Physico-chemical characterization of non-exhaust particles emitted by road traffic
Caractérisation physico-chimique des particules émises hors échappement par le trafic routier
Résumé
Non-exhaust particles (NEP) from brake wear and tire-road contact contribute significantly to air quality degradation and present a serious risk to human health. These emissions come from multiple sources and are currently poorly described. In addition, the methods used to capture them are often inadequate. To try to refine this issue, this PhD work has focused on characterizing the physico-chemistry of NEP ans their emission dynamics. Complementary experiments were conducted using large scientific equipments and in different environments. Those carried out in the laboratory, on a chassis dynamometer, focused on brake wear particles (BWP). On-board measurements, carried out with an instrumented vehicle on a test track and on the road, made it possible to study the particles emitted by tire-road contact (TRCP). Finally, measurement campaigns were carried out at the roadside to evaluate the contribution of NEP in the atmosphere close to the roads.One of the main results highlights that NEP belong not only to the coarse mode, preponderant in mass, but also to the fine and ultrafine modes, preponderant in number. Nanoparticle emissions from brake wear depend on the temperature of the brake system and therefore on the braking force and frequency. Particle emissions from tire-road contact increase with speed and it sudden changes. Like the sources, the chemical composition of NEPs is very diverse. It is strongly linked to the composition of the brake pads and discs, the tires, the road surfaces and the set of contaminants previously deposited on the pavement and resuspended. Nevertheless, these NEP are often formed by carbonaceous compounds with a high content of metals and other minerals (e.g. Fe, Cu, Al, Si, S, Ca...etc.). In fact, there is a link between NEP emissions from brakes and tire-road contact: the former modifying the dynamics of the latter via the constitution of a third abrasive body deposited on the pavement. This has been explored and discussed in relation to the influence of resuspension; as a major source of NEP, notably towards the roadsides. An interest of this work is, among others, to estimate the exposure to fine and ultrafine NEP near major roads. It also makes it possible to assess the influence of the main parameters controlling NEP emissions and, beyond that, to issue recommendations aimed at reducing these emissions and improving sustainable mobility
Les particules émises hors échappement (PHE), provenant de l’usure des freins et du contact pneu-chaussée, contribuent significativement à la dégradation de la qualité de l’air et présentent un risque majeur pour la santé humaine. Ces émissions proviennent de sources multiples et sont actuellement mal décrites. De plus, les méthodes utilisées pour les appréhender sont souvent inadaptées. Pour tenter d’affiner cette problématique, ce travail de thèse s’est attaché à caractériser la physico-chimie des PHE ainsi que leurs dynamiques d’émission. Des expérimentations complémentaires ont été menées au moyen de grands équipements scientifiques et dans différents environnements. Celles réalisées au laboratoire, sur un banc à rouleau, se sont focalisées sur les particules d’usure des freins. Des mesures embarquées, effectuées avec un véhicule instrumenté sur une piste d’essais et sur route, ont permis d’étudier les particules émises par le contact pneu-chaussée. Finalement, des campagnes de mesures ont été effectuées en bord de route afin d’évaluer la contribution des PHE dans l’atmosphère proche des axes routiers.Un des principaux résultats met en lumière que les PHE appartiennent non seulement au mode grossier, prépondérant en masse, mais également aux modes fin et ultrafin prépondérants en nombre. Les émissions des nanoparticules émises par l’usure des freins dépendent de la température de l’interface plaquettes-disque et par conséquent de la force et de la fréquence de freinage. Les émissions des particules du contact pneu-chaussée augmentent avec la vitesse et les variations brutales de celle-ci. À l’image des sources, la composition chimique des PHE est très diverse. Elle est fortement liée à la composition des plaquettes et du disque des freins, des pneus, de la chaussée et de l’ensemble de contaminants déposés sur la route et remis en suspension. Ces PHE sont néanmoins souvent formées par des composés carbonés, avec une teneur importante en métaux et autres minéraux (ex. Fe, Cu, Al, Si, S, Ca…etc.). En fait, il existerait un lien entre émissions de PHE des freins et du contact pneu-chaussée : les premières modifient la dynamique d’émission de secondes via la constitution d’un troisième corps abrasif déposé sur la chaussée. Ceci a été exploré et discuté en relation avec l’influence de la remise en suspension ; étant une source majeure de PHE. Un intérêt de ce travail est, entre autre, d’estimer l'exposition aux PHE fines et ultrafines à proximité des grands axes routiers. Il permet aussi d’évaluer l’influence des principaux paramètres contrôlant les émissions des PHE et, au-delà, d’émettre des recommandations visant à réduire ces émissions et à améliorer la mobilité durable
Domaines
Génie des procédés
Origine : Version validée par le jury (STAR)