Development of electronic sensors based on conductive nanocomposite materials for the measurement of ammonium nitrate particles
Développement de capteurs électroniques à base de matériaux nanocomposites conducteurs pour la mesure du nitrate d'ammonium particulaire
Résumé
Atmospheric pollution due to fine particles (PM2.5) is a major global health and environmental issue. Fine particles (PM2.5) exhibit high variability of their chemical composition which is dominated by ammonium salt (up to 40%), among them, ammonium nitrate. The latter is essentially formed by the combination, at room temperature (<20°C), of gaseous nitric acid with ammonia gas, which is mainly emitted by agricultural activities (over 80% of emissions in Europe). The determination of ammonium nitrate particles by the classical methods of atmospheric particles measurement is a high cost and heavy task. Moreover, atmospheric particles sensors that are currently available do not give any information on the chemical nature of the particles. Thus, the objective of this thesis is to develop new low-cost sensors able to measure specifically the concentration of ammonium nitrate particles. The measurement method is based on the thermal decomposition of ammonium nitrate particles into ammonia and nitric acid gas. The concentration of ammonia is measured using a sensitive layer based on conductive nanocomposite materials combining doped polyaniline and polyurethane matrix. Therefore, the concentration of the released ammonia is correlated to the mass concentration of ammonium nitrate particles. The sensors that are developed in this project showed a response to ammonia gas at concentrations as low as 20 ppb with a sensitivity of 0.35%.ppb-1, which corresponds to ammonia concentrations that are expected in ambient air and would allow the measurement of ammonium nitrate particles. The sensors also showed good repeatibility and reproductibility of their response to ammonia. The impact of temperature (23-50°C) and relative humidity (30%-90%) is also studied to assess the ability of the sensors to measure ammonia produced after the thermal decomposition of ammonium nitrate particles at temperatures and humidity that are favourable to their decomposition. Some sensitive materials showed a good response to ammonia gas even under these specific conditions. On the other hand, the sensors showed a response to gaseous nitric acid at 50°C (-4.85% at 195 ppb). Despite this interference, the sensors were able to measure ammonium nitrate particles at 50°C at concentrations in the order of 265 µg.m-3 with a sensitivitiy of 1.82.10-3%.µg-1.m3. These promising results demonstrate the ability of the sensors to measure ammonium nitrate particles through the proposed method. However, the interference of gaseous nitric acid could reduce the sensitivity of the sensors to these particles.
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)