Les dipôles tourbillonnaires représentent des structures récurrentes dans les écoulements en eau peu profonde. Ils résultent souvent d'une bidimensionnalisation de la turbulence qui est liée à l'effet du confinement vertical. Pourtant, dans plusieurs études récentes, une structure tourbillonnaire secondaire à axe horizontal a été observée sur le front de dipôles expérimentaux en eau peu profonde, remettant ainsi en question l'hypothèse de bidimensionnalité de l'écoulement. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à ce dernier point en étudiant la génération et la dynamique d'une structure secondaire sur le front du dipôle. Les dipôles tourbillonnaires sont générés expérimentalement par la fermeture d'une paire de pales dans une couche d'eau de faible épaisseur initialement au repos afin d'assurer une structure bidimensionnelle initiale. Les paramètres sans dimension pilotant l'écoulement sont le nombre de Reynolds Re = U0D0/nu (ou U0 et D0 représentent respectivement la vitesse de propagation et le diamètre initial du dipôle et nu est la viscosité cinématique de l'eau) et le rapport de forme des dipôles (ou nombre de confinement) C = h/D0 (ou h est la hauteur d'eau). Une étude paramétrique dans laquelle le nombre de Reynolds Re et le rapport de forme du dipôle C varient a été menée (C \in [0.075, 0.7] et Re \in [90, 470]). Dans le champ des paramètres étudiés, cinq différentes structures de l'écoulement sont observées. Une cartographie des différents régimes d'écoulement a été obtenue et a permis de montrer que la tridimensionnalisation des dipôles tourbillonnaires en eau peu profonde était contrôlée par un unique paramètre, C2Re. Lorsque une structure secondaire est observée sur le front du dipôle, la dynamique aux temps courts de celle-ci dépend du nombre de Reynolds alors que sa dynamique aux temps longs dépend du rapport de forme du dipôle. Afin de caractériser la structure dans son ensemble et en particulier d'accéder à chacune des étapes de sa tridimensionnalisation, une nouvelle technique de PIV 3D-3C scannée a été mise en place. Elle permet une mesure expérimentale du champ de pression et révèle que les branches du tourbillon transverse généré sur le front du dipôle montent en direction de la surface libre de part et d'autre des tourbillons primaires composant le dipôle.

Le traitement des sédiments de dragage pollués aux métaux lourds est une alternative à leur stockage sur sites homologués et pourrait permettre la réutilisation des sédiments en technique routière ou en butte paysagère. Le procédé de dépollution envisagé dans ce projet consiste à déposer les sédiments contaminés sur des géotextiles, matériaux présentant une structure poreuse idéale pour la filtration. La lixiviation permet ensuite de rendre mobile une partie des polluants métalliques afin qu’ils puissent être adsorbés par les géotextiles. Cependant, ces matériaux, généralement synthétiques, n’ont pas de capacité intrinsèque à retenir les métaux et doivent donc être fonctionnalisés avec des molécules capables de fixer les métaux lourds. Cette thèse est orientée vers le développement de procédés de fonctionnalisation par plasma et laser, l’objectif final étant d’immobiliser des biomolécules chélatantes à la surface des géotextiles. Ces biomolécules sont fixées par couplage chimique sur des fonctions –COOH obtenues préalablement par greffage d’un agent intermédiaire, l’acide acrylique. La surface des fibres a été analysée à chaque étape de traitement par microscopie électronique à balayage, spectrométrie infrarouge, et par spectrométrie photoélectronique à rayons X, prouvant le greffage covalent de l’acide acrylique puis des biomolécules. Enfin, des tests avec des solutions métalliques ont été effectués afin de pouvoir sélectionner le textile fonctionnalisé le plus efficace pour réaliser des essais à l’échelle pilote. Parallèlement, une étude de modélisation a été amorcée afin d’étudier plus précisément la structure des complexes métal/biomolécule obtenus. / The treatment of dredged sediments contaminated with trace metals is an alternative to the current storage in accredited sites and could allow the reusability of sediments in civil engineering. The remediation process considered in this project consists in the deposition of polluted sediments onto geotextiles, structures possessing filtration properties. The leaching then favors the release of metals that can be sequestered by the geotextiles. However, these textile structures are mainly composed of synthetic polymers and thus cannot retain heavy metals. Therefore, they have to be functionalized with molecules able to adsorb metal ions present in aqueous media. The main objective of this PhD thesis was to develop functionalization processes using plasma and laser techniques, in order to immobilize biomolecules with chelating properties at the surface of the fabrics. These biomolecules were immobilized by chemical coupling onto –COOH groups obtained at the fabric surface by the grafting of a spacer, namely acrylic acid. The surface of the fibers was characterized at the different grafting steps by scanning electron microscopy, infrared spectrometry and X-ray photoelectron spectrometry: evidence of the covalent grafting of acrylic acid and then of biomolecules was given. Some remediation tests were then carried out in order to select the most interesting functionalized materials for further studies at pilot scale. In parallel, a computational study was initiated in order to determine the structure of the metal/biomolecule complexes.

La qualité de l’air à l’intérieur d’un habitacle (QAH) est un sujet d’intérêt grandissant chez les constructeurs automobiles soucieux de garantir un air sain et une ambiance olfactive agréable dans leurs véhicules. La QAH s’évalue par l’innocuité des composés émis dans l’habitacle vis-à-vis des voies respiratoires et de la peau. Elle se traduit également par l’odeur générée par le mélange de ces composés. La diversité des matériaux utilisés et le degré de confinement de l’habitacle sont à l’origine, à l’état neuf, de la pollution intérieure. Le but de ces travaux est d’abord d’accroître les connaissances sur les sources d’émissions de composés organiques volatils (COV) et d’odeurs mais également d’évaluer leur impact sur la QAH. De nombreuses techniques d’échantillonnage et d’analyses des COV ainsi que des méthodes d’évaluation olfactive ont donc été mises en œuvre. Sur un véhicule modèle, l’impact des pièces de l’habitacle sur la QAH a été évalué, d’une part, grâce à la mise en œuvre d’un modèle de calcul des contributions des pièces aux teneurs ambiantes de l’habitacle (Chemical Mass Balance) ; et d’autre part, grâce à des analyses multi-variées des profils sensoriels des pièces et de l’habitacle. Enfin, le croisement des données physico-chimiques et des données sensorielles obtenues, ainsi que des mesures par GC-Olfactométrie ont permis d’identifier des familles de composés responsables des odeurs en habitacle. / The car air quality (CAQ) inside the passenger compartment is a subject of growing interest among manufacturers concerned with ensuring a healthy car interior and a pleasant olfactory ambiance in their vehicles. The CAQ is nowadays evaluated for innocuity of the compounds emitted into the cabin towards the respiratory tract and the skin, but also for the odorous synergy of the mixture of compounds. The variety of materials and the confinement level of new cabins are the factors behind car indoor pollution. The primary aim of this work is to increase knowledge about the emission sources of volatile organic compounds (VOC) and odors, but also to assess their impact on the CAQ. Numerous VOC sampling and analysis techniques and odor evaluation methods have been implemented. The impact of each car part on the CAQ was assessed, firstly, using model calculations to determine the contributions of each car part to ambient VOC levels (Chemical Mass Balance) and secondly, by multivariate analysis of sensory profiles of car parts and cabin assembly. Finally, linking chemical and sensory data and GC-Olfactometry analysis allowed for identification of chemical families involved in car cabin smells.

Les consommations de carburants fossiles, dans le domaine des transports, ne cessent d'accroître. Dans le but de diminuer ces consommations, plusieurs équipes travaillent à obtenir des alliages plus légers, ou encore des geometries plus aérohydrodynamiques. Toutefois, ces modifications atteignant un apogée, l'utilisation d'un revêtement de surface superhydrophobe offrant une mouillabilité faible, pourrait être la solution. En effet, une surface de contact réduite entre l'eau et le solide en addition à une affinité chimique réduite avec l'eau pourrait diminuer la friction en surface. Plusieurs techniques permettent d'obtenir des surfaces possédant ces caractéristiques. L'objectif de ce mémoire est de synthétiser des revêtements de surfaces superhydrophobes durables, facilement applicables à grande échelle, et de caractériser leurs effets sur la vitesse terminale de sphères en chute libre dans l'eau. Les nanoparticules d'oxyde ont des applications remarquables dans des domaines techniques émergents et variés pour obtenir des surfaces autonettoyantes ou pour obtenir des surfaces anticorrosion. Dans la présente étude, la modification et la fonctionnalisation de particules hydrophiles de silice (SiÛ2) et d'oxyde de zinc (ZnO) ont été menées pour obtenir la superhydrophobicité. Une dispersion de nanoparticules de silice a été obtenue par le procédé Stôber en utilisant du tétraéthoxysilane (TEOS : Si(OC2H5)4) et l'hydroxyde d'ammoniac, en tant que catalyseur basique, dans de Téthanol. De plus la surface des particules de silice a été modifiée en utilisant des molécules de fluoroalkylsilane (FAS-17 : CioH^FnCbSi) afin d'obtenir des nanoparticules de silice fluorées. D'autre part la modification de la surface de l'oxyde de zinc a été réalisée en utilisant des molécules d'acide stéarique (S.A. : CHs(CH2)i6COOH) dans le but d'obtenir des nanoparticules de ZnO methylées. Ces nanoparticules ont été caractérisées sous forme de poudre ainsi que sous forme de films minces tels quels ou dans différentes matrices pour confirmer et optimiser leurs dépositions pour atteindre la superhydrophobicité. Les liaisons moléculaires entre les particules (SiÛ2 et ZnO) et leurs molécules de basse énergie (FAS-17 et SA) ont été démontrées par spectroscopie infrarouge à transformées de Fourrier (FTIR) et par diffraction des rayons X (XRD). Les surfaces rugueuses nano structurées ont montré des propriétés superhydrophobes, grâce, entre autres, à l'arrangement topographique, mais aussi grâce à la basse énergie de surface. Enfin, il a été montré que lors d'essais de chute dans l'eau, le revêtement superhydrophobes nanocomposite à base d'oxyde de zinc méthylée augmente les vitesses terminales de 5 à 11 % par rapport à une bille non-recouvertes, indiquant une diminution significative de la friction de surface. De plus, ces nanoparticules fonctionnalisées peuvent être facilement incorporées à des peintures pour des dépositions à grande échelle sur des surfaces variées, métaux et non-métaux, pour des applications visant à réduire la consommation d'énergie.

Ce travail de thèse a pour but de développer de nouveaux matériaux bio-composites pour des applications en thermoformage. À cet effet, nous considérons une matrice de polyéthylène haute densité (HDPE) renforcée par les sciures de bois. Nous avons utilisé six concentrations de particules de bois (0%, 20%, 30%, 40%, 50% et 60%) en présence d’un agent de couplage le polyéthylène greffé au maléique anhydride (PE-g-MA). L’effet de la concentration en bois et celui de la température sur les propriétés rhéologiques de même que les propriétés thermo-physiques, et les caractéristiques structurales des thermo-composites ont été étudiés grâce à une analyse mécanique dynamique (DMA), une analyse calorimétrique différentielle (DSC) et une analyse microscopique électronique à balayage (MEB). Le comportement visqueux des composites à l’état liquide a été modélisé à l’aide du modèle rhéologique Cross. Cela nous a permis de créer des courbes universelles pour prédire le comportement visqueux des bio-composites sur une gamme de températures et de fréquences. Quant au comportement mécanique des composites à l’état semi-solide, il a été modélisé à l’aide du modèle intégral viscoélastique de Lodge. Pour cela, des résultats expérimentaux, obtenus à l’aide des tests d’analyses oscillatoires à faible amplitude, sont utilisés. Nos résultats indiquent que les modules dynamiques rhéologiques (G’ et G’’) des composites diminuent en fonction de la température et croissent en fonction de la concentration en particules du bois. De plus, les propriétés thermo-physiques (capacité calorifique Cp et volume spécifique) sont dépendantes de la température et de la teneur en particules du bois; leur variation est maximale à la température de fusion du polymère, en raison de changement de phase des chaînes macromoléculaires. Afin de déceler l’effet de la concentration massique des particules du bois sur l’aptitude du composite plastique- bois pour des applications en plasturgie, une étude numérique sur la thermo-formabilité de ces nouveaux bio-composites a été réalisée en soufflage libre des membranes bio-composites. Par ailleurs, une évaluation expérimentale sur les propriétés mécaniques ainsi que sur la durabilité des performances des composites plastiques-bois ont été réalisées. À cet effet, des tests de traction, de stabilité géométrique et de biodégradabilité sont effectués. Nos résultats indiquent que l’addition des particules du bois améliore à la fois la rigidité et la résistance mécanique des composites. Toutefois, l’élongation à la rupture des composites diminue considérablement en fonction de la teneur en particules de bois; les composites deviennent peu ductiles et la rupture apparaît à de faibles déformations. De plus, la présence des particules du bois rend les composites sensibles à l’absorption d’eau et aux attaques des espèces fongiques; ceci se traduit par une perte de masse et une altération des propriétés structurales des bio-composites exposées régulièrement aux champignons dans un milieu humide. L’effet des microorganismes est estimé maximal dans le cas des échantillons préparés sans agent de couplage et contenant des teneurs élevées en bois.

Les anodes de carbone sont utilisées dans le procédé d’électrolyse pour la production de l’aluminium primaire. Cette étape contribue à environ 15% du coût total de production de l’aluminium. Les anodes sont consommées régulièrement dans la cellule d’électrolyse et nécessitent en général un remplacement toutes les 2 à 4 semaines. L’étape la plus coûteuse de la fabrication des anodes est la cuisson où les propriétés des anodes sont fixées; donc, il s’agit d’une étape importante. Dans ces fours, les gaz qui circulent dans les cloisons fournissent la chaleur nécessaire pour la cuisson et le profil de vitesses influence énormément la distribution de chaleur. Une distribution uniforme favorise l’homogénéité de la cuisson. Cependant, la mesure de vitesses et du débit des gaz est difficile à cause de la complexité de l’écoulement créé par la géométrie particulière des cloisons. L’objectif de ce projet est de développer une technique pour déterminer le débit du gaz dans les cloisons d’un four horizontal de cuisson d’anodes. Une maquette d’une cloison a été conçue et construite pour tester les différentes méthodes de mesure et établir les critères sur lesquels la prise de mesure à l’usine est effectuée. Le comportement des gaz a été démontré en laboratoire par la visualisation de l’écoulement avec de la fumée et par la mesures des vitesses rencontrées dans deux configurations : une cloison issue de la littérature ayant deux rangées de briques et une autre industriel dont les détails (dimensions, géométrie) sont confidentiels. Des mesures de vitesses à l’entrée et sortie de la maquette cloison ont permis de déterminer les bilans de masse pour chaque cas de section du four de cuisson d’anodes simulé. Ces données ont aussi permis d’estimer les taux d’infiltration ou d’exfiltration selon la section étudiée. Suivant cette même démarche, une campagne de mesure a été effectuée à l’usine d’anodes. Des mesures ont été prises dans les différentes sections du four de cuisson d’anodes, surtout la section de refroidissement compte tenu des températures relativement basses qui permettent d’effectuer des mesures convenables. Ces données ont été donc recueillies (ΔP, emplacement des mesures, températures et vitesses d’écoulement des gaz chauds) permettant ainsi de faire une analogie avec les données déjà obtenus avec les travaux sur la maquette cloison pour cette configuration. Cette analogie a permis de comparer l’écoulement des gaz chauds au niveau de l’usine et de l’air au niveau de la maquette. Cette comparaison est essentielle pour déterminer les facteurs de correspondance entre l’usine et le laboratoire compte tenu de la différence substantielle des paramètres opératoires. En utilisant ces facteurs de correspondance, l’écoulement des gaz chauds a été calculé dans les sections du four de cuisson d’anodes où on a pu prendre des mesures. Ces résultats sont présentés dans ce mémoire. Carbon anodes are used in the electrolytic process for the production of primary aluminum. This step constitutes approximately 15% of the total cost of aluminum production. The anodes are regularly consumed in the electrolysis cell, and they are generally changed every 2 to 4 weeks. The most costly step of the anode manufacturing process is the baking process where the anode attains its final properties; thus, this is an important step. In these furnaces, the gas that circulates in the flues provides the heat necessary for the baking, and the velocity profile affects significantly the distribution of heat. A uniform distribution promotes homogeneous heating. However, the measurement of the velocities and the gas flow rate is difficult because of the complexity of the flow created by the particular geometry of the flues. The objective of this project is to develop a technique to measure the gas flow rate in the flues of a horizontal anode baking furnace. A physical model of a flue was designed and built to test different methods of measurement and to establish the criteria on which the measurements can be carried out in the plant. The gas behavior was characterized in the laboratory by flow visualization with fume. The velocity measurements were carried out in two different configurations: a flue from the literature with two rows of bricks and an industrial flue for which the details (dimensions, geometry) are confidential. The measurements at the entrance and exit of the model were used to determine the mass balance for each case section of the simulated anode baking furnace. These data were also used to estimate the rate of infiltration or exfiltration depending on the section studied. Following this same approach, a measurement campaign was carried out in an anode plant. Measurements were taken in different sections of the anode baking furnace, particularly the cooling section given the relatively low temperatures, which makes the measurement of velocities possible. These data were thus collected (ΔP, measurement location, temperatures, and flow rates of the hot gases), and an analogy was assumed with the physical model of the flue. This analogy was used to compare the flow of hot gas at the plant and the air in the model. This comparison is essential for determining the corresponding factors between the plant and the laboratory given the substantial difference in the operating parameters. These factors were used to calculate the flow in the industrial flues where the measurements were done. In this thesis, these results are presented.

L’un des problèmes majeurs de l’industrie d’aluminium est la surconsommation des anodes en carbone. Cette surconsommation a pour conséquence l’augmentation du nombre d’anodes utilisées durant l’électrolyse, ce qui fait croître le taux de rejets solides et gazeux produit durant ce procédé, ces rejets contribuent à la dégradation de l’environnement. Grâce à la présence de catalyseurs, la surconsommation des anodes est favorisée lors du procédé de l’électrolyse. Les catalyseurs qui contribuent à la réduction de la durée de vie des anodes durant l’électrolyse ne sont que les différentes impuretés que présentent les matières premières qui composent l’anode. Les principales impuretés sont le Na, le Ca, le Fe, le V, le Ni et le S. Ces impuretés représentent des catalyseurs pour la réactivité de l’anode avec l’air et le CO2 à l’exception du soufre qui est un inhibiteur. À des pourcentages très élevés, il aura un effet négatif sur l’environnement à cause d’émission de gaz à effet de serre. Le soufre se présente dans l’anode sous différentes formes organiques et inorganiques. Sous sa forme inorganique, le soufre peut se présenter comme des sulfures, des sulfates ou des sulfites, mais sous la forme organique il se présente d’habitude sous la forme de sulfures parmi lesquelles les thiophènes. Le soufre peut avoir un effet inverse sur la réactivité quand il est lié au fer. Le composé formé par le soufre et le fer n’est que le FeS (les sulfures fer), ce composé se dissocie durant l’électrolyse pour libérer le catalyseur (Fe) qui cause la surconsommation de l’anode. L’inhibition du soufre consiste à arrêter l’activité catalytique des autres impuretés qui cause la surconsommation. Il est rapporté dans la littérature dans les années 90 que la réactivité à l'air des anodes utilisées dans la technologie Söderberg diminue si la teneur en soufre ne dépasse pas 1,3%. En outre, il est rapporté que la réactivité de CO2 diminue avec l'augmentation de la teneur en soufre dans l'anode [1]. Cependant, la teneur en impuretés des cokes était considérablement plus faible à ce moment-là. L’objectif de cette étude est de connaitre l’effet du soufre sur la réactivité des anodes en carbone utilisées pour la technologie de Hall et Héroult. La méthodologie élaborée pour répondre à la problématique et ainsi atteindre les objectifs de cette étude est basée simultanément sur une approche expérimentale. Cette approche consiste : à la caractérisation de deux cokes de pétrole utilisés dans la fabrication des deux séries d’anodes, définir l’effet du soufre sur la réactivité à l’air et au CO2, mais aussi l’effet du soufre sur l’interaction coke-brai. La première série d’anodes consistait à fabriquer des anodes en mélangeant deux types de cokes CHTS et CBTS (cokes à haute et à basse teneurs en soufre). Eu égard au pratique de l’industrie, les deux types de coke sont mélangés pour cette série d’anodes. Cette pratique a pour but de maintenir le niveau du soufre désiré dans l’anode malgré la dégradation de la qualité du coke. La deuxième série d’anodes contient seulement du coke à basse teneur en soufre (CBTS). Pour cette série d’anode, du soufre a été ajouté à la pâte d’anode dans le but de voir l’effet du soufre sur la réactivité en gardant la concentration des autres impuretés constantes. Le choix de la nature du soufre ajouté durant la fabrication de ces anodes est fait de sorte de ne pas avoir un apport d’impuretés qui favorisera la surconsommation de l’anode. Deux types de soufre sont choisis. Ces deux types sont du soufre organique (dibenzothiophene) et du soufre élémentaire. Les résultats de la caractérisation des deux cokes (CHTS et CBTS) utilisés ont permis de faire une étude comparative des différentes propriétés. Cette étude a permis de tirer plusieurs conclusions concernant les deux types de coke utilisés. Ce projet a révélé que le coke à basse teneur en soufre (CBTS) possède une densité réelle plus élevée que celle du coke à haute teneur en soufre (CHTS). En raison de la porosité importante que le CBTS possède, la densité apparente de ce coke est basse que celle du CHTS. Le test de la densité en vrac a permis de vérifier qu’avec la réduction de la taille des particules, la densité en vrac augmente, cette augmentation est liée à la forme des particules et le vide entre les particules. Au cours de cette caractérisation du CHTS et CBTS, il s’est avéré que la teneur en soufre est uniforme dans les différentes fractions. La réduction de la taille des particules a permis de séparer l’effet de porosité de celui du soufre sur l’interaction coke-brai. Plus la teneur en soufre est importante, plus la pénétration du brai se fait rapidement. Durant la fabrication des anodes avec les deux types de coke, les anodes qui contiennent plus de CHTS ont des densités élevées en comparant à celles qui contiennent plus de CBTS avant et après cuisson. D’après le test de la teneur en soufre, pour des positions différentes dans l’anode, la distribution du soufre s’est révélée bonne dans le cas des différentes anodes fabriquées. Cela rejoint à dire que l’étape de mixage c’est bien passée et que le soufre c’est bien repartie dans les anodes. Suite à la cuisson, la distribution de la teneur en soufre n’est pas affectée par la température. Même s’il y a eu élimination de soufre à cette étape, cette élimination est faite d’une manière uniforme. Cela est expliqué par l’uniformité de la température de chauffage au sein du four ce qui a causé le chauffage uniforme des échantillons. À l’issu du test de la réactivité à l’air et au CO2, il est conclu dans le cas des anodes fabriquées avec le mélange deux types de coke que les deux réactivités ont diminuées avec l’augmentation du taux de CHTS. Dans le cas des anodes auxquelles du soufre et ajouté sous forme organique et élémentaire, les deux réactivités ne sont pas affectées de la même manière. Cela a permis de se prononcer sur la nature du soufre ajouté dans l’anode et son impact sur la réactivité de l’anode. One of the major problems in the aluminum industry is the overconsumption of carbon anodes. This overconsumption increases the number of anodes used during electrolysis. This, in turn, increases the rate of solid rejected and gaseous emissions produced during this process and contribute to environmental degradation. Due to the presence of catalysts in anodes, the overconsumption of the anodes is favored during the electrolysis process. Catalysts, which reduce the anode life, are the various impurities present in raw materials used in anode production. The main impurities are Na, Ca, Fe, V, Ni and S. These impurities act as catalysts for the reactivity of the anode with air and CO2 with the exception of sulfur, which is an inhibitor. High concentrations however would have a negative impact on environment due to the emission of greenhouse gases. The sulfur is present in anode in various organic and inorganic forms. Inorganic sulfur can be present as sulfides, sulfates or sulfites, and organic sulfur is usually in sulphide form such as thiophenes. The sulfur may have an adverse effect on the reactivity when bound to iron and form FeS (iron sulphide). This compound dissociates during electrolysis and releases the catalyst (Fe), which causes over-consumption of the anode. It is reported in the literature in 90s that the air reactivity of anodes used in the Söderberg technology reduces if sulfur content does not exceed 1.3%. Also, it is reported that the CO2 reactivity decreases with increasing sulfur content in the anode. However, the impurity content of the cokes was considerably lower at that time. The objective of this study is to investigate the effect of sulfur on the reactivity of the carbon anodes used for Hall and Héroult technology. The methodology developed to address the problem, thus, achieve the objectives of this study is based on an experimental approach. This approach involves the characterization of two petroleum cokes used in the manufacture of the two series of anodes and investigation of the effect of sulfur on the air and CO2 reactivities as well as the effect of sulfur on the coke-pitch interaction. The first series of anodes were made by mixing cokes with high and low sulfur contents (CHTS and CBTS) as it is a common practice in industry. The objective was to maintain the desired sulfur level in the anode despite the degradation of the coke quality. The second series of anodes were made of low-sulfur coke (CBTS). For this series of anodes, sulfur was added to the anode paste in order to see its effect on the reactivity while keeping the amount of the other impurities constant. Sulfur can exist in the anodes in different forms. For this reason, organic sulfur (dibenzothiophene) and elemental sulfur were added. The results of the characterization of two cokes (HSC and LSC) used in this study helped compare different properties of these cokes. The coke with low sulfur content (LSC) has a higher real density than that of the coke with high sulfur content (HSC). Due to the high porosity of the LSC, the bulk density of this coke is less than that of HSC. The test of the bulk density showed that the reduction of particle size leads to increase in the bulk density, which is mainly due to the particle shape and bed porosity. During the characterization of HSC and LSC, it was found that the sulfur content was uniform in the different coke fractions. The reducing the particle size reduced the effect of porosity and helped understand the effect of the sulfur on the coke-pitch interaction. The higher the sulfur content was, faster the pitch penetration was. Among the anodes produced using two types of cokes, the anodes that contain more HSC have higher densities than those containing more LSC, and that is before and after baking. According to the results of the sulfur content tests, the distribution of sulfur was found to be uniform at different positions in the anode for all the anodes manufactured in the laboratory. Upon baking, the distribution of the sulfur content was not affected by temperature. Although there was some sulfur removal at this stage, this elimination took place in a uniform manner, which can be explained by the uniform temperature distribution, hence, uniform baking of the samples. The results of air and CO2 reactivity tests showed that both reactivities were reduced with increasing HSC content, which was not the case when elemental or organic sulfur was added to the anode. This test helped identify the kind of sulfur to be added to the anode in order to study the effect of sulfur on anode reactivity.

During the past few decades, plasma-based surface treatment methods have gained a lot of interest in various applications such as thin film deposition, surface etching, surface activation and/or cleaning, etc. Generally, in plasma-based surface treatment methods, high-energy plasma-generated species are utilized to modify the surface structure or the chemical composition of a substrate. Unique physical and chemical characteristics of the plasma along with the high controllability of the process makes plasma treatment approaches very attractive in several industries. Plasma-based treatment methods are currently being used or investigated for a number of practical applications, such as adhesion promotion in auto industry, wound management and cancer treatment in biomedical industry, and coating development in aerospace industry. In this study, a two-step procedure is proposed for the development of superhydrophobic/icephobic coatings based on atmospheric-pressure plasma treatment of aluminum substrates using air and nitrogen plasma. The effects of plasma parameters on various surface properties are studied in order to identify the optimum conditions for maximum coating efficiency against icing and wetting. In the first step, the interactions between air or nitrogen plasma and the aluminum surface are studied. It is shown that by reducing jet-to-substrate distance, air plasma treatment, unlike nitrogen plasma treatment, is capable of creating micro-porous micro-roughened structures on the surface, some of which bear a significant resemblance to the features observed in laser ablation of metals with short and ultra-short laser pulses. The formation of such structures in plasma treatment is attributed to a transportation of energy from the jet to the surface over a very short period of time, in the range of picoseconds to microseconds. This energy transfer is shown to occur through a streamer discharge from the rotating arc source in the jet body to a close proximity of the surface, and then through multiple seemingly random electric arcs on the surface. The formation of these discharges is facilitated by the near-infinite conductivity of the air plasma column. The micro-porous micro-roughened structure developed in this step is then used as the substrate for coating deposition. In the next step, first the plasma jet is slightly modified with a quartz tube surrounding the jet-head. This modification allows for ignition and maintenance of a very weak plasma while hindering the diffusion of oxygen into the plasma and thus increasing the amount of organic deposition on the surface. This is confirmed by the chemical characterization of the surfaces developed using the modified jet. Furthermore, it is shown that this modification can significantly affect surface morphology, leading to a finer surface structure with different levels of roughness. Hydrophobic materials are then deposited on the surface in the presence of HMDSO using nitrogen plasma. Several samples are prepared with different precursor flow rates, plasma generation powers and number of deposition passes. All coatings are characterized regarding their surface morphology, chemical composition, wetting behavior and icephobic characteristics. It is shown that at low precursor flow rates, coating deposition is not enough for a full coverage of the surface. On the other hand, at high flow rates coating deposition can completely cover the surface features originated from the air plasma treatment process, thus negating the effects of an important roughness level. At the median flow rate, which was identified to be 5 g/h, the coating can fully cover the surface while maintaining the pre-existing surface features. It is also shown that by increasing the number of plasma deposition passes, surface features become slightly larger while the amount of organic deposition on the surface increases. Finally, it is shown that in high plasma generation powers, the amount of oxide deposition on the surface increases, leading to lower contact angles and higher ice adhesion strengths. In order to estimate coatings’ efficiency in practical applications, coating’s stability against some environmental factors is studied. At first, the effects of multiple icing/deicing cycles on surface properties is investigated. SEM studies confirm the removal of the coating material from the surface in all cases after multiple icing/deicing cycles. However, it is shown that the sample resulting from the lowest generation power combined with median flow rate and 3 passes of plasma deposition can maintain its hydrophobicity and icephobicity for up to 10 cycles of icing/deicing. This sample is then exposed to an equivalent of up to 4 years of natural ultraviolet exposure and the effects of UV on surface properties were studied. It is suggested that ultraviolet exposure may be capable of reorganizing the organic functions in the coating structure, leading to shorter siloxane chains with denser methyl functionalization, thus affecting the wetting and icing behavior of the surface. Ice adhesion strength was shown to decrease significantly after the equivalent of 3 years of natural UV exposure. The procedure introduced in this thesis is a cheap, quick, and environmentally friendly method for development of superhydrophobic/icephobic coatings on aluminum substrates. Therefore, it can be easily implemented in several industrial applications where outdoor structures are expected to be exposed to severe icing events. Durant les dernières décennies, les méthodes de traitement de surface à base de plasma ont suscité un grand intérêt pour plusieurs applications telles que le dépôt de films minces, la gravure, l'activation et/ou le nettoyage de surface, etc. En général, dans les méthodes de traitement de surface à base de plasma, des espèces générées par plasma à haute énergie sont utilisées pour modifier la structure de surface ou la composition chimique d'un substrat. Les caractéristiques physiques et chimiques uniques du plasma ainsi que la forte contrôlabilité du processus rendent le traitement par plasma très intéressant pour diverses industries. Les méthodes de traitement à base de plasma sont actuellement utilisées ou étudiées pour un grand nombre applications pratiques, comme par exemple la promotion de l'adhésion dans l'industrie automobile, le traitement des plaies et du cancer dans le domaine biomédical et le développement de revêtements dans l'industrie aérospatiale. Dans cette étude, une procédure en deux étapes a été proposée pour l’élaboration des revêtements superhydrophobes/glaciophobes basée sur le traitement au plasma à pression atmosphérique de substrats en aluminium utilisant un plasma d’air et d’azote. L’effet des paramètres du plasma sur diverses propriétés de la surface a été étudié pour identifier les conditions optimales pour obtenir un revêtement d’efficacité maximale contre le givrage et le mouillage. Dans la première étape, les interactions entre un plasma d’air ou d'azote et la surface d'aluminium ont été étudiées. Il a été démontré que, en réduisant la distance entre le jet et le substrat, le traitement par plasma d'air, à la différence du traitement par plasma d'azote, permet de créer une structure micro-rugueuse et microporeuse de la surface. Certaines de ces structures ont une ressemblance significative avec les caractéristiques observées par le traitement utilisant l'ablation laser des métaux avec courtes et à ultra-courtes impulsions laser. La formation de telles structures dans le traitement par plasma est attribuée à un transfert d'énergie du jet à la surface sur une très courte période de temps, dans l’ordre de picosecondes à microsecondes. On a montré que ce transfert d'énergie est produit par une décharge du streamer de la source d’arc tournant dans le corps de la buse à proximité de la surface, et à travers de multiples arcs électriques aléatoires à la surface. La formation de ces décharges est facilitée par la conductivité quasi infinie de la colonne de plasma d'air. La structure microporeuse et micro-rugueuse développée dans cette étape est par la suite utilisée en tant que substrat pour le dépôt du revêtement. Dans l'étape suivante, le jet de plasma est d’abord légèrement modifié en plaçant un tube de quartz sur la tête du jet. Cette modification permet l'allumage et l'entretien d'un plasma très faible tout en empêchant la diffusion de l'oxygène dans le plasma, augmentant ainsi la quantité de dépôts organiques sur la surface. Ceci est confirmé par la caractérisation chimique des surfaces développées par le jet modifié. En outre, il a été démontré que la modification mentionnée ci-dessus peut affecter de manière significative la morphologie de la surface, conduisant ainsi à une fine structure de surface avec différents niveaux de rugosité. Les matériaux hydrophobes sont ensuite déposés sur la surface en présence de HMDSO à l’aide de plasma d'azote. Plusieurs échantillons sont préparés avec différents débits de précurseurs, de puissances d’alimentation de plasma, et de nombre de dépôts de couche. Tous les revêtements sont caractérisés selon la morphologie de la surface, la composition chimique, la mouillabilité ainsi que la glaciophobicité. Il a été noté que, pour de faibles débits de précurseurs, les dépôts de revêtement étaient insuffisants pour recouvrir toute la surface. D'autre part, pour des dépôts avec débits élevés, le revêtement pouvait recouvrir complètement les parties de la surface traitées au plasma à l’air, annulant ainsi les effets d’un niveau de rugosité élevé. Avec un débit moyen, de l’ordre de 5 g/h, le revêtement peut recouvrir complètement la surface tout en conservant les caractéristiques de la surface préexistante. Il a été également démontré que, en augmentant le nombre de couches de dépôt par plasma, les caractéristiques de la surface deviennent légèrement plus importantes tandis que la quantité de dépôt organique sur la surface augmente. Enfin, il a été démontré que, pour des puissances de plasma élevées, la quantité de dépôts d'oxyde sur la surface augmente, entraînant ainsi une réduction des angles de contact et une augmentation de la force d'adhésion de la glace. Afin d'évaluer l'efficacité de ces revêtements dans des applications pratiques, leur stabilité par rapport à certains facteurs environnementaux a été étudiée. Dans un premier temps, l’impact des cycles de givrage/dégivrage répétés sur les propriétés de surface a été étudié. Les résultats du MEB confirment l'élimination du revêtement de la surface dans tous les cas, après plusieurs cycles de givrage/dégivrage. Cependant, les résultats montrent que l'échantillon obtenu à partir de la plus faible puissance combinée avec un débit moyen et trois couches de dépôt plasma peut conserver son hydrophobicité et sa glaciophobicité jusqu'à 10 cycles de givrage/dégivrage. Cet échantillon a été exposé par la suite à un équivalent de 4 ans d'exposition aux rayons ultraviolets naturels et les effets des rayons UV sur les propriétés de surface ont été étudiés. Il a été suggéré que l’exposition aux rayons ultraviolets peut réorganiser les fonctions organiques dans la structure du revêtement, résultant en de plus courtes chaînes de siloxane avec une plus dense fonctionnalisation de méthyle, affectant ainsi le comportement de mouillage et de givrage de la surface. Une réduction significative de la force d’adhésion de la glace a été observée après un équivalent de 3 années d'exposition aux UV naturels. La procédure proposée dans cette thèse pour le développement de revêtements superhydrophobe/glaciophobes sur des substrats en aluminium est économique, rapide et respectueuse de l'environnement. Par conséquent, elle pourrait facilement être mise en oeuvre dans plusieurs applications industrielles où des structures extérieures seraient exposées à des périodes de givrage sévères.

L’utilisation de polymères issus de ressources renouvelables et la substitution de pièces massives par des produits alvéolaires constituent des approches intéressantes dans le contexte actuel de développement durable. Cette thèse porte donc sur le développement de polymères et composites alvéolaires bio-sourcés à base d’acide polylactique (PLA) et de fibres de cellulose obtenus par extrusion moussage en présence d’un agent d’expansion chimique endothermique (CFA). Les conditions d’extrusion moussage du PLA ont été optimisées selon des critères de réduction de densité. Un jeu optimal de paramètres en extrusion mono-vis (profil de température, vitesse de vis, conditions de refroidissement) a permis d’atteindre une fraction de vide de 47 % avec un taux de cellules ouvertes entre 10 et 26 %. Les paramètres matériaux (grade de PLA, nature et taux de CFA) montrent un effet notable sur la fraction de vide, la taille et la densité de cellules ainsi que sur les propriétés mécaniques. Une modification du PLA par irradiation ( (à différentes doses et taux d’agent de réticulation TAIC) ou par incorporation d’un allongeur de chaine époxydé à des taux variables n’a pas permis d’augmenter la fraction de vide (44 % maximum) mais présente un effet significatif sur la taille des cellules (-39 %), la densité cellulaire (+60 %) et les propriétés mécaniques. L’incorporation de fibres de cellulose à différents taux et facteurs de forme (fibres courtes et microfibres) n’a pas amélioré la fraction de vide (10-25 %) mais a un effet sur la taille des cellules (-48 %) et le taux de cellules ouvertes (26-38 %). Le traitement des fibres par un aminosilane n’a pas induit de modification de propriétés. / The use of polymers derived from renewable resources and the replacement of massive parts by cellular products constitute interesting approaches in the current context of sustainable development. This study therefore focuses on the development of bio-sourced cellular polymers and composites based on polylactic acid (PLA) and cellulose fibers obtained by extrusion foaming in presence of an endothermic chemical foaming agent (CFA). Single-screw extrusion foaming conditions have been optimized according to density reduction. An optimal processing parameters set (temperature profile, screw rotation speed, cooling conditions) led to a void fraction of 47 % with an open-cells ratio in the 10-26 % range. The type of PLA as well as the type and weight fraction of CFA have significant influence on the cells size and density and on the final mechanical properties. Moreover PLA have been modified through (-ray irradiation (with different irradiation doses and various contents of crosslinking agent TAIC) and through the incorporation of different contents of an epoxy based chain-extender. No increase in the void fraction was obtained (maximum of 44 %) but a significant effect on the cell size (-39 %), the cell density (+60 %) and the mechanical properties were observed. The incorporation of different contents of cellulose fibers with various shape factors (short fibers and microfibers) did not improve the void fraction (10-25 %) but had an influence on the cells size (-48 %) and the open-cells ratio (26-38 %). The surface treatment of cellulose fibers by an aminosilane did not modify any properties.

L’entretien des cours d’eau génère des volumes conséquents de sédiments, qui, en zones urbanisées, sont souvent contaminés en métaux. Une fois curés, ces sédiments sont déposés à terre de façon pérenne ou transitoire ; se pose alors la question de leur impact environnemental. L’objectif de ce travail était d’évaluer l’évolution du potentiel mobilisable de métaux et les paramètres en jeu dans le vieillissement des dépôts. Ce dernier a été simulé en conditions contrôlées au laboratoire à l’aide de deux protocoles de vieillissement : le premier visant à simuler un dépôt en conditions drainantes, le second en conditions hydromorphes. La mise en solution des métaux et l’évolution de leur distribution dans les compartiments de la phase solide ont été suivies au cours du temps. La mise en dépôt provoque un départ rapide de Cd, Cu, As et Zn vers le compartiment matière organique, associations stables avec le vieillissement du dépôt sauf pour le Cd. Le transfert de Cd, Cu, As et Pb vers le compartiment oxyhydroxydes intervient plus tardivement et ces associations perdurent avec le temps. Seule l’association Zn-oxyhydroxydes est rapide mais elle est instable au cours du temps. Le compartiment acido-soluble devient rapidement prépondérant pour le Zn, le Cd et le Pb suite à la mise en dépôt et le reste avec le vieillissement. Les conditions de dépôt ont un impact mineur durant les premiers temps suivant la mise à terre. Par contre, avec le temps de dépôt, les conditions d’hydromorphie entraînent un départ de quantités plus élevées de Cd, Cu et Zn vers les eaux de drainage et dans le compartiment échangeable du sédiment par rapport au dépôt en conditions drainantes. / Canal dredging generates high volumes of sediments which are often heavily contaminated with metals, especially in industrialized zones. Dredged sediments are usually deposited on land for long or temporary periods, and may impact surrounding environments. The aim of this study was to assess the potential of metal mobilisation during the ageing of sediment deposits. Sediment ageing was simulated in laboratory under controlled conditions with two protocols of wetting-drying : le first one simulated a sediment disposal in drained conditions and the second one hydromorphic conditions. The solubilisation of metals and their speciation in solid phase were followed over time. The distribution of metals was determined by selective dissolution. Sediment deposit on land leads to a fast transfer of Cd, Cu, As and Zn into the organic matter pool and these associations are stable with time excepted for Cd. The transfer of Cd, Cu, As and Pb into the oxyhydroxydes pool takes place later on following the disposal of sediment, excepted for the Zn-oxyhydroxides association, which is rapid but not stable with time. The acido-soluble pool becomes rapidly predominant for Zn, Cd and Pb after the sediment disposal and persists over time. Deposit conditions have no impact during the first time of the deposit. But, with time, hydromorphic conditions lead to a transfer of higher quantities of Cd, Cu and Zn into draining water and into exchangeable positions than the deposit in drained conditions.