sizes below 1 μm over rural environments leads to uncertainties regarding models and differences between them, which exceed one order of magnitude. The aim of thisstudy is to develop a method, especially using an Electrical Low Pressure Impactor (Outdoor ELPI, DEKATI) to determine aerosol dry deposition velocities (Vd) over rural areas through experimental measurements. This method is based on eddy covariance flux calculation and spectral analysis correction. Dry deposition velocities were obtained for atmospheric aerosols sizing from 7 nm to2 μm, in the South-West of France on a flat terrain under varied meteorological conditions andvaried substrates (maize, grass and earth). Vd was analysed as a function of the particle diameters, and the impact of micrometeorological parameters was studied.

Le charbon est l’une des ressources fossiles les plus économiques pour la production d’énergie. Cependant, il présente des inconvénients liés à l’impact environnemental lors de sa combustion qui produit CO2, principal gaz à effet de serre, ainsi que d’autres gaz et particules polluants et nocifs pour la santé. Afin de lutter contre ces effets, plusieurs procédés sont envisagés dont l’oxycombustion (possibilité de séquestrer CO2 en sortie du système de combustion) et la co-combustion charbon/biomasse sachant que le bilan carbone est neutre pour la biomasse. Pour caractériser ces procédés, un dispositif expérimental a été développé. Il s’agit d’un four à chute qui permet de reproduire en laboratoire les conditions expérimentales prévalant dans les chaudières industrielles dont une vitesse de chauffe des particules de l’ordre de 104 K s-1. Ce dispositif a permis d’étudier la réaction de dévolatilisation de différents solides pulvérisés (charbons, biomasse) à différentes températures (de 600 à 1400 °C). Pour comparer les procédés de combustion et d’oxycombustion, la dévolatilisation sous N2 (étape préliminaire à la combustion sous air) et sous CO2 (étape préliminaire à l’oxycombustion) a été étudiée pour différents charbons à différentes températures. Les résultats obtenus montrent que l’influence de l’atmosphère gazeuse sur la dévolatilisation du charbon n’est significative que pour des températures supérieures à 1200 °C. L’influence des différentes conditions opératoires sur les émissions de particules (PM2.5) issues de la combustion du charbon et de la biomasse a été évaluée et des corrélations sont mises en évidence entre l’intensité d’émission des particules et la nature du combustible, la température et l’atmosphère gazeuse. Une étude cinétique de la pyrolyse a été effectuée et les paramètres cinétiques correspondants déterminés par modélisation à partir de plusieurs schémas cinétiques réactionnels. / Coal is the most economically attractive fossil fuel and the main resource used for electricity production. However, the main issue with coal combustion is the greenhouse gas as well as other gases and particulates matter leading to environmental and human concerns. In order to reduce the environmental impact of coal utilization, researches are conducted to improve the combustion process and to use other carbon-based fuels. The first approach includes the oxy-fuel combustion that can be coupled with Carbon Capture and Storage process (CCS). The second approach promotes the partial substitution of coal by carbon-neutral fuels, such as biomasses, which are promising fuels.For the evaluation of the application of these technologies, an experimental device was developed. This device is a drop tube furnace (DTF) in which high particle heating rate (approximately 104–105 K s−1) has to be achieved in order to characterize solid fuels under conditions similar to those taking place in power plant furnaces. DTF allowed to investigate pyrolysis reaction involving coal and/or biomass particles at different temperatures (600-1400 °C). The comparison between the oxy-combustion and the conventional air combustion process starts with the investigation of the pyrolysis step. The impact of N2 (for conventional air combustion) and CO2 (for oxy-fuel combustion) atmospheres during pyrolysis of different coals at different temperatures was investigated. Results showed that the coal devolatilization is influenced by the gas under which the fuel devolatilization is carried out (N2 or CO2) only at high temperatures (>1200 °C). The influence of different operating conditions on PM2.5 emission were experimented for coals or biomass, including combustion atmosphere (air or oxy-fuel conditions), particle residence time and temperature. A kinetic study of the pyrolysis was carried out and the corresponding kinetic parameters were determined by modeling from several kinetic reaction schemes.

Les enjeux médicaux et le contexte socio-économique des maladies respiratoires ont une importance majeure à l'échelle mondiale. Parmi les procédures mini-invasives classiques de traitement des maladies respiratoires, l'aérosolthérapie se distingue par sa capacité d'administrer des médicaments pour les pathologies locales, directement dans les voies respiratoires, comme les sinus ou l'arbre trachéaux-bronchique. Dans ce contexte, l'utilisation de nanoparticules à visée pulmonaire est objet de grandes avancées en aérosolthérapie car les aérosols nanométriques ont la capacité de contourner les obstacles dans les voies aériennes supérieures et se déposer dans le poumon profond, renforçant ainsi la performance thérapeutique et diagnostique de ces aérosols. Afin de contribuer à l'évolution des traitements par aérosolthérapie cette thèse s'est orientée vers le développement des nouvelles techniques de génération d'aérosols nanométriques et submicroniques, capables de cibler des régions spécifiques de l'appareil respiratoire d'un patient. La problématique majeure à être confrontée dans ce contexte est donc l'adaptation de la taille des particules de l'aérosol afin de promouvoir un dépôt ciblé chez le patient. Pour cela il est d'abord nécessaire d'avoir une large gamme de tailles d'aérosols, de micronique à nanométrique, puis déterminer la relation entre la taille des particules et leur site de dépôt dans les voies respiratoires. De ce fait, les objectifs principaux de cette thèse sont la caractérisation métrologique et l'évaluation des performances des aérosols nanométriques en termes de cartographie de dépôt. Les résultats obtenus ont démontré qu'il est possible de générer efficacement des aérosols submicroniques et nanométriques soit solides soit liquides. Les aérosols contenant une plus grande quantité de nanoparticules ont montré un dépôt plus important dans les poumons, ce qui contribue au développement des techniques d'administration de médicaments par aérosolthérapies ainsi que pour des études toxicologiques.