Les composés organiques carbonylés et les BTEX (Benzène, Toluène, Éthylbenzène et Xylènes) représentent une classe importante de composés organiques volatils dans l’atmosphère. Ils sont émis par des sources anthropogénique et biogéniques. Leur dégradation atmosphérique conduit à la formation d’ozone, de phooxidants et d’aérosols organiques affectant ainsi la qualité de l’air aux échelles locales et régionales ainsi que la santé humaine. Il est donc important de mesurer leurs concentrations et évaluer leur devenir atmosphérique. Dans la présente thèse, nous avons conduit une étude systématique qui a permis de mesurer les concentrations de ces composés et identifier leurs sources à Pékin (Juillet 2008-Août 2010) et évaluer l’importance des caractéristiques météo. Nous avons aussi mené des études sur la dégradation atmosphérique de trois formates (isoproyle, isobutyle et n-propyle) en utilisant la chambre de simulation atmosphérique d’ICARE (CNRS, Orléans). / Carbonyls and BTEX (Benzene, Toluene, Ethylbenzene, and Xylenes) represent an important class of VOCs (volatile organic compounds) in the atmosphere. They are emitted into the atmosphere through anthropogenic and biogenic sources. Their atmospheric degradation leads to the formation of ozone, photooxidants and organic aerosols affecting the air quality at the local and regional scales and human health. It is, hence, of importance to measure their atmospheric concentrations and investigate their fate. In the present thesis, we have conducted a systematic measurement study of carbonyls and BTEX in Beijing during the period of Jul 2008-Aug 2010 in order to evaluate their ambient levels, possible sources and the influence of characteristic weather conditions. In a separate work, we performed a series of experimental studies on the OH-initiated oxidation of isopropyl formate, isobutyl formate, and n-propyl isobutyrate using the ICARE-CNRS (Orleans) simulation chamber from which we derived the product yields. The data obtained are presented and discussed.

Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse évolue selon trois axes de recherche. La première partie présente des travaux de spectroscopie TéraHertz (THz) de COV réalisés à l'aide du spectromètre THz par technique de photomélange, ce dernier rendant accessible la région spectrale 0,3-3 THz à haute résolution. Ces travaux concernent l'amélioration de paramètres moléculaires du formaldéhyde (H₂CO) obtenue grâce à la mise en oeuvre d'un système de métrologie performant reposant sur l'utilisation d'un peigne de fréquence. La très haute résolution de ce spectromètre a également permis un travail de collaboration efficace avec différents laboratoires concernant la détermination de coefficients d'élargissement du chlorure de méthyle (CH₃Cl). La deuxième partie montre la possibilité de détection de radicaux légers par technique de photomélange au travers d'études concernant les radicuax hybroxyle (OH) et mercaptan (SH). La très haute résolution de notre spectromètre donne accès à leur structure hyperfine avec des précision encore inégalées dans la région 1-3 THz. Cette partie illustre également l'intérêt de notre collaboration avec la ligne AILES du synchrotron SOLEIL et démontre la grande complémentarité entre le spectromètre photo-mélange et l'interféromètre couplée au rayonnement synchrotron. La dernière partie présente l'initiation au sein du groupe THz d'une étude cinétique effectuée grâce à une chaîne par multiplication de fréquence. Cette étude concerne concerne la photolyse de H₂CO. S'ajoute à ceci une étude visant à caractériser le rayonnement THz en présence d'aérosols de chlorure de sodium hydratés. / This thesis covers three research areas. The first is the THz spectroscopy of VOCs using a THz spectrometer based on photomixing, the latter making it possible access the 0.3-3 THz spectral region with high resolution. This work concerns the improvement of molecular parameters of formaldehyde (H₂CO) obtained through the implementation of metrology system using a frequency comb. The high resolution of spectrometer has also demonstrated its utility effectively together with various laboratories for the determination of broadening-coefficicents of the methyl chloride (CH₃Cl). The second topic shows the detection of small radicals by photomixing through studies of hydroxyl (OH) and mercaptan (SH) radicals. The high resolution of our spectrometer provides access to their hyperfine structure with details unmatched in the 1-3 THz region. This section also illustrates the importance of our partnership with the AILES beamline of the SOLEIL synchrotron and demonstrates the complementary between the photomixing-spectrometer and the interferometer coupled to synchrotron radiation. The last section presents the initiation of a kinetic study in the THz group performed with a frequency multiplication chain. This study concerns the photolysis of the H₂CO. Accompanied by a study to characterize the THz radiation in the presence of sodium chloride aerosols hydrated.

Les composes carbonyles et BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylène) sont deux groupes importants de composés organiques volatils (COV) présents dans l'atmosphère. Ils ont une contribution significative à la formation d'oxydants tels que l'ozone, PAN et d'autres photo-oxydants dans la troposphère. En outre, ils ont des effets néfastes sur la santé humaine. Dans ce travail, les concentrations atmosphériques de carbonyles et d’hydrocarbures aromatiques ont été mesurées et quantifiées en utilisant des techniques HPLC et GC-MS sur un site de mesure semi-urbain à Orléans (ICARE, France), de juin 2010 à août 2011. D’autres mesures ont été conduites à Pékin (CAS-RCEES, Chine) du 6 au 28 Juin 2013 en utilisant les mêmes techniques expérimentales. Les résultats obtenus dans ces deux sites sont présentés, comparés et discutés. / Carbonyls and BTEX (benzene, toluene, ethyl-benzene and xylene) are two important groups of Volatile Organic Compounds (VOCs) present in the atmosphere. They have a significant contribution to the formation of oxidants such as ozone, PAN and other photooxidants in the troposphere. In addition, they have adverse effects on human health. In this work, atmospheric concentrations of carbonyls and aromatic hydrocarbons were measured and quantified using GC-MS and HPLC techniques at a semi-urban site in Orleans (ICARE, France), from June 2010 to August 2011. Urban ambient air sampling was also performed in 6-28th June 2013 in Beijing (RCEES-CAS, China). It has been conducted in order to compare the measured concentrations of the investigated species in two different sites using the same analytical techniques. All results are presented and discussed.

Cette étude porte sur la caractérisation et la quantification des composés organiques volatils (COV) issus du séchage par déshumidification du chêne rouge et du séchage conventionnel à moyenne température du pin gris. Les méthodes retenues pour l’étude sont NCASI IM/CAN/WP-99.02, NCASI MD-99 et US-EPA 25A. Nous avons également employé une nouvelle technique de caractérisation des molécules volatiles: la Headspace-SPME, permettant la simulation du séchage du bois de pin et de chêne au laboratoire. Le pin gris a présenté des taux d’émission de COV très élevés: 2,24 gCOV/kgbois sec. Les principaux monoterpènes identifiés parmi les volatils issus du séchage du pin gris sont: alpha-pinène, beta-pinène et 3-carène. Les principaux composés polaires captés pour le pin gris sont: méthanol, acétaldéhyde et méthyle acétate, et pour le chêne rouge: acide acétique (ultra-majoritaire), méthanol et éthanol. La Headspace-SPME a permis l’identification de plusieurs polyphénols volatils provenant du chêne rouge (eugénol, etc.) et de sesquiterpènes bioactifs comme l’alpha-humulène, le caryophyllène dans le cas du pin gris. / This study focuses on the characterization and quantification of the volatile organic compounds (VOC) emitted during the dehumidification drying of red oak and the conventional drying of Jack pine at medium temperature. The methods used in this study were NCASI IM/CAN/WP-99.02, NCASI MD-99 and US-EPA 25A. We also employed a new technique for characterizing the volatile molecules: Headspace-SPME, which enables the laboratory simulation of pine and oak drying. Jack pine showed very high VOC emission rates: 2,24 gVOC/kgODW. The main monoterpenes identified among the volatiles released during the drying of jack pine were: alpha-pinene, beta-pinene and 3-carene. The main polar compounds collected from jack pine were methanol, acetaldehyde and methyl acetate, and the main polar compounds collected from red oak were acetic acid (vastly predominant), methanol and ethanol. Headspace-SPME enabled the identification of several volatile polyphenols (eugenol, etc.) released by red oak, as well as the identification of bioactive sesquiterpenes (such as alpha-humulene and caryophyllene) released by Jack pine.

La tomate (Solanum lycopersicum) est largement appréciée par les consommateurs. La flaveur distinctive des tomates provient des interactions entre les acides, les sucres et un mélange complexe de composés volatils. Ces substances volatiles sont principalement dérivées de nutriments tels que les caroténoïdes, les acides gras et les acides aminés. Bien que la tomate soit considérée comme un modèle pour le développement des fruits, la plupart des voies métaboliques menant à la synthèse de volatils ne sont pas encore bien comprises. Afin de mieux interpréter les sentiers métaboliques, nous avons quantifié une centaine de composés volatils dans 254 accessions de tomates ancestrales, modernes et sauvages. Nous avons sélectionné 64 de ces cultivars en fonction de leur profil aromatique et réalisé une étude transcriptomique. Nous avons utilisé un modèle de régression linéaire et une étude d'association pangénomique pour évaluer la relation entre les composés volatils et l'expression génique afin de mieux comprendre la régulation génétique des diverses voies métaboliques. L'analyse de la population a démontré que le profil en composés volatils varie considérablement entre les divers cultivars de tomates. Les composés volatils à l'intérieur d'un même sentier métabolique sont par contre fortement corrélés entre eux. La force de ces corrélations diffère considérablement, indiquant la présence d'étapes limitantes. De fortes corrélations entre des composés volatils non apparentés indiquent également des liens possibles entre différentes voies de biosynthèse. L'émission différentielle de plusieurs volatils dans la population de cultivars de tomates corrèle fortement avec l'expression des gènes caractérisés et d'autres gènes candidats. L'étude d'association pangénomique a permis de cibler de courtes régions chromosomiques associées à l'émission de certains groupes de composés volatils dans le fruit. Nos résultats démontrent le potentiel de ces différentes approches pour mieux comprendre les voies métaboliques de biosynthèse des composés volatils et découvrir de nouveaux gènes candidats. / Tomato (Solanum lycopersicum) is widely appreciated by consumers. The distinctive flavor of tomatoes comes from the interactions between acids, sugars and a complex mixture of volatile compounds. These volatiles are mainly derived from nutrients such as carotenoids, fatty acids and amino acids. Although tomato is considered a model for fruit development, most of the metabolic pathways leading to volatiles synthesis are not yet fully understood. In order to better understand these metabolic pathways, we quantified about 100 volatile compounds in 254 accessions of heirloom, modern and wild tomatoes. We selected 64 tomatoes cultivars based on their aroma profile and performed a transcriptomic analysis. We used a linear regression model and a genome-wide association study to evaluate the relationship between volatile compounds and gene expression, in an effort to better understand the genetic regulation of the various metabolic pathways. The volatiles profile varied considerably among tomatoes cultivars. Volatile compounds within the same metabolic pathway were strongly correlated with each other. On the other hand, the strength of these correlations differed considerably, indicating the presence of limiting steps. Strong correlations between unrelated volatile compounds also indicate possible links between different biosynthetic pathways. The differential emission of several volatiles in the tomato cultivar population strongly correlates with the expression of characterized genes and other candidate genes. A genome-wide association study was used to target short chromosomal regions associated with the emission of certain groups of volatiles in the fruits. Our results demonstrate the potential of these different approaches to better understand the metabolic pathways leading to the biosynthesis of volatile compounds and to uncover new candidate genes.

La composition de l'air intérieur est complexe et fortement influencée par les activités humaines. Celles-ci engendrent notamment l'émission de composés organiques et de particules. Les inquiétudes grandissantes quant à la qualité de l'air intérieur et à son impact sanitaire ont contraint les pouvoirs publics à prendre des mesures pour mieux assurer son suivi. Parmi les activités humaines fréquemment soupçonnées de contribuer à la contamination de l'air intérieur, on retrouve l'utilisation de parfums d'ambiance de types encens et bougies. De récentes études ont montré que cette pratique pouvait entraîner l'émission de composés organiques volatils (COV) et de particules. Une des carences liées à ces études résulte dans le fait qu'il n'existe pas de protocole de prélèvement et de mesures normalisés pour ce type de pratique, rendant l'exploitation et l'inter comparaison des résultats sujette à beaucoup de controverses. Les industriels français ont dès lors souhaité réagir, par la mise en place d'une méthodologie commune de mesure des émissions induites par la combustion des parfums d'ambiance. Le but de ce travail est de développer et de valider un dispositif expérimental permettant de mieux contrôler la combustion et les paramètres environnementaux qui l'influencent, afin de disposer d'un protocole expérimental calibré et reproductible. Ainsi, après avoir étudié les types de polluants et les possibilités de prélèvements et d'analyses associées, l'étude a été conduite en trois étapes. La première a été réalisée dans une pièce laboratoire simulant en taille réelle la pièce d'un logement. Elle a permis de déterminer le type de composés émis (COV et particules) par la combustion de parfums d'ambiance et les niveaux de concentrations associés. La seconde étape consistait en la réalisation d'un plan d'expériences complet dans une enceinte d'essais d'émissions pour déterminer l'influence de la température, de l'humidité relative et du taux de renouvellement d'air sur les niveaux émissions. Enfin, dans le cadre de la dernière étape, la méthode et les connaissances acquises précédemment ont été transférées à une enceinte d'essai climatique de faible volume, afin de permettre la réalisation d'analyse en routine. / The indoor air composition is complex and widely influenced by human activities. These practices generate organic compound and particles. Growing concerns about indoor air quality and its impact on health have forced the government to make more studies. Among the human practices, recent studies shown that incense and candle combustion could result in the emission of volatile organic compounds (VOC) and particles. However, there is no standard sample protocol for measuring these emissions. The results comparison is then largely controversy. French manufacturers want to develop a methodology for emissions controlling due to the combustion of incense and candle processes. Through this experimental system, they want to learn much more about these processes and emissions control to anticipate the new law. Thus, after studying about the types of pollutants and sampling/analysis protocol associated, three types of studies were conducted. The first study was carried in a room of a house, to determine which kind of compounds were emitted (VOCs and particulate matter) and their concentration levels. The second study was to apply a full factorial design in a chamber emission test, to determine temperature, relative humidity and air exchange rates emissions influences. Finally, in a last study, the method and the knowledge acquired previously were transferred to a climate test chamber of small volume, allowing manufacturers to make routine analysis.

Lors de cette étude, différentes recherches ont été effectuées sur l'utilisation de divers matériaux naturels comme source de matière premières pour la fabrication de colles vertes pour l'industrie de panneau. Dans ce contexte, le travail a consisté à : (i) Evaluer le potentiel de différents tannins en provenance de déchets d'écorces et développer des colles à base de tanins avec différents durcisseurs.(ii) Evaluer le potentiel de lignines de différentes origines et développer des colles à base de tannin de mimosa et de lignine. (iii) Développer des colles à base de tannin et de protéine de gluten.(iv) Evaluer les émissions de formaldéhyde et d'autres composés organiques volatiles (COV) à partir de panneaux de particules fabriqués avec les colles naturelles mises au point précédemment.Les techniques d'analyses thermomécaniques, de spectroscopie CP-MAS 13C NMR, de matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-TOF) et de temps de gel ont été utilisées comme méthodes de travail pour l'évaluation et la caractérisation de ces colles. Les essais de cohésion interne pour l'évaluation de la résistance mécanique de la colle selon la norme EN -312 ont également été effectués.En ce qui concerne les émissions de formaldéhyde et des autres COV à partir de panneaux contentant des colles vertes, le recours à des techniques normalisées par chromatographie en phase gazeuse associée à un spectromètre de masse (GC-MS) et par chromatographie en phase liquide (HPLC) ont été privilégiées. / This study deals with some researches carried out about the use of various natural materials as a source of raw material for the manufacturing of green adhesives for the industry of panel. In this context, work consisted in:(i) Evaluation of the potential of various tannins coming from barks wastes and development of adhesives containing tannins and various hardeners.(ii) Evaluation of the lignin potential from various origins and development of adhesives containing tannin from mimosa and lignin.(iii) Development of adhesives containing tannin and gluten protein.(iv) Evaluation of formaldehyde and other volatile organic compounds (VOC) from particleboards manufactures with the natural adhesives previously developed.Thermomechanical analyses, spectroscopy CP-MAS 13C NRM, matrix- assisted laser desorption/ionization mass spectroscometry (MALDI-TOF) and gelling time techniques were performed for evaluation and characterization of these adhesives. Internal bond test for the evaluation of adhesives mechanical resistance according to the standard EN-312 were also carried out.Concerning formaldehyde and other VOC emissions from panels with green adhesives, the recourse to standardized techniques which are gas chromatography associated with a mass spectrometer (GC-MS) and high performance liquid chromatography (HPLC) were privileged.

La photocatalyse hétérogène est une technique d’oxydation utilisée pour l’élimination des Composés Organiques Volatils (COV). L’objectif est d’étudier la dégradation des COV initiaux et la production d’intermédiaires réactionnels lors de la mise en oeuvre de ce procédé dans des conditions proches de l’air intérieur (concentration des COV en mélange). TroisCOV modèles (toluène, décane, trichloréthylène) sont étudiés séparément puis en mélange dans un réacteurstatique puis dans un réacteur dynamique multi-pass. Les résultats obtenus montrent que (i) l’efficacité dedégradation dépend de la nature et du nombre de COV à traiter, des caractéristiques du média photocatalytiqueet des conditions opératoires, (ii) les intermédiaires majoritaires et les plus persistants sont les aldéhydeslégers, (iii) l’élimination des aldéhydes est inhibée lorsque les COV initiaux sont en mélange, (iv) l’augmentation du temps de résidence sur le matériau photocatalytique permet une élimination plus rapide des COV initiaux et des sous-produits. / Heterogeneous photocatalysis is a technique of oxidation used for the removal of Volatile Organic Compounds (VOCs). Aim is to study the degradation of initial VOCs and the production of reaction intermediates during this process in conditions close to the indoor air (VOC concentration in mixture). Three model VOCs (toluene, decane, trichloroethylene) are studied separately and then in mixture in a static reactor and in a dynamic multi-pass reactor. The obtained results show that (i) the degradation efficiency depends on the nature and the number of VOCs, on the photocatalyst characteristics and on process conditions, (ii) the major and the most persistent intermediates are light aldehydes, (iii) the elimination of aldehydes is inhibited when the initial VOCs are in mixture, (iv) increasing the residence time on the photocatalyst provides a higher removal rate of initial VOCs and of byproducts.

Le radical nitrate NO₃ est un intermédiaire clé dans la chimie atmosphérique nocturne. Il peut réagir avec un certain nombre de composés organiques volatils (COV) initiant leur dégradation pendant la nuit. Dans cette thèse, la cinétique de NO₃ avec plusieurs de ces composés a été étudiée à température ambiante (298 ± 2K) et à pression atmosphérique (1000 ± 5 hpa) dans une chambre de simulation atmosphérique en Téflon(ICARE-7300L) couplée à des outils analytiques tels que : FTIR, PTR-ToF-MS and CRDS etc. Nous avons déterminé les constantes de vitesse pour les réactions du radical NO3 avec sept esters de méthacrylate à température ambiante: méthacrylate de méthyle, méthacrylate d'éthyle, méthacrylate de propyle,méthacrylate d'isopropyle, méthacrylate de butyle, méthacrylate d'isobutyle, méthacrylate de méthyle deutéré. Les résultats obtenus, suggèrent que la réaction de NO₃ avec les esters de méthacrylate procède par addition sur la double liaison du groupe méthacrylate. Ensuite, une méthode absolue a été utilisée pour déterminer les constantes de vitesse de réaction de NO₃ avec une série d'alcanes et de gaz inorganiques importants dans les processus atmosphériques : le méthane, l'éthane, le pentane, le n-butane, l’isobutane, le2, 3-diméthylbutane, le cyclopentane, le cyclohexane, l'oxyde nitreux, le monoxyde de carbone et le dioxyde de soufre. Avec l’ensemble des données cinétiques obtenues, les durées de vie atmosphériques de ces composés vis à vis des radicaux NO₃ ont été calculées et comparées à celles déterminées pour d’autres oxydants de l’atmosphère. Ces résultats améliorent également les connaissances de base sur les réactions impliquant le radical NO₃. / NO₃ is a key intermediate in the chemistry of the night-time atmosphere. NO₃ radical can react with anumber of VOCs initiating their night-time degradation. In this thesis, the kinetics of NO₃ with different kinds of compounds was studied at room temperature (298 ± 2 K) and atmospheric pressure (1000 ± 5 hpa) in a Teflon simulation atmospheric chamber (ICARE-7300L) coupled to analytical tools including Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Proton Transfer Reaction-Time of Flight-Mass Spectrometer and CavityRing Down Spectrometer etc. The rate coefficients for the reactions of NO₃ radical with seven methacrylate esters are firstly reported: methyl methacrylate; ethyl methacrylate; propyl methacrylate; isopropylmethacrylate, butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, and deuterated methyl methacrylate. The trends in the measured rate coefficient with the length and nature of the alkyl group strongly suggest that the reaction proceeds via addition to the double bond on the methacrylate group. Then, an absolute method was used to determine the upper limits or rate coefficients for the reactions of NO₃ radicals with a series of alkanes and some important inorganic gases: methane, ethane, pentane, n-butane, iso-butane, 2,3-dimethybutane,cyclopentane, cyclohexane, nitrous oxide, carbon monoxide and and sulfur dioxide. With the obtained kinetics data, the atmospheric lifetimes of these compounds toward NO₃ radicals were calculated and compared with those due to loss via reactions with the other major atmospheric oxidants. The kinetics results also enhance the available database on NO₃ reactions.