L'objectif principal de ce travail est le développement d'une équation d’état précise pour la détermination des propriétés thermodynamique de mélange de gaz riche en gaz acides (CO2, H2S) contenant des hydrocarbures et autres gaz (impuretés) comme N2, O2, Ar, etc présente lors du stockage du CO2 (CCS). Après comparaisons avec des données expérimentales, nous avons retenu le modèle SAFT-VR Mie qui prédit de manière satisfaisante les masses volumiques pour les composés purs et les équilibres entre phases. Trois types de propriétés de transport ont également été prédites avec le modèle thermodynamique SAFT-VR Mie associé avec deux autres modèles de prédiction des propriétés de transport (TRAPP et DGT). La prédiction de ces propriétés de transport (viscosité et tension superficielle) repose sur une estimation la plus précise possible des masses volumiques. Pour compléter les banques données expérimentales, les équilibres liquide-vapeur concernant le système binaire H2S-Ar ont été déterminés à l'aide d'un dispositif de mesure dont la méthode technique repose sur la méthode "statique analytique" avec échantillonnage des phases (échantillonneur capillaire ROLI). Déplus, à l'aide d'un densimètre à tube vibrant, les masses volumiques de cinq systèmes binaires (H2S - hydrocarbures (méthane, éthane et propane) ont été mesurées. Les masses volumiques d'un système ternaire (CO2/CH4/H2S) et les masses volumiques et les viscosités d'un mélange multi-constituant riche en CO2 ont aussi été mesurées. Les données sont parfaitement représentées par les modèles développés au cours de cette thèse. / The main aim of this research is to develop a thermodynamic model from an accurate equation of state (EoS) for CO2, hydrocarbons and other gases as N2, O2, Ar, etc. The SAFT-VR Mie EoS was selected to study the phase behaviour and transport properties of mixtures related to carbon capture and storage (CCS). In order to asses this new version of SAFT, several equations of state have been compared (PR, SRK and PC-SAFT). SAFT-VR Mie EoS provides very good density predictions for pure component and binary systems according to the comparative study carried out. Therefore, three transport properties were modelled with SAFT-VR Mie and two models based on density predictions from the EoS. Thus, density, viscosity and interfacial tension (IFT) of CO2-rich systems were calculated by this SAFT-EoS (density), TraPP model (viscosity) and DGT (IFT), in the framework of CCS. Some experimental work was done, in order to extend the available literature data. Isothermal vapor-liquid equilibrium of H2S-Ar binary system was determined at three temperatures from 258 to 288 K. Densities of five binary systems of H2S with methane, ethane and propane were measured continuously at 3 temperatures (253, 273 and 293K) and at pressures up to 30MPa. Following the same technique, the density of the ternary system 42%CO2, 40%CH4 and 18%H2S was measured at pressures ranging from 0.2 to 31.5MPa and at 6 temperatures between 253 and 353K. Densities and viscosities of a multicomponent CO2-rich with 50% of impurities were measured at 5 temperatures between 283 and 423 K and at pressures up to 150 MPa.

En tant que laboratoire naturel, les énormes quantités de granites mésozoïques du sud de la Chine fournissent une occasion unique de comprendre la formation et l'évolution de la croûte mésozoïque et de guider les efforts d'exploration minière dans cette région. Quelles sont les conditions de mise en place de ces granites mésozoïques en Chine du Sud ? Quelle est la relation entre les conditions de mise en place et la minéralisation associée à ces granites mésozoïques?Nous avons établi expérimentalement les relations de phase du granite Jurassique de Qitianling en Chine du Sud. Trois échantillons représentatifs de granites métalumineux contenant des amphiboles ont été choisis pour définir les conditions de cristallisation de ce pluton. Des expériences de cristallisation ont été réalisées à 100-700 MPa, mais principalement à 200 MPa ou 300 MPa, à une fO₂ de ~ NNO-1,3 (1,3 log sous le tampon Ni-NiO) ou ~ NNO + 2,4, à 660 ° C à 900 ° C, et à des teneurs variables en eau (~ 3-8% en poids). Le champ de stabilité des amphiboles et les données de barométrie montrent tous deux que la pression de mise en place du magma se situait autour de 300-350 MPa. Les rapports Fe / Mg amphiboles et biotites suggèrent en outre que la fO₂ magmatique se situait autour de NNO-1 ± 0,5 près du solidus, alors que les oxydes de Fe-Ti enregistrent une augmentation de fO₂ jusqu’à NNO + 1 en conditions sub-solidus. La cristallisation de l'amphibole est limitée aux conditions proches de la saturation en H₂O, nécessitant au moins 5,5% en poids de H₂O dissout à 200 MPa, ou 6 à 8% en poids à> 300 MPa. La présence d'amphibole dans des magmas siliceux métalumineux riches en K₂O indique donc des teneurs en eau significativement supérieures à la valeur canonique de 4% en poids. Les compositions de liquides expérimentaux obtenus à 200-300 MPa reproduisent la tendance géochimique définie par le pluton, ce qui suggère qu'une différenciation dans le réservoir de la croûte supérieure a pu se produire. L'ensemble de ces résultats indique que la fugacité relativement faible en oxygène, la température élevée du magma lors de sa mise en place et sa richesse en eau constituent un environnement favorable à la concentration d'éléments minéralisés au stade magmatique précoce. / As a natural laboratory, the huge amounts of Mesozoic granite distributing in South China provided a unique opportunity to unravel the Mesozoic crust formation and evolution in southern China as well as for guiding mining exploration efforts in this area. What are the emplacement conditions of those Mesozoic granite in South China? What are the relationship between the emplacement conditions and the mineralization among those Mesozoic granites?We have experimentally established the phase relationships for the tin-bearing Jurassic Qitianling granite in South China. Three representative amphibole-bearing, metaluminous granitic samples were chosen for constraining crystallization conditions of the Qitianling pluton. Crystallization experiments were performed at 100-700 MPa, albeit mainly at 200 MPa or 300 MPa, at an fO₂ of ~NNO-1.3 (1.3 log unit below the Ni-NiO buffer) or ~NNO+2.4, at 660°C to 900°C, and at variable melt water contents (~3-8 wt%). Amphibole stability field and barometry both show that the pressure of magma emplacement was around 300-350 MPa. Amphibole and biotite Fe/Mg ratios further suggest that magmatic fO₂ was around NNO-1±0.5 near solidus, while Fe-Ti oxides record an fO2 increase up to NNO+1 below solidus. Amphibole crystallization is restricted to near H₂O-saturation conditions, requiring at least 5.5 wt% H₂Omelt at 200 MPa, or 6-8 wt % at ≥ 300 MPa. Amphibole occurrence in K₂O-rich metaluminous silicic magmas thus indicates water contents significantly higher than the canonical value of 4 wt%. The experimental liquid line of descent obtained at 200-300 MPa mimic the geochemical trend expressed by the pluton suggesting that fractionation in the upper crustal reservoir could happen. We deduced that the relatively low oxygen fugacity, high liquidus temperature and melt water rich condition may be an enabling environment for concentrating the ore elements in the early magmatic stage

La nucléation, la croissance et la dissociation des hydrates de gaz au voisinage d’un ménisque eau – gaz dans des capillaires de verre sont étudiées par vidéo-microscopie et spectroscopie Raman à température, pression, mouillabilité et géométrie du substrat contrôlées. Dans ce travail, deux hydrates simples de structure I (hydrate de CO2 et hydrate de CH4), deux hydrates simples de structure II (N2 et Cyclopentane) et un hydrate double (cyclopentane + CO2) sont examinés. En baissant la température bien au-dessous de 0 °C, i.e., sous un fort sous-refroidissement, tous ces hydrates, excepté l’hydrate de cyclopentane, nucléent sans que la glace soit formée. L’hydrate forme d’abord une croûte polycristalline sur le ménisque eau-molécule invitée (guest). Ensuite, il se propage rapidement à partir de ce ménisque dans l’eau sous forme de fibres ou dendrites et le long de la paroi capillaire sous forme d’une croûte fine et polycristalline appelée ”halo”. Sur un substrat hydrophile, ce halo avance du côté de la phase invitée, alimenté par une couche d’eau entre le halo et la paroi interne du capillaire. Symétriquement, sur un verre hydrophobe (traité au silane), le halo et une couche de la phase invitée se propagent du côté eau. Aucun halo n’est observé sur un substrat de mouillabilité intermédiaire. La croissance et la morphologie du halo d’hydrate et l’épaisseur de sa couche sous-jacente d’eau (ou de phase invitée) dépendent fortement du sous-refroidissement. Grâce au faible volume du capillaire utilisé et à la vitesse rapide de refroidissement, la limite de métastabilité de l’hydrate de CO2 est approchée pour différentes pressions et mouillabilité. Le régime des faibles sous-refroidissements est également étudié : une nouvelle morphologie d’hydrate de CO2 est découverte pour des sous-refroidissements inférieurs à 0,5 °C, constituée d’un cristal creux, générée au niveau du ménisque eau – guest et avançant du côté guest le long du verre, alimenté par une épaisse couche d’eau prise en sandwich entre le verre et ce cristal. Une nouvelle procédure est proposée pour détermination des conditions d’équilibre des hydrates de gaz dans une large plage de température et de pression, y compris l’extension métastable de la ligne triphasique (eau liquide – hydrate – guest) jusqu’à des températures bien inférieures à 0 °C. Enfin, les mécanismes par lesquels le CO2 et le cyclopentane agissent en synergie pour former l’hydrate de structure II sont discutés. / The nucleation, growth and dissociation of gas hydrate across a water – gas meniscus in glass capillaries are investigated by means of video-microscopy and confocal Raman spec- troscopy under controlled temperature, pressure, cooling rate and substrate wettability and geometry. Structure I and II hydrates are examined, with the following guest molecules: CO2, CH4, N2, cyclopentane, and cyclopentane + CO2. By lowering the temperature well below 0 °C, i.e., under strong subcooling, all these hydrates but the cyclopentane hydrate nucleate without forming ice on the liquid water – guest meniscus, which is rapidly covered with a polycrystalline crust. The hydrate then propagates from this meniscus as fast-growing fibers or dendrites in bulk water and as a thin polycrystalline crust, or halo, along the capillary wall. On water-wet substrates, this halo advances on the guest side of the meniscus, fed by a water layer sandwiched between the halo and glass. Symmetrically, on guest-wet (silane-treated) glass, the halo and an underlying guest layer grow on the water side of the interface. No halo is observed on intermediate-wet glass. The hydrate halo growth and morphology and the thickness of its underlying water (or guest) layer strongly depend on subcooling. Thanks to the small capillary volume and the rapid temperature descent, the metastability limit of CO2 hydrate is approached for various pressures and substrate wettabilities. The low subcooling regime is investigated as well: a novel CO2 hydrate morphology is discovered for subcoolings below 0.5 °C, which consist of a hollow hydrate crystal originating from the water – guest meniscus and advancing on the guest side along glass, fed by a thick water layer sandwiched between glass and this crystal. A new procedure is proposed to determine gas hydrate dissociation conditions in a large temperature and pressure range, including the metastable extension of the three-phase (liquid water – hydrate - guest) down to temperatures well below 0 °C. Finally, the mechanisms by which CO2 and cyclopentane synergistically act to form the structure II hydrate are discussed.

Dans l'objectif de la transition vers de nouvelles sources énergétiques, l'hydrogène apparaît comme une source d'énergie idéale. L'hydrogène est doté d'excellentes propriétés physico-chimiques lui conférant la qualité de combustible d'avenir : il est une énergie propre, renouvelable avec un pouvoir calorifique trois fois supérieur à celui de l'essence. Mais les difficultés liées au stockage et le transport de l'hydrogène restent des obstacles majeurs au développement d'une économie de l'hydrogène comme vecteurs énergétiques. C'est dans ce contexte que l'hydrates d'hydrogène à été entrepris au cours de mon projet de recherche doctorale. C'est étude concerne la synthèse et la caractérisation des hydrates et des semi-hydrates, à l'aide d'analyse calorimétrique différentielle sous haute pression (40 MPa) et un réacteur isobarique pour les mesure volumétrique. Dans le premier temps, une famille particulière des semi-hydrates qui se forment à partir d'eau et de gaz en présence de sels d'ammoniums (TBAOH) ou de phosphoniums quaternaires (TBPBH4) a été étudiée. Nous présentons dans cette partie une étude du comportements des systèmes TBAOH-H2-H2O, TBPBH4-H2-H2O et N2-TBPBH4-H2O, leurs diagrammes de phase isobare (T,x) et une étude volumétrique sur la quantité de gaz stocké. Dans le deuxième temps, le concept de Tuning a été développé dans un mélange de H2-C3H8 à fin d'étudier son impact sur le stabilité de l'hydrate d'hydrogène. En suite, la séparation de l'hydrogène dans un mélange équimolaire de CO2-H2 a été étudié avec l'analyses de la compostions initiales et finales du mélange du gaz. Mots clé: Hydrates de H2, hydrates semi-clathrates, équilibre de phase, analyse calorimétrique différentielles, mesure volumétrique.

Le développement du modèle prédictif E-PPR78, basé sur une méthode de contribution de groupe, a été entrepris depuis plus de dix ans pour prédire le comportement de systèmes multiconstituants. Ce modèle repose sur l'équation d'état de Peng-Robinson dans sa version de 1978 et les règles de mélanges de Van der Waals. Il utilise un seul paramètre d'interaction binaire, kij, qui dépend de la température. Afin de permettre au modèle E-PPR78 de prédire le comportement du gaz naturel, trois nouveaux groupes sont ajoutés : le monoxyde de carbone, l'hélium et l'argon. Pour cela, il a été nécessaire de former une base de données expérimentales la plus large possible contenant les mesures d'équilibres de phase et d'enthalpies de mélange pour les systèmes binaires constitués par ces trois groupes ainsi que ceux définis dans les études précédentes et présents dans le gaz naturel. Après une description de la classification des diagrammes de phase de Van Konynenburg et Scott, le modèle E-PPR78 est présenté. La troisième partie est consacrée à l'ajout des trois nouveaux groupes au sein du modèle. Les résultats sont obtenus avec une précision satisfaisante. Il apparaît clairement que le modèle E PPR78 est capable de prédire le comportement du gaz naturel dans des conditions de températures et de pressions particulièrement larges / The development of the predictive E-PPR78 model, based on a contribution group method, has been undertaken since ten years to predict accurately the behaviour of multi-component systems. This model lies on the Peng-Robinson equation of state with classical Van der Waals mixing rules. It uses a unique binary interaction parameter, kij, which is temperature dependant. To enable the E-PPR78 model to predict the behavior of natural gases, three new groups are added: carbon monoxide, helium and argon. It was necessary to build an experimental database, as exhaustive as possible, containing phase equilibrium and enthalpies of mixing data for binary systems formed by these groups and those defined in previous studies and present in natural gases. After a description of the classification scheme of Van Konynenburg and Scott, the E-PPR78 model is described. The third part is about the addition of the three new groups to the model. It clearly appears that the E-PPR78 model is able to predict the fluid-phase behavior of natural gases over wide ranges of temperatures and pressures

L'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère depuis la révolution industrielle a conduit à l'augmentation de la température moyenne du globe. Pour limiter l’accroissement des températures atmosphériques moyennes, la quantité de dioxyde de carbone émise dans l'atmosphère doit être réduite. Une des solutions envisagée sur les sources fixes est le captage et le stockage du CO2. Ce procédé d’absorption/désorption, bien connu dans le traitement du gaz naturel, est onéreux et peu efficace pour le traitement du gaz des sources fixes et doit être optimisé. La solution proposée s’appuie sur l’utilisation de solvants démixants, présentant une séparation de phase équilibre liquide-liquide (LLE) en solution aqueuse en fonction de la température. Ce manuscrit présente une étude réalisée pour la famille des alkyl-pipéridines connues pour ses séparations de phase. Cette étude permettra d’évaluer l’influence de la taille, de la positionet du nombre de substituants sur les propriétés thermodynamiques d’intérêt pour le procédé. Pour étudier les LLE des solutions aqueuses démixantes, en particulier dans le cas des solutions chargées en gaz, deux instruments ont été mis au point. Il a été possible de démontrer que les changements opérés sur les diagrammes de phase des amines sont liés aux réactions chimiques mises en jeu lors de la dissolution du CO2. Pour les alkyl-pipéridines tertiaire on observe la température de démixtion diminue avec l’addition de CO2, allant avec la formation de carbonates. Avec les alkyl-pipéridines secondaires la température de démixtion augmente, ce qui est lié à la présence en solution de carbamates qui stabilisent la solution aqueuse. Le comportement des amines secondaires très encombrées, qui ne peuvent donc pas formées de carbamates, est similaire à celui des amines tertiaires, ce qui est cohérent avec les conclusions précédentes. Une étude approfondies des propriétés thermodynamiques d’excès (VE, CpE et HE) des alkyl-pipéridines en solution aqueuse a également permis de démontrer des relations structure - propriétés. La position du substituant sur le cycle pipéridine a une influence considérable et prévisible sur l’intensité des propriétés d’excès, alors que la nature de l’amine (secondaire ou tertiaire) va influencer la position de l’extremum de cette propriété. Enfin, une modélisation thermodynamique rigoureuses des solubilités et des enthalpies de dissolution du CO2 dans les solutions aqueuses de pipéridines a permis de déterminer les constantes de formation des carbamates dans les solutions aqueuses de 3- et 4-méthylpipéridines. / The increase of carbon dioxide (CO2) concentration in the atmosphere, since the industrial revolution has led to the rise in the average global climate temperature. To prevent the escalation of global climate temperatures the amount of CO2 emitted into the atmosphere must be reduced. One solution is carbon capture and sequestration which removes CO2 from fixed sources. The absorption/desorption cycle is well known for the treatment of acid gas, but is expensive and not as efficient for the treatment of gas from fixed/industrial sources. A solution to this problem is the use of aqueous demixing amine solvents which present a liquid-liquid phase equilibrium (LLE) as a function of temperature. This manuscript presents a study done to measure the LLE and thermodynamic properties of the alkyl piperidine family, which can be used for carbon capture processes. This work evaluates the effect of the size, position and number of alkyl substituents on the thermodynamic properties of interest in the carbon capture process. To study the LLE of aqueous demixing solutions, particularly gas loaded solutions, two novel apparatuses were developed. The results demonstrate that the changes in the amine phase diagrams are related to the chemical reactions involved with dissolution of CO2. The tertiary alkyl piperidines displayed reduced demixing temperature with the addition of CO2 due to the formation of carbonate species. The secondary alkyl piperidines display an increasing demixing temperature which is related to the formation of carbamate species which stabilizes the solution. Secondary alkyl piperidines that are severely sterically hindered, which cannot produce carbamates, behave similarly to the tertiary amine which is coherent with the preceding conclusion. The structure property relationship concerning the excess thermodynamic properties (VE, CpE et HE) of aqueous solutions were studied in depth. This revealed that the position of the substituents on the cyclic ring has a considerable and obvious influence on the intensity of the excess properties, along with the class of the amine, whether secondary or tertiary, will influence the positions of the extrema of the excess property. To conclude, a rigorous thermodynamic model based on the CO2 solubility and the enthalpy of solution for CO2 in aqueous solutions of alkyl piperidine, allowed for the determination of the carbamate formation constants of 3- and 4-methylpiperidine.