Interactions of ozone and acetic acid with natural Gobi dust

Interactions de l'ozone et de l'acide acétique avec la poussière naturelle de Gobi

Xianjie Wang (1)

1 LPP - Laboratoire de Physique des Plasmas

This PhD thesis investigates the interactions of ozone and acetic acid with a natural mineral dust from Gobi Desert in China, under room temperature, atmospheric pressure, dry and wet conditions, using post-situ and in-situ characterization techniques to address gas phase and adsorbed phase species. First, ozone uptake at the surface of Gobi dust is investigated over a large ozone concentration range (20 ppb – 10 ppm) to provide new insights on the heterogeneous processes of ozone with potential interest for both atmospheric chemistry and industrial frameworks. Gobi dust exhibits catalytic properties regarding ozone decomposition with a steady-state uptake coefficient ranging from 2.6  10-9 to 6.2  10-8 depending on ozone concentration. Water molecules compete with ozone for the same surface sites while thermal treatment at 150˚C can significantly regenerate the surface sites after surface exposure to ozone. Second, the physisorptive and chemisorptive interaction modes of acetic acid on Gobi dust have been studied evidencing the formation of molecularly adsorbed acetic acid in monomer and dimer forms as well as bidentate chelating acetate. The amount and the partition of reversibly and irreversibly adsorbed fractions of acetic acid taken up on Gobi dust exhibit contrasted behaviors under dry and 20% RH conditions. Finally, the oxidation of adsorbed acetic acid by ozone at the surface of Gobi dust is investigated to typify the ability of that geo-material to act as a catalyst of interest.

Cette thèse de doctorat porte sur l’étude des interactions de l'ozone et de l'acide acétique avec des poussières minérales naturelles du désert de Gobi en Chine, à température ambiante, pression atmosphérique ainsi que dans des conditions sèches et humides. Les espèces en phase gazeuse et en phase adsorbée sont caractérisées par des techniques post-situ et in-situ. La capture de l’ozone par les poussières de Gobi est étudiée sur une large gamme de concentrations (20 ppb – 10 ppm) afin de clarifier les processus hétérogènes impliquant l'ozone et évaluer leurs implications en chimie atmosphérique et dans les procédés. Les poussières de Gobi présentent des propriétés catalytiques de décomposition de l'ozone avec un coefficient de capture stationnaire variant entre 2.6  10-9 et 6.2  10-8 selon la concentration d’ozone. Les molécules d'eau rivalisent avec l'ozone pour l’accès aux sites de surface, tandis que le traitement thermique à 150 °C peut régénérer de manière significative certains sites de surface après une exposition à l'ozone. Les modes d'interaction physisorptifs et chimisorptifs de l'acide acétique sur les poussières de Gobi sont ensuite étudiés: l’acide acétique s’adsorbe sous forme de monomère et dimère, ainsi que d'acétate bidentate. La quantité ainsi que la répartition des fractions réversibles et irréversibles d'acide acétique absorbées présentent des comportements différents entre conditions sèches et humides. Enfin, l'ozonation de l'acide acétique adsorbé sur les poussières de Gobi est étudiée pour évaluer l'aptitude de ce géo-matériau à être utilisé comme catalyseur d'intérêt.

Mots clés: Mineral dust; Geomaterial; Ozone; Acetic acid; Adsorption; Uptake coefficient

Mots clés: Poussières minérales; Géomatériaux; Ozone; Acide acétique; Adsorption; Coefficient de capture

Domaines: Chimie-Physique [physics.chem-ph]; Physique Atmosphérique et Océanique [physics.ao-ph]

Xianjie Wang. Interactions of ozone and acetic acid with natural Gobi dust. Chemical Physics [physics.chem-ph]. Sorbonne Université, 2019. English. ⟨NNT : 2019SORUS412⟩. ⟨tel-03004801⟩