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Développement instrumental et démonstration expérimentale du concept de couplage de la perméation membranaire à la spectrométrie de masse isotopique pour l'analyse du carbone.

Tremblay, Patrice (2007). Développement instrumental et démonstration expérimentale du concept de couplage de la perméation membranaire à la spectrométrie de masse isotopique pour l'analyse du carbone. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 180 p.

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Résumé

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Les isotopes stables du carbone sont employés dans une myriade d'applications allant de la détection de l'adultération de produits alimentaires à la lutte contre le dopage sportif, en passant par le suivi et l'impact des polluants atmosphériques et aquatiques. En réponse à cette panoplie d'applications, l'instrumentation scientifique s'est raffinée à un point tel qu'actuellement, il est possible d'effectuer l'analyse des rapports isotopiques des isotopes stables du carbone des constituants d'un mélange de manière continue, à l'aide d'un chromatographe en phase gazeuse (CG) couplé à un spectromètre de masse de rapports isotopiques (SMRI) par l'entremise d'une chambre de combustion (C). Cette instrumentation scientifique, nommée CG-C-SMRI, permet alors l'analyse d'une variété de composés organiques tout en offrant une rapidité d'analyse jusqu'à présent inégalée. Toutefois, l'analyse de composés à l'état de trace, tel que souvent rencontré dans des problématiques environnementales, nécessitent le développement de systèmes novateurs permettant à la fois l'introduction d'échantillons gazeux et liquide et ce, tout en conservant autant que faire se peut l'intégrité isotopique de l'échantillon. Afin d'offrir à la communauté scientifique des outils d'introduction à la fois versatils et performants, il est proposé d'ajouter au système d'analyse isotopique en mode continu la technologie de la perméation membranaire. Dans un premier temps, un montage alliant la spectrométrie de masse utilisant un filtre de masse quadripolaire et la perméation membranaire permet d'étudier la performance de quatre membranes polymériques pour la perméation du dioxide de carbone (C02), de l'hélium (He), du méthane (CH4), de l'azote (N2) et du formaldéhyde (CH20). Les membranes étudiées sont composées respectivement de polydiméthylsiloxane (PDMS), polyuréthane (PU), polyoctenamère (PO) et de polyisoprène (PI). Les expériences de perméation membranaire sont réalisées à 28°C à des pressions de gaz variant entre 0,001 et 0,13 atm. Les paramètres classiques de transport membranaire que sont les coefficients de perméabilité, P, de diffusion, D, et de solubilité, S, obtenus pour l'ensemble des systèmes gaz-membrane se comparent avec les données disponibles dans la littérature. Quelques déviations sont néanmoins observées, principalement pour la perméation de l'hélium. Ces variations sont pour la plupart expliquées par une différence dans la composition du matériel membranaire utilisé pour l'expérimentation scientifique. Les relations attendues entre les coefficients P, 0 et S et les caractéristiques physiques des gaz que sont la température d'ébullition et le volume critique ainsi que la température de transition vitreuse (Tg) des membranes ont tous été corroborés. Le système de perméation membranaire développé ainsi que les résultats qui s'y rattachent peuvent donc être employés à élucider le comportement des isotopes stables du carbone lors d'expériences de perméation membranaire. Un montage expérimental permettant la récupération quantitative du CO2 sous des conditions de perméation à l'état-stationnaire est développé afin de rendre possible la mesure du fractionnement isotopique induit par le processus de perméation membranaire sur les isotopes stables du carbone. L'analyse isotopique est réalisée à l'aide d'un SMRI opérant en mode statique, SMRI-S. Les résultats montrent clairement un appauvrissement en 13C du CO2 en aval de tous les types de membrane. La membrane de PDMS montre le fractionnement le moins marqué (aamont-aval = 1,0008 ± 0,0002), alors que la membrane de PU montre le fractionnement le plus marqué (aamont-aval = 1,0029 ± 0,0005). La valeur du fractionnement isotopique est directement reliée à la valeur de Tg. De plus, le rapport entre les coefficients S et D est un bon paramètre permettant de prédire le fractionnement isotopique membranaire. Finalement, les données recueillies semblent indiquer que la différence entre les mécanisme de perméation des gaz dans les membranes de types élastomère (PDMS, PO et PI) et vitreuse (PU) induit un comportement isotopique différent pour les isotopes stables du carbone. En effet, une relation linéaire est observée entre le fractionnement isotopique (aamont.avaIC02) et Tg pour les membranes de type élastomère, tandis que la valeur de aamont.avalC02 obtenue avec la membrane PU de type vitreux est largement supérieure à celle prédite par la relation linéaire. Pour pousser plus loin l'introduction de la perméation membranaire en spectrométrie de masse des rapports isotopiques, une interface est développée pour introduire directement l'échantillon gazeux capté à l'état stationnaire de perméation dans un CG-C-SMRI (PM-CG-C-SMRI). Les résultats isotopiques ainsi obtenus en mode dynamique lors d'expériences de perméation du CO2 permet de conclure que le système développé produit des résultats précis et reproductibles. En effet, l'écart entre ces résultats et ceux obtenus en mode statique est inférieur à 0,08 %0. Le système PM-CG-C-SMRI ainsi développé est par la suite employé pour caractériser une atmosphère de formaldéhyde obtenue à partir d'une solution commerciale aqueuse de formaldéhyde. Les résultats isotopiques obtenus lors de sa perméation au travers d'une membrane de PDMS (δ13C moyen de -53,3 ± 0,4 %0) reflètent un appauvrissement isotopique du formaldéhyde en aval de la membrane en 13C d'une valeur moyenne de 2,5 %o. Les résultats obtenus au cours de la présente étude démontrent clairement l'intérêt de coupler la perméation membranaire comme technique d'introduction en mode dynamique et de concentration d'un échantillon gazeux à un SMRI (MP-CG-C-SMRI). Ce couplage permet des applications multiples, de même que la poursuite du développement instrumental par l'introduction de la pervaporation et autres technologies membranaires.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tessier, André
Co-directeurs de mémoire/thèse: Paquin, Réal; Savard, Martine M.
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: perméation membranaire; spectrométrie de masse; carbone; gaz
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2014 16:20
Dernière modification: 17 mars 2016 17:50
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1998

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