Les composés à réseau moléculaire organo-métalliques (MOFs) ont émergé comme de nouvelles classes de matériaux hybrides organo-inorganiques avec des potentialités significatives en séparation, stockage de gaz, catalyse et support de médicaments. Ces matériaux sont formés par un processus d’assemblage dans lequel les ions métalliques sont liés entre eux via un ligand organique, ce qui génère une surface de l’ordre de 6500 m2g−1 et des volumes de pores supérieurs à 4.3 cm3g−1. Dans cette thèse trois différentes approches ont été développées pour la synthèse des nanocristaux MOFs à deux modes micro-mésoporeux, ainsi que des nanocristaux MOFs à taille et forme contrôlable. En plus, ces nanocristaux MOFs ont été utilisé comme un agent structurant pour la synthèse de nanocomposite hybride platine-oxyde de titane (metal-oxide-TiO2-PtOx) qui ont été utilisé comme photocatalyseurs pour la production d’hydrogène à partir de l’eau sous la lumière visible. Dans ce travail: (i) La première approche implique une méthode utilisant un surfactant, suivi de traitement solvo-thermale en présence d’acide acétique pour former des nanocristaux MOFs micro-mésoporeux. L’utilisation de surfactant non-ionique tell que F127 (EO97PO69EO97) pour induire une structure mésoporeuse provoque labilité de la cristallisation du mur des pores de la structure MOF. Tandis que la présence de l’acide acétique contrôle la vitesse de cristallisation du réseau MOFs pour former une mésostructure bien définie à l’intérieur des nanocristaux MOFs. En utilisant cette approche des nanocristaux de [Cu3(BTC)2] et [Cu2(HBTB)2] de structure mésoporeuse avec des diamètres de pores autour de 4.0 nm et des micropores intrinsèques ont été synthétisés. (ii) La méthodologie de modulation de la coordination a été développée pour contrôler la forme et la taille des nanocristaux MOFs. Des nanocubes et nanofeuilles de [Cu2(ndc)2(dabco)]n de la structure MOFs ont été synthétisés en utilisant simultanément l’acide acétique et la pyridine ou la pyridine uniquement, respectivement comme modulateurs sélectifs. Ces nanocristaux MOFs possèdent une cristallinité élevée et une grande capacité d’adsorption. La morphologie a été aussi étudiée en fonction de la capacité d’adsorption de CO2. (iii) La synthèse hydrothermale en contrôlant la taille de nanocristaux de carboxylates de structure MOFs, en utilisant simultanément des réactifs stabilisants et des réactifs contrôlant la déprotonation a été démontrée. Dans le cas de Fe-MIL-88B-NH2, la molécule triblock copolymer a été utilisée comme un réactif stabilisant en coordonnant avec le métal et contrôlant la croissance en formant des nanocristaux. L’acide acétique joue le rôle comme un agent déprotonant des liants carboxyliques en variant sa concentration dans le milieu réactionnel, ainsi il régule la vitesse de nucléation, conduisant à aussi contrôler la taille ainsi que le rapport longueur/largeur des nanocristaux. (iv) Finalement, des nanocomposites hybrides Fe2O3-TiO2-PtOx de forme creuse possédant l’activité photocatalytique performante ont été développés en utilisant des nanocristaux Fe-MIL-88B composés de centres Fe3(μ3-O) liés par coordination insaturée comme template solide. Ce type de nanocomposites non seulement absorbe la lumière visible mais aussi améliore la séparation des électrons et des trous photo-générés, due à l’épaisseur de paroi mince et les deux co-catalyseurs (Fe2O3 and PtOx) localisés sur deux opposites surfaces du creux. En conséquence, l'efficacité en photocatalyse de ce type de nanocomposites est élevée pour la production d'H2 à partir de l'eau sous la lumière visible. / Metal-organic frameworks (MOFs) have emerged as an important new class of porous inorganic-organic hybrid solids with the potential for a significant impact on separation, gas storage, catalysis and biomedicine. These materials are formed by assembly process in which metal ions are linked together by rigid organic ligands, which creates enormous surface areas (up to 6500 m2g−1) and high pore volumes (up to 4.3 cm3g−1). In this thesis, three different synthetic approaches have been developed to achieve bimodal micro/mesoporous MOF nanocrystals as well as nanosized MOFs with controlled size and shape. In addition, using the synthesized MOF nanocrystals as templates, a new hollow hybrid metal-oxide-TiO2-PtOx nanocomposite has also been prepared, and used as the visible-light driven photocatalyst for the hydrogen production from water. In this work, (i) the first approach involves nonionic surfactant-templated solvothermal synthesis in the presence of acetic acid toward hierarchically micro-mesoporous MOF nanocrystals. The use of a nonionic surfactant such as F127 (EO97PO69EO97) as mesostructure template induces the ability to crystallize a MOF structure of pore wall, while the presence of acetic acid allows control of the crystallization rate of the framework to form well-defined mesostructures within the crystalline MOF nanocrystals. Using this approach, [Cu3(BTC)2] and [Cu2(HBTB)2]-based MOF nanocrystals containing mesopores with diameter around 4.0 nm and intrinsic micropores have been successfully synthesized. (ii) Secondly, the coordination modulation methodology has been developed to control shape and size of MOF crystals at the nanoscale. Nanocubes and nanosheets of [Cu2(ndc)2(dabco)]n MOF have been rationally synthesized by using simultaneously acetic acid and pyridine or only pyridine, respectively, as selective modulators. These MOF nanocrystals exhibit high crystallinity and high CO2 sorption capacity. Their morphology-dependent CO2 sorption property has also been demonstrated. (iii) Thirdly, the size-controlled hydrothermal synthesis of uniform carboxylate-based MOF nanocrystals using simultaneously stabilizing reagent and deprotonation-controlled reagent has been demonstrated. In case of Fe-MIL-88B-NH2, the molecular triblock copolymers as stabilizing reagents coordinate with the metal ions and thus stabilize nuclei, which suppress the crystal growth to form nanocrystals. Acetic acid as deprotonation-controlled reagent adjusts the deprotonation of the carboxylic linker via varying its concentration in the reaction mixture, and thus regulates the rate of nucleation, leading to tailoring the size and aspect ratio (length/width) of the nanocrystals. (iv) Finally, a new hollow hybrid metal-oxide-TiO2-PtOx nanocomposite as an efficient photocatalyst has been developed by using iron-based MIL-88B nanocrystals consisting of coordinatively unsaturated Fe3(μ3-O) clusters as template. The hollow nanocomposite not only absorbs visible light, but also enhances the separation between photogenerated electrons and holes because of its thin wall and the surface separation of two distinct functional cocatalysts (Fe2O3 and PtOx) on two different surface sides of the hollow. As a result, the efficient photoactivity of the nanocomposite photocatalysts has been found for the H2 production from water under visible light irradiation.

L'extraction et le traitement des combustibles fossiles off-shore s’intéressent aux problèmes liés aux écoulements multiphasiques inclinés. Dans ce projet, les effets de l'inclinaison du lit sur le comportement hydrodynamique des phases gaz et liquide écoulant à cocourant ascendant, ont été étudiés expérimentalement. La technique de la tomographie à capacitance électrique (ECT) a été mise en place pour observer les comportements locaux de la distribution axiale de la rétention en liquide. À l’aide de l’ECT, les coupes transversales de la saturation moyenne de liquide, les pertes de charge globale à travers le lit et la ségrégation gaz-liquide ont été mesurées ainsi que l'effet des conditions d'exploitation sur le profil axial de saturation de liquide. Les résultats indiquent que l'inclinaison du lit crée un court-circuit pour la phase gaz le long de la paroi supérieure où il peut s'écouler d'une manière séparée. Mots-clés: Hydrodynamique; colonne inclinée; saturation de liquide; tomographie à capacitance électrique (ECT).

L'objet de ce travail est de produire et de caractériser des composites à base de polyéthylène de très haut poids moléculaire (UHMWPE) et de fibres de bois. Tout d'abord, la préparation des échantillons renforcés avec de la poudre de bois provenant de sciure de bois obtenue d’une scierie s'est faite. Ce projet souligne l'utilisation des matières premières sous forme de poudre. Les échantillons sont préparés avec la technique du mélange à sec, avec un simple mélangeur, ensuite moulés par compression. Des teneurs en bois allant jusqu'à 30% en poids ont été employées à cette fin. L'étude de l'effet de la concentration de bois sur la morphologie, la densité, la dureté et sur les propriétés mécaniques (flexion, torsion et traction) est le moteur de cette recherche. On démontre que l'ajout de la farine de bois a augmenté significativement les modules (jusqu'à 97%). On montre aussi que l’adhésion et la dispersion des fibres de bois au sein de la matrice étaient bonnes et que l'ajout du bois améliore considérablement les caractéristiques mécaniques de ces composites. / The aim of this study was to produce and characterize composites made from wood flour and Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). Firstly, the composites were initially prepared with wood sawdust provided from a sawmill and this study highlights particularly the use of raw materials in a powder form. Composites were prepared by a simple dry mixing technique and then compression molded. The wood content was up to 30%wt. The effect of wood content on morphology, density, hardness, and mechanical properties (tensile, torsion and flexion) was investigated. The results show that wood flour addition increased substantially all the moduli (up to 97%). The results show also that good dispersion and adhesion were achieved and wood flour addition increased significantly the mechanical properties of the composites.

Les Chalcogénures métalliques ont émergé comme une classe importante de matériaux en raison de leur grand potentiel dans de nombreuses applications technologiques. Dans cette thèse, des approches faciles et peu onéreuses ont été adoptées pour développer des nanomatériaux de chalcogénures métalliques et des films minces à partir de leurs précurseurs, les complexes organo-métalliques. L’utilisation des nanomatériaux synthétisés et des couches minces dans les cellules solaires et dans la purification photocatalytique de l’eau a été discutée. La première approche adoptée implique la synthèse de nanomatériaux de sulfure métallique à partir du complexe metal-thiourée (M-TU) comme précurseur. Des nanocristaux (NCs) de sulfure de plomb (PbS) ainsi que des nanostructures ont été synthétisés à partir des complexes méthanoliques plomb-thiourée (Pb-TU) via diverses techniques de précipitation basées sur la décomposition du complexe méthanolique Pb-TU. Nous avons aussi synthétisé des nanostructures de sulfure de cadmium (CdS) par décomposition hydrothermale et solvothermale du précurseur du complexe cadmium-thiourée mélangé à l’ACA. Les nanostructures de CdS telles que synthétisées ont montré des activités photocatalytiques très efficaces pour la dégradation du méthylorange et de la rhodamine B (RhB) en milieu aqueux. On a aussi développé des voies simples de synthèse pour préparer des nanomatériaux d’halogénure métallique à partir des complexes (M-O). La sulfurisation des précurseurs du complexe M-O à une température relativement basse produit des nanocristaux de sulfure métallique très stable vu que l'acide oléique (OA) est chimisorbé en tant que carboxylate à la surface des NCs. Le précurseur du complexe oléate de cadmium Cd-O a aussi été utilisé pour préparer des NCs de CdSe. Le traitement de surface des NCs de CdSe ainsi synthétisés avec de la pyridine et du tert-butylamine a été très efficace pour remplacer les ligands AO à longues chaines. Les cellules solaires à hétérojonction volumique fabriquées à partir des NCs de CdSe à surface traitée montrent une meilleure amélioration dans les performances photovoltaiques par rapport aux NCs de CdSe non traités. La décomposition solvothérmale du précurseur du complexe Cd-O mélangé à la thio-urée produit aussi des nanocristaux composés de microsphères de CdS en forme de chou-fleur ayant de bonnes propriétés physicochimiques et une capacité photocatalytique à dégrader le RhB en milieu aqueux. La technique de déposition de revêtement par centrifugation ‘spin coating’ a été utilisée pour fabriquer les films minces de CdS et de PbS à partir de leurs précurseurs, les complexes méthanoliques M-TU. Les films obtenus avaient une surface lisse et affichaient des bandes interdites à taille quantifiée. Les raisons possibles de la faible efficacité des dispositifs de cellules solaires à films minces de CdS/PbS ont été discutées. / Metal chalcogenides have emerged as an important class of materials due to their potential significance in many technological applications. In this work, easy and low cost approaches have been developed to prepare metal chalcogenide nanomaterials and thin films from their metal-organic complex precursors. The use of synthesized nanomaterials and thin films in solar cells and photocatalytic water purification has been discussed. The first approach adopted involves the synthesis of metal sulphide nanomaterials using metal-thiourea (M-TU) complex precursors. Lead sulphide (PbS) nanocrystals (NCs) and nanostructures were synthesized from methanolic lead-thiourea (Pb-TU) complex via various precipitation techniques based on the decomposition of methanolic Pb-TU complex. We have also synthesized cadmium sulphide (CdS) nanostructures through hydrothermal and solvothermal treatment of aminocaproic acid (ACA)-mixed cadmium-thiourea complex precursor. The as-synthesized CdS nanostructures were found to exhibit highly efficient photocatalytic activities for the degradation of methyl orange and rhodamine B (RhB) in aqueous medium. We have also developed simple synthetic routes to prepare metal chalcogenide nanomaterials from metal-oleate (M-O) complexes. Sulphurizations of M-O complex precursors at relatively low temperatures produced highly stable metal sulphide NCs because oleic acid (OA) is chemisorbed as a carboxylate onto the surface of NCs. The cadmium-oleate (Cd-O) complex precursor was also used to prepare CdSe NCs. Surface treatments of the as-synthesized CdSe NCs with pyridine and tert-butylamine were very effective to replace long chain OA ligands. Bulk-heterojunction solar cells made from surface treated cadmium selenide (CdSe) NCs showed greater improvement in photovoltaic performances compared to those made from untreated CdSe NCs. Solvothermal decomposition of thiourea-mixed Cd-O complex precursor also produced nanocrystals composed of cauliflower-like CdS microspheres with good physicochemical properties and photocatalytic ability to degrade RhB in aqueous medium. The spin-coating deposition technique was used to develop PbS and CdS thin films from their methanolic M-TU complex precursors. The obtained films had smooth surface and showed size quantized band gaps. The possible reasons behind the low efficiency of CdS/PbS thin film solar cell device were also discussed.

L’industrie du plastique se tourne de plus en plus vers les matériaux composites afin d’économiser de la matière et/ou d’utiliser des matières premières à moindres coûts, tout en conservant de bonnes propriétés. L’impressionnante adaptabilité des matériaux composites provient du fait que le manufacturier peut modifier le choix des matériaux utilisés, la proportion selon laquelle ils sont mélangés, ainsi que la méthode de mise en œuvre utilisée. La principale difficulté associée au développement de ces matériaux est l’hétérogénéité de composition ou de structure, qui entraîne généralement des défaillances mécaniques. La qualité des prototypes est normalement mesurée en laboratoire, à partir de tests destructifs et de méthodes nécessitant la préparation des échantillons. La mesure en-ligne de la qualité permettrait une rétroaction quasi-immédiate sur les conditions d’opération des équipements, en plus d’être directement utilisable pour le contrôle de la qualité dans une situation de production industrielle. L’objectif de la recherche proposée consiste à développer un outil de contrôle de qualité pour la qualité des matériaux plastiques de tout genre. Quelques sondes de type proche infrarouge ou ultrasons existent présentement pour la mesure de la composition en-ligne, mais celles-ci ne fournissent qu’une valeur ponctuelle à chaque acquisition. Ce type de méthode est donc mal adapté pour identifier la distribution des caractéristiques de surface de la pièce (i.e. homogénéité, orientation, dispersion). Afin d’atteindre cet objectif, un système d’imagerie hyperspectrale est proposé. À l’aide de cet appareil, il est possible de balayer la surface de la pièce et d’obtenir une image hyperspectrale, c’est-à-dire une image formée de l’intensité lumineuse à des centaines de longueurs d’onde et ce, pour chaque pixel de l’image. L’application de méthodes chimiométriques permettent ensuite d’extraire les caractéristiques spatiales et spectrales de l’échantillon présentes dans ces images. Finalement, les méthodes de régression multivariée permettent d’établir un modèle liant les caractéristiques identifiées aux propriétés de la pièce. La construction d’un modèle mathématique forme donc l’outil d’analyse en-ligne de la qualité des pièces qui peut également prédire et optimiser les conditions de fabrication. / The use of plastic composite materials has been increasing in recent years in order to reduce the amount of material used and/or use more economic materials, all of which without compromising the properties. The impressive adaptability of these composite materials comes from the fact that the manufacturer can choose the raw materials, the proportion in which they are blended as well as the processing conditions. However, these materials tend to suffer from heterogeneous compositions and structures, which lead to mechanical weaknesses. Product quality is generally measured in the laboratory, using destructive tests often requiring extensive sample preparation. On-line quality control would allow near-immediate feedback on the operating conditions and may be transferrable to an industrial production context. The proposed research consists of developing an on-line quality control tool adaptable to plastic materials of all types. A number of infrared and ultrasound probes presently exist for on-line composition estimation, but only provide single-point values at each acquisition. These methods are therefore less adapted for identifying the spatial distribution of a sample’s surface characteristics (e.g. homogeneity, orientation, dispersion). In order to achieve this objective, a hyperspectral imaging system is proposed. Using this tool, it is possible to scan the surface of a sample and obtain a hyperspectral image, that is to say an image in which each pixel captures the light intensity at hundreds of wavelengths. Chemometrics methods can then be applied to this image in order to extract the relevant spatial and spectral features. Finally, multivariate regression methods are used to build a model between these features and the properties of the sample. This mathematical model forms the backbone of an on-line quality assessment tool used to predict and optimize the operating conditions under which the samples are processed.

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Les nanoparticules magnétiques (NPM) suscitent un vif intérêt dans plusieurs branches de l’ingénierie et de la recherche. En effet, la taille de ces dernières ainsi que leur propriétés magnétiques lorsqu’en suspension permettent leur manipulation à distance en utilisant des champs magnétiques externes appropriés. Cela ouvre la voie à l’activation de fonctionnalités supplémentaires lorsqu’ancrées à des catalyseurs métalliques, des enzymes ou des agents thérapeutiques. Conséquemment, les NPM ont été impliquées au sein de plusieurs applications dans lesquelles le mélange à l’échelle microscopique est une problématique importante, par exemple dans les réactions catalytiques, la séparation et l’administration de médicaments. Le présent travail de thèse explore l’utilisation de NPM en tant que dispositifs nanométriques pour manipuler le mélange à l’échelle microscopique lorsque le système complet est soumis à des champs magnétiques. Toutes les expérimentations ont été menées à l’intérieur d’un électro-aimant à bobines tubulaire statique possédant deux pôles et trois phases. Ce dernier génère des champs magnétiques rotatifs uniformes (CMR), des champs magnétiques oscillatoires (CMO) ainsi que des champs magnétiques stationnaires (CMS). En premier lieu, une technique de mélange dans laquelle un CMR transforme des NPM en agitateurs nanométriques créant de petits tourbillons dans la phase liquide est présentée. L’utilisation de cette technique permet l’augmentation du coefficient de diffusion de l’eau quiescente dans une cellule de diffusion statique jusqu’à 200 fois. Les études systématiques des paramètres d’opération révèlent que l’ampleur de l’augmentation dépend de la fraction volumique en NPM ainsi que de la force et de la fréquence du champ magnétique. En second lieu, un écoulement convectif est utilisé afin de comprendre l’effet du couple hydrodynamique sur le comportement des NPM en champs magnétiques. Des tests de distribution de temps de séjour par impulsion sont effectués avec et sans champ magnétique dans le but d’examiner la dispersion axiale d’un écoulement laminaire de Poiseuille à l’intérieur d’un tube capillaire (Tests de dispersion de Taylor). Les résultats obtenus démontrent que le mélange latéral au long du tube est favorisé en présence de NPM et d’un champ magnétique. De plus, l’effet hydrodynamique observé de ce mélange latéral sur le profil de vitesse laminaire est interprété comme provenant d’une approche d’un profil de vitesse plat similaire à celui d’un écoulement piston. À l’aide de la même technique, l’effet des CMO et des CMS sur la dispersion de Taylor et sur le profil de vitesse laminaire est aussi examiné en écoulement capillaire. Alors que les CMO n’induisent pas de mélange nano-convectif dans le capillaire et ont un impact négligeable sur la dispersion axiale, les CMS pour leur part, détériorent le mélange latéral du traceur et créent des profils de vitesse déviant de la forme parabolique vers une forme plus saillie. Une discussion détaillée de la vorticité du fluide en fonction de l’orientation du champ magnétique est aussi présentée. Finalement, un écoulement multiphasique est étudié en ciblant le transfert de matière gaz-liquide entre des bulles de Taylor d’oxygène et la phase liquide, composée d’une solution diluée de NPM, à l’intérieur de tubes capillaires soumis à des CMR, des CMO et des CMS. Les résultats indiquent que les NPM qui tournent sous l’action d’un CMR améliorent le mélange dans le film lubrificateur qui entoure les bulles de Taylor comme cela est révélé par une augmentation mesurable du kLa. À l’opposé, les CMS immobilisent les NPM, menant à des taux de transfert de matière systématiquement plus faibles alors que les CMO n’ont pas d’effet détectable sur le coefficient de transfert de matière. Par ailleurs, l’interaction entre le couple magnétique et le couple hydrodynamique nécessaire pour dominer la direction de rotation des NPM est tirée de ces résultats. / Magnetic nanoparticles (MNPs) have attracted significant interest in diverse areas of engineering and research. Particle size and magnetic properties of suspended MNPs in a suspension allow their manipulation at a distance using appropriate external magnetic fields. In particular by enabling additional functionality in forms anchored to metal catalysts, enzymes or therapeutic drug agents. Owing to this feature, MNPs have been involved in many applications where mixing in micro-scale is also a critical issue, e.g., catalytic reaction, separation and drug delivery. This thesis explores MNPs as nano-scale devices to manipulate mixing in micro-scale when the whole system is subject to magnetic fields. All the experiments were performed in tubular two-pole, three-phase stator winding magnet, generating uniform rotating magnetic field (RMF), oscillating magnetic field (OMF) and stationary magnetic field (SMF). Initially, we present a mixing technique in which a RMF converts MNPs into nano-stirrers generating small vortices in liquid phase. Using this technique, self-diffusion coefficient of motionless water in a static diffusion cell was intensified up to 200 folds. Systematic studies of operating parameters revealed that the extent of enhancement depends on MNP volume fraction, and strength and frequency in magnetic field. In order to understand the effect of hydrodynamic torque on the MNPs behavior under magnetic fields, convective flow was also included. As such, axial dispersion of pressure-driven laminar Poiseuille flows in a capillary tube (Taylor dispersion test) was examined through a series of impulse (residence time distribution) RTD tests with and without RMF. This resulted in lateral mixing along the channel that was promoted relative to that in absence of MNPs or magnetic field. Moreover, we interpreted the observed hydrodynamic effects of such lateral mixing on laminar velocity profile as resulting from an approach to plug flow-like flat velocity profile. Using the same technique, the effect of OMF and SMF on Taylor dispersion and laminar velocity profile was examined in capillary flows. OMF did not induce nano-convective mixing in the capillary and had negligible impact on axial dispersion. On the contrary, SMF deteriorated lateral mixing of solute tracer and led to velocity profiles deviating from parabolic shape towards more protruded ones. A detailed discussion of magnetic field orientation versus fluid vorticity vector was presented. Finally a multiphase flow case concerned gas-liquid mass transfer from oxygen Taylor bubbles to the liquid in capillaries which was studied using dilute concentration of MNPs as the liquid phase under RMF, OMF and SMF. Experimental results implied that spinning MNPs under RMF improved mixing in the lubricating film that surrounds Taylor bubbles which reflected in a measurable enhancement of kLa. On the contrary, SMF pinned MNPs leading to systematically degraded gas-liquid mass transfer rates whereas axial oscillating magnetic field had no detectable effects on the mass transfer coefficient. Moreover, interaction between magnetic torque and hydrodynamic torque to dominate MNP spin direction was conceived from these results.

Cette étude porte sur la régénération thermo-mécanique et mécano-chimique de poudrettes de caoutchouc vulcanisé (SBR et EPDM). De plus, la possibilité d’utiliser la poudrette de SBR pour la production d’un élastomère thermoplastique (TPE) est présentée en utilisant le polystyrène (PS) comme matrice. La régénération des poudrettes a été effectuée dans un mélangeur interne batch à différentes températures et vitesses des rotors. Les résultats ont montré un comportement distinct en fonction de la taille des particules initiales. La variation du temps de traitement a révélé la possibilité d’une réticulation secondaire issue d’un processus distinct de celui de la régénération. Finalement, les expériences effectuées n’ont pas réussi à prouver l’efficacité de l’ajout d’une huile aromatique comme aidant dans la régénération de la poudrette de SBR. Plusieurs mélanges de poudrette de SBR avec le polystyrène ont aussi été dévelopés. L’influence des paramètres de procédé (température, vitesse des rotors, temps d’homogénéisation, ordre d’introduction des composants, proportion de la poudrette, traitement de la poudrette, ajout d’agent couplant à base de SEBS) a été testée. Le grand nombre de paramètres a menée à la création d’une fonction d’optimisation capable de hiérarchiser les différents mélanges produits en fonction de la mesure dont ils répondent aux caractéristiques requises.

Les réseaux de neurones artificiels (RNA) suscitent toujours un vif intérêt dans la plupart des domaines d’ingénierie non seulement pour leur attirante « capacité d’apprentissage » mais aussi pour leur flexibilité et leur bonne performance, par rapport aux approches classiques. Les RNA sont capables «d’approximer» des relations complexes et non linéaires entre un vecteur de variables d’entrées x et une sortie y. Dans le contexte des réacteurs multiphasiques le potentiel des RNA est élevé car la modélisation via la résolution des équations d’écoulement est presque impossible pour les systèmes gaz-liquide-solide. L’utilisation des RNA dans les approches de régression et de classification rencontre cependant certaines difficultés. Un premier problème, général à tous les types de modélisation empirique, est celui de la sélection des variables explicatives qui consiste à décider quel sous-ensemble xs ⊂ x des variables indépendantes doit être retenu pour former les entrées du modèle. Les autres difficultés à surmonter, plus spécifiques aux RNA, sont : le sur-apprentissage, l’ambiguïté dans l’identification de l’architecture et des paramètres des RNA et le manque de compréhension phénoménologique du modèle résultant. Ce travail se concentre principalement sur trois problématiques dans l’utilisation des RNA: i) la sélection des variables, ii) l’utilisation de la connaissance apriori, et iii) le design du modèle. La sélection des variables, dans le contexte de la régression avec des groupes adimensionnels, a été menée avec les algorithmes génétiques. Dans le contexte de la classification, cette sélection a été faite avec des méthodes séquentielles. Les types de connaissance a priori que nous avons insérés dans le processus de construction des RNA sont : i) la monotonie et la concavité pour la régression, ii) la connectivité des classes et des coûts non égaux associés aux différentes erreurs, pour la classification. Les méthodologies développées dans ce travail ont permis de construire plusieurs modèles neuronaux fiables pour les prédictions de la rétention liquide et de la perte de charge dans les colonnes garnies à contre-courant ainsi que pour la prédiction des régimes d’écoulement dans les colonnes garnies à co-courant. / Artificial neural networks (ANN) have recently gained enormous popularity in many engineering fields, not only for their appealing “learning ability,” but also for their versatility and superior performance with respect to classical approaches. Without supposing a particular equational form, ANNs mimic complex nonlinear relationships that might exist between an input feature vector x and a dependent (output) variable y. In the context of multiphase reactors the potential of neural networks is high as the modeling by resolution of first principle equations to forecast sought key hydrodynamics and transfer characteristics is intractable. The general-purpose applicability of neural networks in regression and classification, however, poses some subsidiary difficulties that can make their use inappropriate for certain modeling problems. Some of these problems are general to any empirical modeling technique, including the feature selection step, in which one has to decide which subset xs ⊂ x should constitute the inputs (regressors) of the model. Other weaknesses specific to the neural networks are overfitting, model design ambiguity (architecture and parameters identification), and the lack of interpretability of resulting models. This work addresses three issues in the application of neural networks: i) feature selection ii) prior knowledge matching within the models (to answer to some extent the overfitting and interpretability issues), and iii) the model design. Feature selection was conducted with genetic algorithms (yet another companion from artificial intelligence area), which allowed identification of good combinations of dimensionless inputs to use in regression ANNs, or with sequential methods in a classification context. The type of a priori knowledge we wanted the resulting ANN models to match was the monotonicity and/or concavity in regression or class connectivity and different misclassification costs in classification. Even the purpose of the study was rather methodological; some resulting ANN models might be considered contributions per se. These models-- direct proofs for the underlying methodologies-- are useful for predicting liquid hold-up and pressure drop in counter-current packed beds and flow regime type in trickle beds.

L'aluminium est fabriqué par un procédé électrolytique. La réaction consomme des anodes de carbone dont la qualité a une grande influence sur l’opération optimale du procédé. Cependant, leurs propriétés sont mesurées hebdomadairement sur moins de 1% de la production. L'objectif de ce projet est d'améliorer le contrôle de la qualité du procédé de fabrication des anodes par la prédiction de leurs propriétés. Une méthode de régression multivariée appelée projection sur structures latentes est utilisée pour relier les propriétés des matières premières et les paramètres d’opération du procédé aux propriétés des anodes cuites recueillies à l'Aluminerie Alcoa de Deschambault. Plusieurs modèles sont étudiés pour les propriétés physiques et la réactivité aux gaz qui expliquent 20% à 68% des variations de celles-ci. Considérant le niveau de bruit élevé des données industrielles, il est jugé qu’une portion significative de la variabilité est modélisée. De plus, l’interprétation de ces modèles est cohérente par rapport aux connaissances du procédé. / Aluminum is manufactured by an electrolytic process. The reaction consumes carbon anodes. Anode quality has a great influence on the optimal operation of the reduction process. However, their properties are poorly characterized by weekly averages of anode sample laboratory analyses. The goal of this thesis is to improve quality control at the baked anode manufacturing plant by predicting anode properties. A multivariate latent variable regression method called Projection to Latent Structure (PLS) is used to relate the raw material and the manufacturing process data to the baked anode properties collected at the Alcoa Deschambault smelter. Several models are investigated for physical properties and gas reactivity. From 27% to 68% of the physical properties variance and 20% to 49% of the reactivity variations are captured. The models explained a significant amount of variability, considering that industrial data is typically very noisy. The interpretation of the models was found in agreement with process knowledge.