The acid-catalyzed inversion of sucrose is often taken as an example of a first order reaction. It is, however, influenced by many factors such as temperature, type of acid used, concentration of sucrose, and the concentration of acid. What has received little attention so far is the influence of addition, in particular, other salts to the reacting solution. In this study, the influence of different salt solutions on the kinetics of sucrose inversion rate was studied at 29 °C by use of optical rotation measurements. The salts chosen for this study are readily soluble in sucrose solution and they provide an opportunity to study the interaction of electrolytes in aqueous solution of sucrose as well as their effects on the inversion of sucrose kinetics. The rates are found to be influenced by the concentration of the salts. No significant differences was measured when the salt were dissolved either in the sucrose or in the acid solutions. The influence of added salts to saccharide solutions was determined by evaluating the difference between the rotation of pure saccharides solutions and the rotation of pure saccharide solutions with salts. The changes in optical rotation were compared to the Hofmeister series. The saccharide-salt systems containing acidic salts (Na2HPO4 or NaH2PO4) were found to be dependent on the pH. Changing the molar ratio of sucrose and salt added also had an influence of the change in optical rotation. / Chemistry / M. Sc. (Chemistry)

The acid-catalyzed inversion of sucrose is often taken as an example of a first order reaction. It is, however, influenced by many factors such as temperature, type of acid used, concentration of sucrose, and the concentration of acid. What has received little attention so far is the influence of addition, in particular, other salts to the reacting solution. In this study, the influence of different salt solutions on the kinetics of sucrose inversion rate was studied at 29 °C by use of optical rotation measurements. The salts chosen for this study are readily soluble in sucrose solution and they provide an opportunity to study the interaction of electrolytes in aqueous solution of sucrose as well as their effects on the inversion of sucrose kinetics. The rates are found to be influenced by the concentration of the salts. No significant differences was measured when the salt were dissolved either in the sucrose or in the acid solutions. The influence of added salts to saccharide solutions was determined by evaluating the difference between the rotation of pure saccharides solutions and the rotation of pure saccharide solutions with salts. The changes in optical rotation were compared to the Hofmeister series. The saccharide-salt systems containing acidic salts (Na2HPO4 or NaH2PO4) were found to be dependent on the pH. Changing the molar ratio of sucrose and salt added also had an influence of the change in optical rotation. / Chemistry / M. Sc. (Chemistry)

Le procédé de captage du CO2 en post-combustion par lavage aux amines est actuellement le plus mature pour réduire les émissions de dioxyde de carbone industrielles. Cependant, s'il existe de nombreux démonstrateurs, son coût en termes d'investissement et de fonctionnement est encore trop important pour être mis en oeuvre à une large échelle. La cinétique de réaction amine-dioxyde de carbone est un des principaux facteurs influençant ces coûts. Les objectifs de ces travaux portent sur l'étude et la compréhension de la cinétique de réaction amine-CO2 et de la mise en place d'un modèle structure-propriété prédictif. Cette démarche est adaptée au grand nombre d'amines envisageables pour le procédé. Dans un premier temps nous avons étudié cinq types d'amines (primaires, secondaires acycliques, secondaires cycliques, tertiaires et multi-amines) représentatifs des molécules candidates. Parmi ces molécules deux comportements peuvent être distingués : d'une part les amines qui forment des carbamates et d'autre part celles qui n'en forment pas. Des mesures réalisées sur des solutions diluées d'amine, à différentes concentrations et à 25°C, obtenues par la technique d'écoulement bloqué ont permis de caractériser la cinétique intrinsèque de chacune des 87 amines par deux constantes cinétiques. Pour chaque type d'amine les principaux facteurs structuraux, électroniques et géométriques influant sur la cinétique de réaction ont été identifiés. Un modèle statistique utilisant des descripteurs moléculaires pour décrire les différents paramètres de chaque amine a permis d'établir une relation structure - propriété pour différentes constantes cinétiques. Un nouveau descripteur de l'encombrement stérique de l'azote a également été calculé pour décrire les résultats et prédire la réactivité des amines / The post-combustion process by amine scrubbing is currently the most mature to reduce carbon dioxide emissions from industry. However, if there are numerous demonstrators, the investment and operating cost of this process are still too important to develop it in a large scale. The kinetics of reaction between the amine and the carbon dioxide is one of the major factor which influence the costs. The objectives of this work are to study and understand the kinetics of the amine-CO2 reaction and to set up of a predictive structure-property model. This approach is adapted to the large number of possible amines which can be candidates for the process. In a first time we study five kinds of amines (primary, acyclic secondary, cyclic secondary, tertiary and multi-amines) representatives of candidate molecules. Among those molecules, two behaviours can be distinguished: one the one hand amines which form carbamates and on the other hand those which do not form carbamates. Measurements have been realised at 25 °C in diluted solutions by stopped-flow technique to characterize the intrinsic kinetics of each of the 87 studied amines using two kinetic constants. For each kind of amine, the main structural factors, electronic and geometric, which impact the kinetics of reaction have been identified. Then, from a statistical model using molecular descriptors to describe the different parameters of each amine, a structure-property relationship has been set up with the different kinetic constants. A descriptor of the steric hindrance has been developed

A new and flexible velocity-map ion imaging apparatus, designed for the study of photodissociation processes and photon-initiated bimolecular reactions in a single molecular beam, has been constructed, developed and characterised. An image Legendre moment fitting analysis was developed to allow recovery of centre-of-mass (CM) angular scattering and kinetic energy release distributions from velocity-map ion images of the products of photon-initiated bimolecular reactions. The Legendre moment analysis methodology has been applied to images of the HCl(v' = 0,j' = 0-6) products of the reactions of Cl(²P_3/2) atoms with ethane and n-butane at collision energies of 0.24 eV and 0.32 eV respectively. The Cl(²P_3/2) reactants were generated by polarised laser photodissociation of Cl₂ at 355 nm. For reaction with ethane, the CM angular scattering distributions show a steady trend from forward scattering at low j' to more isotropic, but backward peaking, scattering at high j'. An impact parameter-based mechanism is proposed to account for the observed dynamics. Abstraction of a hydrogen atom from a primary carbon site in n-butane is seen to produce rotationally very cold HCl products that are forward scattered, whereas H atom abstraction from a secondary carbon site in n-butane yields more isotropically scattered HCl products formed with higher rotational excitation. A peripheral mechanism is proposed to operate for the primary abstraction channel, whilst a more rebound type mechanism is seen to account for the dynamics of the secondary abstraction channel. Around 22% and 30% of the available energy is found in internal modes of the alkyl radical co-products of the Cl + C₂H₆ and Cl + n-C₄H₁₀ reactions respectively. Possible sources of alkyl co-product excitation are discussed in each case. The hydrogen or deuterium atom abstraction reactions of Cl(²P_3/2) with CH₄, CD₄ and CH₃D, have been studied at mean collision energies around 0.3 eV. Chlorine atom reactants were generated by polarised laser photodissociation of Cl₂ at 308 nm. The methyl radical products were detected using (2+1) resonance-enhanced multi-photon ionisation, coupled with velocity-map ion imaging. The laboratory frame speed distributions obtained from the images are in excellent agreement with previous work. The interpretation of the experiments is shown to be very sensitive to assumptions made about the reactant velocity distributions. If these are assumed to be narrow, the data are seen to suggest that a significant fraction of the product signal must arise from the reaction of Cl with vibrationally excited methane reactants. This conclusion is in agreement with previous photon-initiated reaction studies. However, by allowing for the spread in collision energies in the molecular beam, it is shown that it is possible to fit the data sensibly assuming reaction with vibrational ground state methane alone. CM angular scattering distributions thereby derived are presented for all three reactions.

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L'acrylate d'éthyle est synthétisé par l'estérification catalytique de l'acide acrylique et de l'éthanol. La réaction s'écrit : CH2=CH-COOH + C2H5OH D CH2=CH-COOC2H5 + H2O Comme cette réaction est équilibrée, l'élimination de l'eau produit par la réaction permet de déplacer la réaction, donc d'augmenter le taux de conversion de l'acide acrylique et la productivité en acrylate d'éthyle. La pervaporation est une technique de séparation membranaire, qui est potentiellement intéressante pour la déshydratation de mélanges organiques. Dans ce travail, nous avons étudié le procédé industriel de l'estérification de l'acrylate d'éthyle qui est continu. C'est la première fois que la pervaporation d'un mélange complexe contenant des dérivés acryliques polymérisables est étudiée. Tout d'abord le procédé continu d'estérification a été simulé sur Aspen Plus. Une analyse du schéma de procédé a permis d'identifier deux scénarii d'amélioration des performances énergétiques par pervaporation. Dans le scénario le plus favorable, la pervaporation permet de réduire de 25% la consommation d'énergie ou d'augmenter de 25% la production. Dans la deuxième partie de notre étude, des membranes commerciales ont été testées pour déshydrater des mélanges représentatifs du milieu d'estérification. Les membranes testées ont montrées de bonnes performances de séparation (flux et sélectivité élevées) et de bonnes résistances chimiques. La faisabilité de l'intégration de la pervaporation au procédé est donc prouvée / Ethyl acrylate is synthesized by the catalytic esterification of acrylic acid and ethanol. The reaction can be described as: CH2=CH-COOH + C2H5OH D CH2=CH-COOC2H5 + H2O Since this reaction is reversible, the removal of the water helps shifting the reaction to the right side, thus increasing the conversion of acrylic acid to ethyl acrylate. Pervaporation is a membrane separation technique which is helpful for the dehydration of organic mixtures. In this work, we studied the industrial process for the esterification of ethyl acrylate which is continuous. To our knowledge this is the first time that the pervaporation of a mixture containing polymerizable acrylic derivatives is studied. Firstly, the continuous esterification process was simulated on Aspen Plus. An analysis of the flowsheet diagram has identified two scenarios for improving energy performance through implementing dehydration pervaporation. In the most favorable scenario, the pervaporation can reduce 25% energy consumption or increase 25% ethyl acrylate production. In the second part of our study, commercial membranes were tested for dehydrating mixtures which are representative of esterification reaction. The tested membranes offered good separation performance (high flux and selectivity) and high chemical resistance. The feasibility of the hybrid process is thus proven

Le transfert d'un analogue de lysine au travers de membranes de phospholipides a été étudié. Des simulations de dynamique moléculaire et des calculs d'énergie libre ont été conduits afin d'étudier l'évolution du pKa de cette molécule en fonction de sa position à l'intérieur de la membrane. Des grandeurs cinétiques telles que la perméabilité et les constantes de réaction associées au transfert ont montré que ce processus est susceptible de ce produire sur des échelles de temps appartenant à la ms. La comparaison de ces grandeurs dans des membranes constituées d'étherlipides et de lipides avec des chaînes branchées a été faite par la suite. Les études ont montré une diminution de la perméabilité et une augmentation du temps de passage dans des membranes faites d'étherlipides. L'ajout de méthyles le long des chaînes carbonées augmentent également le temps de passage et la perméabilité mais de manière moins importante. Cependant, le pKa indique que la forme chargée ne peut être retrouvée aussi profondément que dans une membrane constituée de chaînes linéaires. Finalement, le transfert du peptide a été étudié en estimant des surfaces d'énergie libre multidimensionnelles. La coordination de l'amine avec les molécules d'eau dans sa première sphère d'hydratation et la projection de la distance par rapport au centre de la membrane a été étudié. De nouvelles possibilités pour le changement d'état de protonation du peptide sont apparues. Contrairement au cas 1D, la forme neutre peut apparaître déjà dans la région des têtes polaires pour une certaine valeur de la coordination. Ces valeurs, inférieures à celles du milieux aqueux, peuvent être atteintes à l'interface d'après les surfaces déterminées / The transfer of a lysine amino acid analog across phospholipid membrane models was investigated using molecular dynamics simulations. The evolution of the protonation state of this small peptide as a function of its position inside the membrane was studied by determining the local pKa by means of free energy calculations. Permeability and mean first time passage were evaluated and showed that the transferoccurs on the sub-ms time scale. Comparative studies were conducted to evaluate the changes in the local pKa arising from the differences in the phospholipid chemical structure. We compared hence the effect of the ether vs ester linkage of the lipid head group as well as the linear vs branched lipid tails. The study reveals that protonated lysine residues can be buried further inside ether lipid membrane than ester lipid membrane while branched lipids are found to stabilize less the charged form compared to their un-branched lipid chain counterparts. As a result, the permeability and the transfer rate across a membrane constituted by ether lipid was found to slower than in membranes constituted by esterified lipids. Finally, multidimensionnal free-energy surfaces for the transfer of the peptide in its both states, charged and neutral, were estimated. The coordination of the amine with the water molecules in its first hydration shell with the projection of the distance from the center of the membrane were used as reaction coordinates. New possibilities for the deprotonation reaction were found, the latter appearing closer to the headgroup region. This finding suggests that if the lysine analog were less coordinated by water molecule a deprotonation is possible in the headgroup region

Le procédé de précipitation du peroxyde d'uranium en lit fluidisé breveté par AREVA est actuellement testé à l'échelle pilote sur différents sites miniers en vue d'applications industrielles à court terme. Le yellow cake formé par ce procédé a des qualités très intéressantes en termes de densité, granulométrie et morphologie pour la manipulation et le transport. De plus, le faible taux d'impuretés présents dans le peroxyde d'uranium est un atout important pour la suite du procédé de fabrication du combustible. L'objectif de ce travail est de déterminer la thermodynamique ainsi que les cinétiques de nucléation primaire et de croissance cristalline qui régissent la précipitation du peroxyde d'uranium en vue d'une modélisation globale permettant de simuler le comportement du système. Afin de déterminer la solubilité du peroxyde d'uranium sur une large gamme de conditions opératoires correspondante aux conditions du procédé industriel, un modèle de solubilité a été développé et optimisé à l'aide de mesures expérimentales. Dans le cadre de cette étude, le produit de solubilité a été identifié ce qui a permis la mise en équation et le calcul de la sursaturation, force motrice de la précipitation qu'il est indispensable de connaitre pour l'étude des cinétiques de nucléation et de croissance. Les nucléations primaires sont étudiées par une approche phénoménologique qui met en oeuvre une méthode développée par Bertrand-Andrieu basée sur l'utilisation d'un appareil permettant un micromélange très rapide (~1ms) des réactifs. La cinétique de nucléation primaire du peroxyde d'uranium suit la loi classique de Volmer et Weber. De plus il est démontré que la nucléation primaire est fonction de la concentration de sulfate, la loi correspondante intègre alors cette dépendance via le terme BN lié à la tension interfaciale et ainsi à la quantité de sulfate absorbée. La cinétique de croissance est de même déterminer par une approche phénoménologique. Au vue de la production d'ions H+ au cours de la réaction de précipitation, l'étude expérimentale de la croissance cristalline est effectuée par suivi pH-métrique. Étant indépendante de la vitesse d'agitation, la croissance est contrôlée par l'intégration au réseau cristallin selon un mécanisme en spirale. Il est démontré que la loi de croissance du peroxyde d'uranium est d'ordre un vis-à-vis de la sursaturation, le paramètre cinétique kg étant dépendant de la concentration de sulfate et du pH, une loi empirique fonction des conditions expérimentales est alors proposée pour ce paramètre / The uranium peroxide precipitation in fluidised bed patented by AREVA is currently tested on pilot scale reactor on different mine sites for industrial applications in the short term. The yellow cake produced on this way has very interesting qualities in terms of density, particle size and morphology for handing and transport. In addition, the low level of impurities present in the uranium peroxide is an important advantage for the rest of the manufacturing process fuel. The objective of this work is to determine the thermodynamics and kinetics of primary nucleation and crystal growth governing the uranium peroxide precipitation for a global modelling to stimulate the system behaviour. In order to determine the uranium peroxide solubility over a wide range of operating conditions corresponding to the industrial process conditions, a solubility model has been developed and optimized using experimental measurements. In this study, the solubility product has been identified which allows the calculation of the supersaturation, driving force of the precipitation which is an essential parameter to know in order to study the nucleation and crystal growth kinetics. The primary nucleation is investigated by a phenomenological approach which implements a method developed by Bertrand-Andrieu based on the use of a very fast reagents micromixing device (~1ms). Uranium peroxide primary nucleation kinetics follows the Volmer and Weber law. Furthermore it is shown that the primary nucleation depends on the sulphate concentration, the corresponding law incorporates this link with the BN term related to the interfacial tension and thus the quantity of sulphate absorbed. Crystal growth kinetics is also determined by a phenomenological approach. Due to the hydrogen ion production during the precipitation reaction, the crystal growth experimental study is performed by a pH-metric monitoring. Independent of the impeller speed, crystal growth is surface integration controlled with a spiral mechanism. It is shown that the uranium peroxide crystal growth law is first order with respect to the supersaturation. The kinetic parameter kg is dependent on pH and sulphate concentration, an empirical law function of the experimental conditions is then proposed for this parameter

Cette thèse s'inscrit dans les problématiques liées au captage de CO2 en postcombustion et au traitement du gaz naturel. Une méthodologie a été développée dans le cadre de cette thèse afin de comprendre la cinétique d'absorption de CO2 par des solutions aqueuses de mélange d'amines. Cette méthodologie comporte l'acquisition de données expérimentales à travers un outil expérimental de type film tombant, ainsi que l'exploitation de ces données via un modèle couplant l'ensemble des phénomènes physico-chimiques mis en oeuvre au sein du réacteur. Cette méthodologie a dans un premier temps été appliquée à l'étude du système CO2-pipérazine, pour lequel l'extrapolation de la cinétique chimique de la littérature a été validée dans des gammes étendues de températures, concentrations d'amines et de taux de charge en CO2 (ratio entre le nombre de mol CO2 et le nombre de mol d'amine en solution). La cinétique d'absorption du CO2 dans le mélange complexe N-méthyldiéthanolamine-pipérazine, a ensuite été examinée. La synergie entre les deux amines pour absorber le CO2 ainsi que l'influence du taux de charge sur la cinétique chimique du système ont été quantifiées. Cette méthodologie sera mise en ?uvre au sein des projets de recherche IFPEN afin de quantifier la cinétique chimique des systèmes CO2-mélanges d'amines dans le cadre des procédés de captage de CO2 et de désacidification de gaz naturel. Paramètre essentiel de la modélisation du transfert gaz-liquide, une connaissance fine de la cinétique d'absorption du CO2 permet, in fine, d'améliorer la fiabilité du design des colonnes d'absorption industrielles / Processes based on chemical absorption are widely used for removing CO2 contained in natural gas, hydrogen or flue gas. Mixtures of amines can be used as a solvent for these applications in order to accelerate CO2 mass transfer towards the liquid phase, while keeping a low energy consumption to be regenerated. A methodology has been developed in the framework of this PhD to understand the kinetics of the absorption of CO2 into mixtures of amines. Experimental data provided by a wetted wall column apparatus have been interpreted by a rigorous model taking into account all phenomena occurring within the reactor. This work was firstly dedicated to study the kinetics of the absorption of CO2 by aqueous piperazine solutions. The extrapolation of PZ / CO2 kinetics given by the literature has been validated in a wide range of operating conditions. The kinetics of the absorption of CO2 by mixtures of N-methyldiethanolamine and piperazine has then been assessed. The synergy between both amines at low loading allowing the CO2 mass transfer to be accelerated as well as the impact of the CO2 loading on the absorption kinetics have been quantified. This methodology will be used at IFP Energies nouvelles in order to study the kinetics of the absorption of CO2 by mixtures of amines, in the framework of CO2 postcombustion capture and natural gas treatment processes development. The knowledge of the kinetics of the CO2 absorption by mixtures of amines will allow to enhance the reliability of the absorption column design

Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε ένας νέος αλγόριθμος χειρισμού των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων. Οι αλληλεπιδράσεις ηλεκτροστατικής φύσεως αποτελούν αντικείμενο εκτενούς μελέτης στον ερευνητικό κλάδο των μοριακών προσομοιώσεων. Ιδιαίτερα σε βιολογικά μοριακά συστήματα, τα οποία αποτελούνται από υδατικά διαλύματα πολυηλεκτρολυτών, οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις κυριαρχούν. Η ευρέως διαδεδομένη μέθοδος άθροισης κατά Ewald η οποία χαρακτηρίζεται για την ακρίβεια της, είναι ιδιαίτερα απαιτητική σε υπολογιστικό χρόνο δεδομένου ότι κλιμακώνεται ως Ν2, όπου Ν ο συνολικός αριθμός φορτίων του συστήματος. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η προσεγγιστική μέθοδος σφαιρικής αποκοπής για την περίπτωση πολυηλεκτρολυτών. Έως σήμερα, η μέθοδος της σφαιρικής αποκοπής έχει εφαρμοστεί σε μοριακά συστήματα ιοντικών κρυστάλλων. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, εισάγοντας μια σφαιρική αποκοπή στον υπολογισμό του ηλεκτροστατικού δυναμικού και παράλληλα επιτυγχάνοντας ηλεκτροουδετερότητα του υπό εξέταση σφαιρικού συστήματος, πραγματοποιείται μείωση του υπολογιστικού χρόνου σε δίχως σημαντικές απώλειες σε ακρίβεια. Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκε ο αλγόριθμος της σφαιρικής αποκοπής για δύο κατηγορίες μορίων: τους πολυηλεκτρολύτες χωρίς ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις όπως είναι το μόριο του νερού και τους πολυηλεκτρολύτες με ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις όπως είναι τα μόρια CiEj των αλκυλικών αιθέρων πολυ-(οξυ-αιθυλενίου). Επιπρόσθετα, επεκτείναμε τη μέθοδο άθροισης κατά Ewald για την εφαρμογή της σε πολυηλεκτρολύτες, χωρίς και με ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις προκειμένου να προχωρήσουμε σε σύγκριση της ακριβής μεθόδου Ewald με τα αποτελέσματα του νέου αλγορίθμου της σφαιρικής αποκοπής. Συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα των δύο μεθόδων για τα δύο διαφορετικά είδη πολυηλεκτρολυτών ( H2Ο και CiEj ) από ατομιστικές προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής οδηγηθήκαμε σε πλήρη συμφωνία των δύο μεθόδων γεγονός που επιβεβαιώνει την εγκυρότητας της νέας μεθόδου. Επίσης, μέσω των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής μελετήθηκαν οι θερμοδυναμικές, δομικές και δυναμικές ιδιότητες των δύο συστημάτων. Η παρούσα εργασία είναι δομημένη ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στο θεωρητικό υπόβαθρο προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι μέθοδοι χειρισμού των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων που συναντούμε έως σήμερα στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται ο αλγόριθμος της σφαιρικής αποκοπής. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής με τις μεθόδους σφαιρικής αποκοπής και άθροισης κατά Ewald. / -