Le procédé Hall-Héroult permet de produire de l'aluminium à partir de Pélectrolyse de l'alumine. Durant cette electrolyse, les anodes de carbone sont consommées suivant la réaction : 2Al2O3 + 3C => 4Al + 3CO2 La consommation par electrolyse est de 333 kgC/t Al, pour un rendement Faraday de 100 %. Cependant, les données industrielles montrent que la consommation de carbone est nettement supérieure à cette valeur (approximativement de 400 à 450 kgC/t Al). Les contributions suivantes font augmenter la quantité de carbone consommé : - la réaction de l'anode avec l'air ; - la réaction de l'anode avec le CO2 émis durant l'électrolyse de l'alumine. - le poussiérage, qui est principalement causé par la différence de réactivité des différentes structures du carbone qui composent l'anode (coke et brai). Il existe peu de travaux sur la caractérisation de la partie la plus sensible l'anode, la phase liante (constituée du brai et de fines particules de coke) et sur l'interaction entre les particules de coke et la phase liante, en fonction du degré de calcination du coke. Par ailleurs, il n'y a pas de consensus dans la littérature en ce qui concerne l'effet du degré de calcination du coke sur la consommation / réactivité des anodes. Différentes procédures de calcination du coke, fabrication/cuisson des anodes de laboratoire et méthodes de détermination de la consommation des anodes sont rapportées dans la littérature. Pour permettre d'identifier la source des divergences de conclusions sur l'effet du niveau de calcination du coke sur la réactivité des anodes, les points suivants ont été investigués : - vérification de la validité de la calcination semi-industrielle; - identification de l'effet du protocole de fabrication/cuisson des anodes de laboratoire sur leur réactivité; - comparaison des méthodes de mesure de la consommation des anodes; - documentation de l'effet du niveau de calcination du coke sur le contact cokebrai et sur les oxygènes de surface. De plus, une méthode permettant de caractériser le comportement de la phase liante de l'anode en réactivité a l'air à été développée. À la lumière de ce travail, il apparaît que le mode de calcination du coke, le protocole de fabrication/cuisson des anodes de laboratoire et la méthode de mesure de consommation/réactivité choisie ont un impact sur les résultats obtenus.

Les propriétés du coke et la performance des anodes sont affectées par le niveau de calcination du coke. Une densité de coke (VBD) élevée implique une température de calcination élevée (jusqu'à la désulfuration) correspondant à une gamme de longueurs cristallines « Lc » entre 25 et 30 A. Par contre, des études antérieures ont démontré que la calcination à plus basse température (sous-calcination, Lc 20 - 25 A) permettrait de réduire le poussiérage des anodes [1,2]. D'autre part, l'évolution du marché du coke force l'industrie de l'aluminium à utiliser des cokes à teneurs plus élevées en soufre. La perte en soufre survient durant la calcination à des températures plus élevées que 1250 °C [3-7]. Des pores se forment lors de cette désulfuration produisant ainsi une diminution de la VBD. Par conséquent, le niveau de calcination du coke et le comportement lors de la désulfuration doivent être évalués. Cette étude a pour but d'évaluer l'effet du niveau de calcination et du niveau de cuisson sur la réactivité du coke de pétrole, du brai de charbon et de la pâte anodique. Ainsi des analyses thermogravimétriques ont été faites sur des échantillons de coke, de pâte et de brai. La réactivité au CO2 de ces matériaux à 963°C a été déterminée et les résultats démontrent que, dépendamment du type d'échantillon (coke, pâte ou brai), la réactivité au CO2 est reliée soit à la surface spécifique, soit à longueur cristalline ou soit à une combinaison des deux. Dans le but de comprendre la façon dont le soufre est émis lors de la désulfuration, une seconde étude a été effectuée sur du coke de pétrole calciné en laboratoire ainsi que sur des cokes verts (coke de pétrole non-calciné). Les analyses de type XPS montrent que certains liens chimiques semblent majoritairement présents lors de la calcination à de hautes températures. De plus, la désulfuration se produit lentement jusqu'à une température supérieure à 1400°C puis la réaction s'accélère. Finalement, le soufre n'est pas réparti de façon similaire entre les différents cokes verts lorsque différentes espèces chimiques du souffre sont considérées.

Atmospheric icing happens when the surfaces of exposed structures are subjected to contact with super-cooled water droplets or snow particles. Ice build-up on overhead transmission and distribution lines may lead to mechanical failure or insulator flashover, sometimes resulting in power outages with major socioeconomic consequences. The present study focused on the preparation of heterogeneous coatings (HCs) with hydro- and icephobic properties presenting a number of advantages, such as easy application, time-saving and low cost. The homo- and HCs were prepared by using different methods such as self-assembly, nanoparticles-based and Plasma-based techniques. Super-hydrophobic coatings with very low wetting hysteresis are also considered to be icephobic. However, even super-hydrophobic coatings can deteriorate during successive icing/de-icing cycles, and this can lead to ice mechanical anchoring since liquid water penetrates the porous surface. Additionally, the cost and complexity involved in the fabrication of such coatings as micro and nano roughness is created, constitute other hurdles. In this study HCs are considered as a coating including hydrocarbons and fluorocarbons, while purely hydrocarbons or fluorocarbons coatings are considered as the homogeneous coatings. It was shown by applying different functions (both C-F and C-H) the surface energy is decreased more compared to applying only one function (C-F or C-H alone). It should be noted that the water molecule orientations at the surfaces of the fluorocarbon and hydrocarbon groups were completely different. As a result, by inducing or creating various disparities (hydrocarbons and fluorocarbons) in terms of energy bonding, and water molecule orientation at the molecular level, the ice-solid interface is weakened. The wettability measurement of the HCs showed higher water contact angle (CA) values and smaller water contact angle hysteresis (CAH) values compared to homogeneous coatings. The most important consequence of HCs preparation, via different methods, was observed in low contact angle hysteresis (CAH) values. The prepared HCs by self assembled monolayers (SAMs), nanoparticles and “masked” plasma sputtering methods resulted in reducing the ice adhesion strength by factors of ~ 3, ~ 1.7 and ~ 1.3 times, respectively, compared to a polished aluminum sample. The durability of coatings was studied under accelerated aging conditions such as UV degradation, several icing/de-icing cycles and immersion in distilled water and different pH solutions. Consequently, based on results obtained it was observed that the HCs are more stable under accelerated aging conditions compared to homogeneous coatings. L’adhésion et l’accumulation de la glace atmosphérique sur une structure se produisent lorsque celle-ci entre en contact avec des gouttelettes d'eau surfondues ou des flocons de neige. Une accumulation importante de glace ou de neige collante sur les lignes de transport et de distribution de l’énergie électrique peut parfois conduire à des bris mécaniques des équipements de ces lignes ou au contournement d'isolateurs, entraînant parfois des coupures de courant ayant des conséquences socio-économiques désastreuses. Les revêtements superhydrophobes à très faible hystérésis de mouillage sont considérés comme glaciophobes. Toutefois, les revêtements superhydrophobes sont susceptibles de se dégrader à la suite de cycles de glaçage/déglaçage successifs. Ceci peut conduire à l’ancrage mécanique de la glace à la surface, causé par la pénétration et la solidification de l’eau liquide dans la surface poreuse. De plus, le coût et la complexité de la création de micro- et nano-rugosités constituent d'autres obstacles pour la fabrication de ces revêtements. Ce travail porte sur la préparation de revêtements hétérogènes avec des propriétés hydrophobes et glaciophobes qui présentent certains avantages, notamment la facilité d’application, des gains de temps et de plus faibles coûts de fabrication. Dans cette étude, les revêtements hétérogènes sont considérés comme des revêtements contenant à la fois des hydrocarbures et des fluorocarbures tandis que les revêtements, incluant une seule/ de ces substances sont considérés comme des revêtements homogènes. Les revêtements homogènes et hétérogènes ont été préparés en utilisant différentes techniques. Il a été démontré que l'application de deux couches successives d’hydrocarbures puis fluorocarbures diminue l'énergie de surface comparativement à l'application d'une seule couche hydrocarbures ou bien fluorocarbures. Il convient de noter que l’orientation de la molécule d'eau à la surface des groupes hydrocarbures et fluorocarbures est complètement différente. En conséquence, en facilitant et en créant certaines disparités impliquant les hydrocarbures et les fluorocarbures en terme de force de liaison et d’orientation des molécules d’eau, il se produit un affaiblissement de l’adhésion à l’interface glace-solide. Les propriétés hydrophobes des revêtements hétérogènes ont montré un angle de contact statique plus élevé et un angle de contact d’hystérésis plus faible comparativement à ceux observés avec des revêtements homogènes. Les revêtements hétérogènes préparés par les monocouches auto-assemblées, les nanoparticules et les méthodes de pulvérisation de plasma "masqué" ont permis de réduire la force d'adhérence de la glace sur une surface d’aluminium revêtue de ~ 3, ~ 1.7 et ~ 1.3 fois, respectivement, comparativement à un échantillon d’aluminium poli non protégé. La stabilité des revêtements a été étudiée dans des conditions de vieillissement accéléré incluant l’exposition aux UV, la succession de cycles de givrage / dégivrage ainsi que l'immersion dans l'eau distillée et dans des solutions avec différentes valeurs de pH. Il a été observé que les revêtements hétérogènes sont plus stables par rapport aux revêtements homogènes lorsqu’ils sont soumis à des conditions de vieillissement accéléré similaires.

La filtration sous haute pression des résidus miniers en suspension s’avère être une technique hautement efficace pour augmenter la siccité de ces résidus jusqu’à de très hautes fractions solides. Cette augmentation de siccité offre une opportunité aux industries de diminuer significativement la quantité de résidus devant être disposés. Dans cette optique, le présent travail est une étude expérimentale de la filtration sous haute pression de divers résidus miniers pour l’obtention de haute fraction solide. Le comportement rhéologique de la boue rouge pendant la filtration est aussi étudié. Les propriétés, telles que la limite d’élasticité en compression, la résistance spécifique massique et le taux de déposition des particules solides sous forme de gâteau, sont étudiées. En utilisant différentes procédures expérimentales, il a été démontré que la limite d’élasticité en compression de la boue rouge augmente exponentiellement et son comportement devient semblable à celui d’un solide au-delà d’une fraction solide massique d’environ 70%. La résistance spécifique massique du gâteau augmente linéairement selon sa fraction massique et le taux de déposition des particules solides atteint un plateau lorsque la pression de filtration dépasse 6000 kPa. Différents montages expérimentaux ont été fabriqués afin d’étudier la filtration sous haute pression des résidus miniers. Il est démontré qu’une filtration radiale au travers une enveloppe filtrante composée d’un empilement de disques métalliques compressés permet d’atteindre de hautes fractions solides puisque l’enveloppe peut résister à de très hautes pressions tout en assurant une bonne séparation solide-liquide. Différents paramètres sont étudiés, tels que la rugosité de surface, la mouillabilité du medium, l’épaisseur filtrante, la densité de plaques et la force de compression appliquée sur celles-ci. La rugosité de surface s’avère être la propriété qui influence le plus la perméabilité du filtre. L’acier inoxydable pulvérisé au jet de billes de verre et un acier recouvert de peinture cuite sont les principaux choix de médium filtrant pour la filtration des résidus miniers étudiés. Des modèles de filtration axiale et radiale de boue compressible et non-compressible sont présentés tout au long du présent travail. Ces modèles permettent d’étudier de la filtration des résidus de la production d’alumine, du bore, du fer, et de la digestion du charbon. Des procédures expérimentales de filtration sur presse hydraulique et avec pompe à déplacement positif permettent de filtrer sous haute pression ces divers résidus. Tous les résidus démontrent une bonne capacité de séparation solide-liquide à l’aide des méthodes employés, à l’exception du résidu de la production du bore. Dans le cas du bore, la taille des particules et la viscosité de la suspension offre une trop grande résistance pour obtenir une haute fraction solide.

Ice and wet snow accretion on outdoor structures is a severe challenge for cold climate countries. A variety of de-icing and anti-icing techniques have been developed so far to counter this problem. Passive approaches such as anti-icing or icephobic coatings that inhibit or retard ice accumulation on the surfaces are gaining in popularity. Metal corrosion should also be taken into account as metallic substrates are subject to corrosion problems when placed in humid or aggressive environments. Development of any ice-releasing coatings on aluminum structures, as they must be durable enough, is therefore closely related to anti-corrosive protection of that metal. Accordingly, series of experiments have been carried out to combine reduced ice adhesion and improved corrosion resistance on flat AA2024 substrates via thin films of single and double layer alkyl-terminated SAMs coatings. More precisely, alkyl-terminated aluminum substrates were prepared by depositing layer(s) of 18C-SAMs on BTSE-grafted AA2024 or mirror-polished AA2024 surfaces. This alloy is among the most widely used aluminum alloys in transportation systems (including aircraft), the military, etc. The stability of the coatings in an aggressive environment, their overall ice-repellent performance as well as their corrosion resistance was systematically studied. The stability of one-layer and two-layer coatings in different media was tested by means of CA measurements, demonstrating gradual loss of the hydrophobic property after ~1100-h-long immersion in water, associated by decrease in water CA. Surface corrosion was observed in all cases, except that the double-layer coating system provided improved anti-corrosive protection. All single layer coatings showed initial shear stress of ice detachment values of ~1.68 to 2 times lower than as-received aluminum surfaces and about ~1.22 to 1.5 times lower than those observed on mirror-polished surfaces. These values gradually increased after as many as 5 to 9 successive icing/de-icing cycles, implying a certain amount of decay of the coatings. The double-layer coating system initially showed shear stress of ice detachment values about ~2 times lower than as-received aluminum surfaces and ~1.5 times lower than those observed on mirror-polished aluminum surfaces as references. These values gradually increased after as many as 9 successive icing/de-icing cycles. In addition, the hydrophobic property of coated surfaces was investigated after the icing/de-icing cycle to study their stability after ice releasing, showing therein a decrease in CA values. As a result, the ice-releasing performance of coated samples was found to be time-dependent. The electrochemical studies demonstrated that the corrosion potential of samples covered by single layer hydrophobic coatings increased slightly while their corrosion current density decreased as compared to bare substrate. However, the corrosion potential of samples covered by double-layer hydrophobic coatings increased significantly, and their corrosion current density decreased by 4 orders of magnitude as compared to those on the uncoated samples. These results showed that the used under layer on AA2024 provides particularly enhanced corrosion resistance which would be an excellent approach to improve the anti-corrosive performance of metallic surfaces for outdoor application instead of current-in-use toxic chromate-based coatings. In addition, the electrochemical impedance spectroscopy survey showed a higher phase angle and thus a lower ionic permeation for the double layer coating system, leading to a better insulating property of that coating. These evidences confirm that the BTSE/18C-SAMs behaves close to an ideal capacitor compared to 18C-SAMs alone, as a leaky capacitor. On the other hand, based on results obtained from total impedance vs. frequency, the impedance values are higher for double layer coating compared to single coating, indicating thereby a more packed film with fewer defects. Finally, this research work revealed the feasibility of preparing coatings combining reduced adhesion of ice to aluminum surfaces and protection against corrosion. L’accumulation de glace et de neige mouillée sur les structures est un problème important pour les pays à climat froid. Pour contrer ce problème, différentes techniques de dégivrage et d'antigivrage ont été développées. De nouvelles méthodes, plus efficaces, consistant en la création de revêtements antigivre ou glaciophobes pour inhiber ou retarder l'accumulation de glace gagnent en popularité. La corrosion des surfaces métalliques devrait également être prise en compte parce que les substrats métalliques sont soumis à un environnement humide et agressif. Le développement de tout revêtement glaciophobe sur des surfaces d’aluminium est donc étroitement lié à la protection anticorrosive du métal. En conséquence, une série d’expériences a été menée dans le but de réduire l’adhésion de la glace et d’améliorer la résistance à la corrosion des substrats plats d’alliage AA2024 par l’utilisation des revêtements minces SAMs terminés en alkyle disposés en une couche ou une double-couche. Plus précisément, ces revêtements terminés en alkyle ont été préparés par dépôt de couche(s) de 18C-SAMs sur un film BTSE greffé à l’alliage AA2024 ou sur une surface polie miroir de ce dernier. Cet alliage est parmi les alliages d’aluminium les plus largement utilisés dans les systèmes de transport, y compris les aéronefs, dans l'industrie de l'énergie électrique, etc. La stabilité des revêtements dans des environnements agressifs, leur performance glaciophobe ainsi que leur influence sur la résistance à la corrosion de l’aluminium ont été systématiquement étudiées. La stabilité des revêtements en une ou deux couches dans différents milieu a été testée au moyen de mesures d’angle de contact (AC), ce qui a permis de démontrer une perte progressive de la propriété hydrophobe après 1100 h d’immersion dans l'eau, associée à la diminution de AC. Une corrosion de la surface a été observée dans tous les cas, sauf que le système de revêtement à double couche a permis d'améliorer la protection contre la corrosion. Tous les revêtements à couche unique ont démontré initialement une valeur de cisaillement de détachement de glace environ 1,68 à 2 fois plus faible que les surfaces d’aluminium telles que reçue et environ 1,22 à 1,5 fois plus faible que celle observée sur des surfaces polies miroir. Ces valeurs ont progressivement augmenté après 5 à 9 cycles successifs de givrage/dégivrage démontrant une certaine dégradation des revêtements. Le système de revêtement à double couche a initialement démontré une valeur de détachement en cisaillement de la glace environ 2 fois plus faible que les surfaces d’aluminium telles que reçues et environ 1,5 fois inférieure à celle observée sur les surfaces polies miroir de l’aluminium comme référence. Ces valeurs ont augmenté progressivement après neuf cycles successifs de givrage/dégivrage. En outre, la propriété hydrophobe des surfaces revêtues a été étudiée après chaque cycle de givrage/dégivrage pour évaluer leur stabilité après la libération de la glace, ce qui a montré une diminution des valeurs d’AC. Par conséquent, la performance de libération de glace des échantillons revêtus s’est révélée être dépendante du temps écoulé. Les études électrochimiques ont montré que le potentiel de corrosion des échantillons avec une couche de revêtement hydrophobe augmente légèrement tandis que leur densité de courant de corrosion diminue par rapport au substrat non protégé. Cependant, le potentiel de corrosion des revêtements hydrophobes à double couche a augmenté de manière significative et leur densité de courant de corrosion a diminué de quatre ordres de grandeur par rapport à celle des échantillons non revêtus. Ces résultats ont montré que la sous-couche utilisée sur l’AA2024 fournit notamment une résistance supérieure à la corrosion qui serait une meilleure approche pour améliorer les performances anticorrosives des surfaces métalliques pour des applications extérieures que celle des revêtements toxiques à base de chromate en utilisation courante. La spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) a permis de mesurer des angles de phase élevés démontrant une perméation ionique inférieure pour le système de revêtement à double couche, ce qui conduit à de meilleures propriétés isolantes. Ces observations confirment que le revêtement à double couche BTSE/18C-SAMs se comporte presque comme un condensateur idéal par rapport au revêtement simple 18C-SAMs qui se comporte comme un condensateur qui fuit. D'autre part, considérant les résultats obtenus pour l’impédance totale en fonction de la fréquence, l’impédance s’est avérée plus élevée pour le double revêtement que pour le revêtement simple, indiquant un film plus étanche avec moins de défauts. En conclusion, ce travail de recherche a montré qu’il était possible de développer des revêtements combinant à la fois une adhérence réduite de la glace et une protection contre la corrosion pour des surfaces d’aluminium.

The primary production of aluminum is done by means of the Hall-Heroult process where large amounts of carbon anodes are required and consumed. The quality of carbon anodes used in electrolysis is one of the most important parameters affecting the production of primary aluminum. The anode quality widely depends on the raw materials, one of which is the petroleum coke. Green petroleum coke is produced from the heavy residual fractions of petroleum. Petroleum cokes produced from sour crude oil sources contain high quantity of sulfur. A certain level of sulfur is needed to reduce the anode reactivities; however, the demand for anode-grade coke with acceptable sulfur content is increasing faster than the available supply. High sulfur levels in carbon anodes would have an adverse effect on environment; hence, the desulfurization of high sulfur green petroleum cokes is necessary. There are different ways of desulfurizing green petroleum cokes: solvent extraction, thermal desulfurization, and hydrodesulfurization. Coke produced by solvent extraction is prone to contamination. The thermal approach requires greater energy consumption and causes an increase in coke porosity. The global objective of this master project is to find an alternative solution for desulfurization that will produce quality calcined coke with minimum impact on environment. Hydrodesulfurization seems to be a viable option and was investigated in this study. Water was used for the hydrodesulfurization of commercially available high sulfur green petroleum coke. Different experimental systems were tried during the hydrodesulfurization experiments. A systematic approach was used to investigate the influence of hydrodesulfurization parameters including water injection temperature, duration, and water flow rate as well as coke particle size on the hydrodesulfurization of green petroleum coke. In addition to hydrodesulfurization, a number of thermal desulfurization experiments were carried out with the same green petroleum coke in this study. Sulfur removal as well as weight loss results which were obtained from the two methods were compared. The petroleum coke sulfur content as well as its structure were characterized using C-S analysis equipment, SEM-EDX, XPS, FT-IR, XRD, and helium pycnometer prior to the experiments. Hydrodesulfurized cokes which gave maximum sulfur removal were compared with thermally desulfurized cokes in terms of the degree of desulfurization and coke structure by using the above characterization techniques. This study has indicated that different parameters affect the rate of desulfurization to different extents. Maximum sulfur removal was obtained when the water was injected to coke surface at 1 ml/min flow rate for 60 min at 650°C and 850°C resulting in the removal of 22.87% and 22.60% sulfur, respectively. Weight loss percentages were 26.07% and 24.34%, respectively, under these conditions. Hydrodesulfurization involves the loss of a small quantity of carbon due to gasification of coke by water. The characterization of hydrodesulfurized coke with the highest desulfurization rate showed similar structure with its counterpart which was thermally desulfurized to the same maximum temperature. This result, thus, reveals that the hydrodesulfurization does not create a more porous calcined coke compared to that of thermal desulfurization. Therefore, it seems to be a promising method to produce anode-grade calcined coke with lower sulfur content and suitable structure for carbon anode production. La production de l'aluminium primaire se fait par le procédé Hall-Héroult où une grande quantité d'anodes de carbone est consommée. La qualité des anodes en carbone utilisées dans les cuves d’électrolyse est l'un des paramètres les plus importants qui affectent la production de l'aluminium primaire. Cela dépend largement des matières premières qui constituent les anodes, dont l'un est le coke de pétrole. Le coke de pétrole est produit à partir des fractions résiduelles lourdes de pétrole. Le coke de pétrole produit à partir de sources de pétrole brut acides contient une haute teneur en soufre. Un certain niveau de soufre est nécessaire pour réduire les réactivités des anodes; cependant, la demande de coke de qualité à teneur acceptable en soufre pour la production des anodes augmente plus vite que l'offre disponible. Des niveaux élevés de soufre dans les anodes de carbone ont un effet négatif sur l'environnement; par conséquent, la désulfuration des cokes de pétrole à haute teneur en soufre est nécessaire. Il y a différentes façons de désulfurer le coke de pétrole : l'extraction par des solvants chimiques, la désulfuration thermique et l’hydrodésulfuration. Le coke désulfuré par extraction à l’aide de solvants est sujet à la contamination par d’autres produits chimique. L'approche thermique exige une plus grande consommation d'énergie et provoque une augmentation de la porosité de coke. L'objectif global de ce projet de maitrise est de trouver une solution alternative pour la désulfuration qui permet de produire un coke de pétrole calciné de qualité impliquant un minimum d'impact sur l'environnement. L’hydrodésulfuration semble être une option viable et a été étudiée dans ce projet. L'eau a été utilisée pour l’hydrodésulfuration du coke de pétrole à haute teneur en soufre disponible dans l’industrie. Différents montages expérimentaux ont été utilisés au cours des expériences de l’hydrodésulfurisation. Dans ce travail de recherche, une approche systématique a été utilisée pour étudier l'influence des paramètres tels que la température d'injection de l'eau, la durée et le débit de l'eau ainsi que la taille des particules de coke sur l’hydrodésulfuration de coke de pétrole. En plus de l'hydrodésulfuration, la désulfuration thermique du coke de pétrole vert a été faite dans le cadre de la présente étude. L'élimination du soufre ainsi que les résultats de perte de masse qui ont été obtenus à partir de ces deux méthodes ont été comparés. La teneur en soufre du coke de pétrole vert ainsi que la structure a été caractérisée par équipement d'analyse C-S, SEM-EDX, XPS, FT-IR, XRD et le pycnomètre à l'hélium avant les expériences. Les résultats obtenus pour le coke hydrodésulfurisé qui a montré la meilleure élimination de soufre ont été comparés avec les échantillons de coke désulfurisés thermiquement en termes de degré de désulfurisation et de la structure de coke en utilisant les techniques de caractérisation mentionnées précédemment. Cette étude a indiqué que les paramètres ont divers impactes sur le taux de désulfurisation. Des taux d’élimination maximale de soufre de 22.87% et 22.60% ont été obtenus lorsque l'eau a été injectée avec un débit de 1 ml/min pendant 60 min à des températures de 650°C et 850°C, respectivement. Les pourcentages de perte de masse dans ces conditions étaient de 26.07% et 24.34%, respectivement, ce qui montre une petite quantité de perte de carbone due à la gazéification du coke par l'eau. La caractérisation de coke hydrodésulfurisé avec le taux d’élimination de soufre le plus élevée montre une structure similaire à son homologue qui a été thermiquement désulfurisé à la même température maximale. Ce résultat révèle donc que l’hydrodésulfurisation ne crée pas un coke calciné plus poreux que celui de la désulfuration thermique. Donc, il semble une méthode prometteuse pour produire un coke calciné de qualité à teneur basse en soufre et garder une structure appropriée pour la production d'anodes en carbone.

Carbon anodes, which are used in electrolytic cells to produce aluminum, are made of petroleum coke, rejected anodes, and butts (dry aggregate) and coal tar pitch (binder). Increasing anode quality helps decrease energy consumption, production cost as well as greenhouse gas emissions. Good binding between dry aggregate and pitch results in dense anodes, and thereby affects the final anode properties. Pitches may have significant differences in their chemical composition and physical properties depending on their origins. This, in turn, determines their behavior during pyrolysis (baking) and the characteristics of baked anodes. One objective of this work is to study the correlation between the wettability of a given coke by various pitches with different QI (quinoline insolubles) contents and the properties of anodes made with these pitches. The results show that the chemical and physical properties of pitches influence the wettability of coke by pitch. The wettability of pitch-coke system increases with increasing O, N, and S contents in pitch. The presence of COOH and amine groups in pitch might result in an interaction in the pitch mixtures making them less wetting with coke. The QI particle size and its distribution in pitch play a significant role on the wettability of coke by pitch. The size distribution of coke particles seems to have a strong influence on the penetration of pitch into the coke. The results also showed that the softening point of pitch has an influence on the wetting characteristics of pitch. This study involved the investigation of a number of pitches and anodes made from them. These anodes were produced in the laboratory using an anode recipe similar to that used by industry. The properties of the laboratory anodes (density, air/CO2 reactivity, and electrical resistivity) as well as some of the production parameters (pitch type, pitch content, and anode production conditions such as vibro-compaction time, mixing temperature, and pitch and/or coke preheating temperature) were investigated. Moreover, differences in texture and topography of different pitches and pitch percentage as well as the interface between pitch and aggregate particles in green and baked anodes were studied. Different structures of binder pitches used during the fabrication of green anodes affect the wetting behaviour and the formation of carbonized pitch during the anode baking process. The objective of the project was to investigate the effect of pitch properties on anode properties. Based on the above analyses, the anode properties were correlated with the pitch properties. These results were complemented by the analyses of available industrial data. In addition, the kinetic parameters of the volatile gas components (hydrogen, methane, condensable gas) released during the baking of the laboratory anodes made with different types of pitches and pitch percentages were determined. The quantity and the temperature (and time via heating rate) range over which the volatile gas components were released were found and their kinetic expressions were calculated. Such information helps understand the effect of pitch on anode properties, and this could be effectively used in controlling the volatile combustion to improve energy use in baking furnaces. Les anodes en carbone, qui sont utilisées dans le procédé électrolytique pour produire l'aluminium, sont fabriquées de coke de pétrole, des anodes rejetées et des mégots (agrégat sec) et de brai de houille (liant). L'amélioration de la qualité de l'anode permet de diminuer la consommation d'énergie, les coûts de production, ainsi que les émissions des gaz à effet de serre (GES). Une bonne liaison entre les particules de l’agrégat sec et des brais mène aux anodes denses et affecte ainsi les propriétés d'anode cuite. Les brais peuvent varier considérablement chimiquement et physiquement en fonction de leurs origines. Ceci, à son tour, détermine leur comportement durant la pyrolyse (cuisson) et les caractéristiques des anodes cuites. Un des objectifs de ce travail est d'étudier la corrélation entre la mouillabilité d'un coke produit en utilisant divers brais avec différentes quantités d'IQ (insolubles de quinoline) et les propriétés des anodes produites avec ce brai. Les résultats montrent que les propriétés chimiques et physiques des brais influencent la mouillabilité du coke par le brai. La mouillabilité augmente avec la quantité de l’oxygène, de l’azote, et la teneur en soufre du brai. La présence des groupes COOH et NR3 peut résulter en une interaction dans les mélanges des brais qui les rendent moins mouillants. La taille des particules d’IQ et sa distribution dans le brai jouent un rôle important sur la mouillabilité du coke par le brai. Aussi, la distribution de la taille des particules de coke semble avoir une forte influence sur la pénétration du brai à travers le lit de coke. Les résultats ont également confirmé que le point de ramollissement du brai a une influence sur les caractéristiques de mouillage du brai. Cette étude implique un certain nombre des brais et des anodes fabriquées à partir de ces derniers. Les anodes ont été produites dans le laboratoire en utilisant une recette d'anode similaire à celle utilisée par l'industrie. Les propriétés des anodes de laboratoire (la densité, la réactivité à l’air/au CO2 et la résistivité électrique) ainsi que certains des paramètres de production d'anode (le type de brai, le contenu de brai, les conditions de formage des anodes) ont été étudiés. En outre, les différences dans la texture et la topographie des différents brais et leur pourcentage dans des anodes ainsi que l'interface entre le brai et les particules de l’agrégat sec dans les anodes crues et cuites ont été étudiés. Les différentes structures des brais utilisés pour fabriquer des anodes crues affectent le comportement de mouillage et la cokéfaction du brai au cours de la cuisson des anodes. Les propriétés de l'anode sont corrélées avec les propriétés du brai. De plus, les paramètres cinétiques des volatiles (hydrogène, méthane, goudron) libérés pendant la cuisson des anodes au laboratoire ont été déterminés avec les différents types des brais. La quantité et l'intervalle de températures des volatiles libérés pendant la cuisson ont été déterminées et leurs expressions cinétiques ont été établies. Ces informations pourraient aider à comprendre l'effet des propriétés du brai sur les propriétés d'anode, et cela pourrait être utilisé effectivement dans le contrôle de la combustion des volatiles afin d’améliorer la consommation énergétique dans le four de cuisson.

Les lignes aériennes de transport et de distribution de l’énergie électrique sont souvent exposées à diverses contraintes. Parmi celles-ci, la pollution des isolateurs constitue l’un des facteurs de première importance dans la fiabilité du transport d’énergie. En effet, la présence de pollution sur les isolateurs lorsqu’elle est humidifiée entraîne la diminution de leur performance électrique en favorisant l’apparition d’arcs de contournement. De telles pannes peuvent parfois causer des impacts socioéconomiques importants. Par ailleurs, le développement de nouveaux revêtements pour ces isolateurs peut s’avérer un moyen efficace pour les protéger contre l’apparition de l’arc de contournement. Les revêtements superhydrophobes ont fait l’objet de nombreuses études au cours de ces dernières années. Ces surfaces sont préparées en combinant une rugosité nano-microstructurée avec une faible énergie de surface. En outre, de telles surfaces ont de nombreuses applications si elles sont durables et n’ont pas d’effets nocifs sur l’environnement. L’objectif principal de la présente étude vise d’abord l’élaboration de revêtements superhydrophobes, puis l’étude de leur durée de vie, leurs propriétés diélectriques et photocatalytiques. Une grande variété de matériaux à faible énergie de surface peuvent être utilisés pour le développement de ces revêtements. Dans cette recherche, le caoutchouc de silicone (CS) est employé car il présente de nombreuses propriétés, notamment une forte hydrophobie, une résistance aux rayonnements ultraviolets, et une bonne tenue au feu sans dégagement de produits toxiques. Toutefois, le point faible de ces matériaux est la dégradation de leurs propriétés hydrophobes. Afin d’améliorer certaines propriétés du caoutchouc de silicone, des nanoparticules seront additionnées au polymère de base. La technique d’élaboration des revêtements consiste à ajouter des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) au polymère de base, par des méthodes ayant un potentiel d’applications industrielles. Les paramètres d’élaboration ont été optimisés afin d'obtenir des revêtements stables présentant des angles de contact élevés avec des gouttelettes d’eau et de faibles hystérésis. Après avoir obtenu des surfaces superhydrophobes, des tests de stabilité ont été effectués dans des conditions de vieillissement accéléré tels que l'immersion dans des solutions aqueuses avec différents pH et conductivités ou la dégradation par rayonnement UV. Les résultats obtenus ont montré que l'ajout de nanoparticules de dioxyde de titane au caoutchouc de silicone permet d’améliorer l’hydrophobie et la stabilité de ce polymère. Les revêtements superhydrophobes obtenus ont pu maintenir leur superhydrophobicité après plusieurs jours d’immersion dans différentes solutions aqueuses. Ils présentent aussi une bonne stabilité lorsqu’ils sont exposés aux rayons UV ainsi qu’une stabilité mécanique. De plus, on a pu développer des revêtements nanocomposites et microcomposites avec de bonnes propriétés diélectriques. L'étude des propriétés photocatalytiques des revêtements superhydrophobes ont montré que l’adsorption des molécules réactives (polluants) sur la surface du catalyseur (TiO2) est le paramètre clé de l’activité photocatalytique. L’augmentation de la concentration de TiO2 conduit à une diminution de la concentration du polluant et par conséquent à un excellent rendement photocatalytique. Overhead power transmission lines are often exposed to various environmental conditions. Pollutants accumulating on insulators is one of the most important factors that must be considered when properly assessing an electrical network’s reliability. Humidified pollution on the surface of insulators can affect electrical performance and facilitate the occurrence of external flashovers. These power network breakdowns can have serious socio-economic impacts. An effective way to protect such surfaces against flashovers is to coat insulator surfaces with protective coatings. Superhydrophobic coatings have gained much interest in the past few decades due to their wide range of possible applications. These surfaces combine nano-microstructured roughness with low energy surfaces. Such surfaces have an even greater number of potential applications if they are durable and environmentally friendly. The primary objective of this study is the development of a superhydrophobic coating for protecting overhead insulators. These coatings are studied with regards to their expected service or useful life expectancy as well as their dielectric and photocatalytic properties. A wide variety of low surface energy materials may be used for developing these coatings. In this project, silicon rubber (SR) is used as it has unique properties, namely high water repellency, resistance to ultraviolet (UV) radiation, and good fire resistance without the emission of toxic products. However, SR loses its hydrophobic behavior over time. To improve the hydrophobicity of SR, titanium dioxide (TiO2) nanoparticles are added on the base polymer through a relatively simple process that can be utilized within an industrial setting. The deposition parameters are optimized to obtain mechanically stable coatings having high contact angles and low hysteresis. Surface stability is assessed through various accelerated aging experiments such as submerging surfaces in aqueous solutions that have varying pH and conductivity, as well as exposing surfaces to UV and mechanical impacts. The results show that the addition of TiO2 nanoparticles improves the hydrophobicity and mechanical stability of SR. The obtained superhydrophobic coatings sustain their superhydrophobicity after several days of immersion in the various aqueous solutions and also exhibit good stability against UV radiation and mechanical impact. The methods presented in this study allow for the development of nanocomposite and microcomposite coatings having good dielectric properties. An assessment of the photocatalytic properties of these superhydrophobic coatings shows that the adsorption of reactive molecules (pollutants) on the catalyst surface (TiO2) is a key parameter affecting photocatalytic activity. Increased TiO2 concentrations lead to decreased concentrations of pollutants on the surfaces and thereby improves the photocatalytic properties of the coatings.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objet l'étude expérimentale de la cinétique de dissolution de l'alumine. Depuis plus de cent ans, le procédé Hall-Héroult est utilisé pour produire de l’aluminium et est, à ce jour, le seul procédé utilisé à l’échelle industrielle. Le procédé consiste à faire l'électrolyse d’alumine granulaire dissoute dans un bain à base de cryolite fondue. Deux des étapes cruciales du procédé industriel sont l’injection et la dissolution de l’alumine dans le mélange électrolytique à base de cryolithe. L’étude des mécanismes de l’injection et de la dissolution de l’alumine est un sujet qui a été largement traité par les scientifiques depuis les cinquante dernières années. Les conditions d’opérations extrêmes d’une cuve de production d’aluminium ont obligé les scientifiques à développer des montages expérimentaux pour étudier le mécanisme de la dissolution de l’alumine. Cependant, les montages expérimentaux réalisés par les chercheurs n’offrent pas une représentativité du procédé industriel suffisante pour pouvoir accorder une confiance complète aux résultats obtenus. La compréhension du mécanisme de la dissolution de l’alumine dans une cuve industrielle est donc incomplète, malgré le fait qu’il s’agisse d’une des étapes critiques de la production de l’aluminium. Le projet RDCell est réalisé par le Groupe de recherche en ingénierie des procédés et systèmes (GRIPS) de l’Université du Québec à Chicoutimi en partenariat avec RioTintoAlcan et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG). Le projet a notamment comme objectif d’améliorer les connaissances fondamentales de la dissolution de l’alumine dans une cuve d’électrolyse Hall-Héroult en utilisant des méthodes expérimentales. Afin de se démarquer des autres recherches publiées sur le sujet et d’augmenter considérablement la représentativité des conditions d’opérations d’une cuve de production d’aluminium industrielle, le montage expérimental conçu et utilisé durant le projet possède des dimensions considérablement plus grandes que tout ce qui a déjà été fait auparavant dans le monde. En plus du montage expérimental unique, différentes méthodes d’analyse du mécanisme de dissolution de l’alumine ont été développées. Trois types de techniques ont été conçus et utilisés pour étudier le phénomène : l’échantillonnage du bain, les techniques électroanalytiques et les techniques de visualisation. Depuis le début du projet, de nombreuses campagnes de prises de mesures expérimentales ont été effectuées et les résultats obtenus ont permis d’améliorer les connaissances fondamentales de la dissolution de l’alumine dans une cuve d’électrolyse Hall-Héroult. L’introduction du sujet, la description de la problématique, la description de la méthodologie utilisée ainsi que la description, la présentation et l’analyse des résultats obtenus avec les trois types de techniques de mesure sont présentées dans ce mémoire de maîtrise.

Les milieux côtiers et estuariens sont aujourd’hui particulièrement impactés par les activités anthropiques qui se traduisent par des stress multiples s’exerçant sur les populations aquatiques (stress chimique, thermique, hypoxique,…). La présence de cocktails de polluants complexes dans les eaux peut avoir des conséquences non seulement sur les écosystèmes aquatiques, mais également sur les populations humaines situées au sommet de la chaîne trophique. Au cours de ce travail de thèse, deux études ont été menées parallèlement en France et au Québec, sur deux poissons considérés comme des espèces sentinelles en milieux estuariens, respectivement le flet (Platichthys flesus) et le poulamon (Microgadus tomcod). Une batterie de biomarqueurs a été mise en œuvre, en considérant différents niveaux d’organisation biologique, c’est-à-dire en analysant les réponses au stress chimique du niveau moléculaire au niveau individuel (expression de gènes, activité de détoxification, fonctionnement du système immunitaire, métabolisme énergétique, indices de condition). L’objectif principal de cette étude était de rechercher les biomarqueurs les plus pertinents pour évaluer la qualité des écosystèmes estuariens, en prenant en compte les spécificités des milieux contaminés et des espèces sentinelles.Dans un premier temps, la réponse du flet a été explorée en conditions contrôlées, après une contamination de 29 jours avec un cocktail de HAPs et PCBs à des doses environnementales, suivie de 14 jours de récupération. Le cocktail de polluants, administré par l’alimentation, affecte le système immunitaire et induit des processus de détoxification et des dommages à l’ADN. L’augmentation de l’expression du composant C3 du complément et du TNF-receptor suggère que les polluants provoquent une réponse inflammatoire au niveau du foie. La mesure du lysozyme apparait comme l’un des marqueurs les plus sensibles du système immunitaire face aux contaminants. Enfin, cette étude met en évidence une corrélation entre l’expression du gène Cytochrome P450 1A1 et les dommages à l’ADN.Ces marqueurs ont été dans un second temps mis en œuvre dans l’analyse des réponses de populations naturelles de flet puis de poulamon à la contamination chimique. Il apparait dans ces deux études que la réponse du système immunitaire est complexe, certaines fonctions étant inhibées (capacité de phagocytose) alors que d’autres sont activées en présence de polluants (expression du C3 et du TNF-R, prolifération lymphocytaire). De plus, l’approche multiparamètres confirme que certains marqueurs testés en laboratoire peuvent être également pertinents pour diagnostiquer la qualité des milieux estuariens. Les études réalisées sur les populations de flet et de poulamon montrent un différentiel entre sites contaminées versus sites témoins, au niveau de plusieurs biomarqueurs (métabolisme énergétique, activités de détoxification, réponses immunitaires, indices de condition), selon les sites échantillonnés et l’âge des poissons (cohortes 0+ ou 1+). / Coastal and estuarine environments are mainly impacted by anthropogenic activities that lead to several stress (chemical and/or thermal stress, hypoxia…). Presence of complex mixtures of contaminants could create serious damages in aquatic ecosystems and also in human populations.During this work, two studies were carried out in France and Québec, on two species: the European flounder (Platichthys flesus) and the Atlantic tomcod (Microgadus tomcod), these fishes being considered as sentinel species of the water estuarine quality. A multi-parameter approach was conducted considering the fish responses to the chemical stress, from molecular to individual levels (gene expression, detoxification process, functioning of the immune system, energetic metabolism and condition index). The main objective of this study was to identify the more pertinent biomarkers to evaluate the estuarine water quality.Firstly, the flounder responses were studied in controlled conditions after 29 days of contamination with environmentally relevant concentrations of PAHs and PCBs in food, followed by a 14 days recovery period. The contaminated diet impacted the immune system and showed an increase of the detoxification process and of the DNA damages. Up-regulation of the complement C3 and TNF-receptor gene expressions could be explain by an inflammatory response in liver. The lysozyme level was also impacted and appeared to be the more sensitive immune parameter to the chemical stress. This study underlined a significant correlation between the Cytochrome P450 1A1 expression level and the DNA damage.Secondly, the previous markers were explored on the flounder and the tomcod, considering the fish population responses to contaminants in the field. These two studies underlined the complexity of the immune responses to contamination, some functions being inhibited (capacity of phagocytosis) whereas others being enhanced (expression of C3 and TNF-R, proliferation of lymphocytes). Moreover, this multiparameter approach confirmed the pertinence of several markers in experimental conditions as in the field. This study carried out on flounder and tomcod populations showed differential responses of populations in contaminated vs in pristine sites (particularly considering: energetic metabolism, detoxification process, immune response and condition index), linked to fish aging (0+ vs 1+ cohorts).