Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

L’oxyde nitreux (N2O) est le troisième plus important gaz à effet de serre et sa concentration atmosphérique est en constante augmentation. Pourtant, de nombreuses sources de ce gaz sont encore méconnues, notamment en arctique. Cette étude a permis de déterminer la distribution horizontale et verticale du N2O dans les eaux du détroit de Lancaster et du nord de la baie de Baffin et d’en déterminer la source. Les résultats montrent que la zone étudiée est un amalgame hétérogène de sources et de puits de N2O atmosphérique et que ce gaz est produit par la nitrification, une réaction localement limitée par le substrat. La présence d’eaux sursaturées en N2O sous la surface pouvant remonter à la surface lors de tempêtes, de même que l’augmentation des dépositions atmosphériques de composés azotés réactifs, suggèrent que le potentiel d’augmentation des émissions d’oxyde nitreux est bien présent dans cette région arctique. / Nitrous oxide (N2O) is the third most important long-lived greenhouse gas, and its atmospheric concentration is steadily increasing. However, many sources of this gas remain unknown, particularly in the Arctic. In this study, we determined the horizontal and vertical distribution of N2O in the waters of Lancaster Sound and the north of Baffin Bay, and we identified its source. Results show that the study area is a heterogeneous mixture of nitrous oxide sources and sinks, and that this gas is produced by nitrification, a locally substrate-limited reaction. With the presence of subsurface N2O oversaturated waters that could reach the surface during storms, and with the predicted increase in atmospheric reactive nitrogen deposition, conditions are set for a potential rise in the N2O emissions from this Arctic area.

L'oxyde nitreux (N₂O) est l'un des gaz à effet de serre (GES) parmi les plus puissants et il joue un rôle important dans le réchauffement global. Pour mesurer les sources à faibles émissions de N₂O, les approches conventionnelles sont souvent sophistiquées et coûteuses et l'approche par échantillonnage à flux passif montre un intérêt. Le but de la présente recherche est d'optimiser la performance de l'échantillonneur à flux passif de Godbout et al. (2006) et Gaudet (2005) dans les différentes étapes de son utilisation : le conditionnement de l'appareil, l'adsorption et la désorption du N₂O. L'échantillonneur de Godbout et al. (2006) et Gaudet (2005) utilise une couche de 2 mm de zéolite pour adsorber le N₂O. Lorsque l'air passe à travers l'échantillonneur à une vitesse proportionnelle à la vitesse de l'air à l'extérieur, la zéolite adsorbe le N₂O. Par la suite, le N₂O contenu dans l'adsorbant est désorbé thermiquement. La concentration de gaz est déterminée à l'aide d'un chromatographic à gaz et ensuite, la masse désorbée est calculée afin d'obtenir la valeur de l'émission de N₂O. Dans le cadre de cette étude, l'échantillonneur a été étanchéifié et modifié pour en faciliter l'assemblage. L'épaisseur de l'adsorbant a été augmentée à 4, 6 et 8 mm, ce qui a permis d'augmenter sa capacité d'adsorption de 96, 187 et 275 % respectivement. Les résultats de l'évaluation de la performance de l'échantillonneur modifié montrent une augmentation de l'efficacité d'adsorption de 91 % (Gaudet 2005) à 96,5, 98,3, 98,3 et 98,4 % et une augmentation de l'efficacité de désorption de 68 % à 83 %, de 57 % à 75 %, de 45 % à 82 % et de 30 % à 74 % pour les échantillonnées pourvus de couches de 2, 4, 6 et 8 mm respectivement. Également, la conception des montages et des modes opératoires ont permis à l'échantillonneur d'obtenir des mesures avec une exactitude moyenne de 77,3 % et une variabilité moyenne de 13,6 %. Suite aux résultats, il est possible d'affirmer que les modifications apportées à l'échantillonneur et aux procédures d'analyse ont permis d'améliorer ses performances et de faire progresser son développement.

Nous avons fait l'étude de la pyrolyse du C₃0₂ et de sa réaction avec N₂O dans un système statique à des pressions inférieures à 200 mm Hg et à des températures variant de 600 à 700°C. Lors de l'étude de la pyrolyse, nous avons déterminé que la stoechimiométrie de la réaction est C₃0₂ = Cs + 2 OO, la vitesse initiale varie linéairement avec le rapport S/V et serait nulle en absence de paroi. La pyrolyse a les caractéristiques d'une réaction unimoléculaire sur la surface (ordre 1 aux basses pressions, ordre 0 aux pressions élevées) et montre un effet inhibiteur important de NO. Nous avons aussi observé que 1'énergie d'activation expérimentale de la réaction de pyrolyse aux pressions élevées est égale à 95 Kcal/mole (T < 655°C) et à 0 (T > 655°C)... / Montréal Trigonix inc. 2018

Le dioxyde de carbone (CO2) provenant de l'utilisation des combustibles fossiles est l'un des gaz à effet de serre le plus important. Dû à l'abondance et à la disponibilité des ressources en combustibles fossiles, il peut être envisagé qu'elles continueront de jouer un rôle important au niveau de l'économie énergétique mondiale. Le développement de nouvelles technologies pour l'absorption du CO2 est donc crucial. Les solubilités du CO2 et du protoxyde d'azote (N2O) dans les solutions aqueuses de 2- amino-2-hydroxyméthyle-l,3-propanediol (AHPD) ont été mesurées dans cette étude. La solubilité physique du CO2 dans les solutions aqueuses de AHPD a aussi été estimée grâce à l'analogie du N2O. Un modèle d'équilibre gaz-liquide a été développé afin de représenter la solubilité du CO2 à l'équilibre dans les solutions aqueuses de AHPD. L'influence de l'enzyme anhydrase carbonique humaine sur la solubilité du CO2 dans les solutions aqueuses de Al 1PD a aussi été étudiée. / Carbon dioxide (CO2) from the use of fossil fuels resources is one of the most significant greenhouse gases. Due to the abundance and the availability of fossil fuels resources, it can be anticipated that they will continue to play a significant role in the world's energy economy. Therefore, the development of new technologies for the CO2 absorption is crucial. The solubilities of CO2 and nitrous oxide (N2O) in aqueous solutions of 2-amino-2- hydroxymethyl-l,3-propanediol (AHPD) were measured in this study. The physical solubility of CO2 in aqueous solutions of AHPD was also estimated by the N2O analogy. A gas-liquid equilibrium model was developed to represent the solubility of CO2 in aqueous solutions of AHPD at equilibrium. The influence of an enzyme, namely, human carbonic anhydrase on the solubility of C02 in aqueous solutions of AHPD was also studied.

Les activités humaines ont généré une augmentation importante de la concentration de gaz à effet de serre (GES) au cours des 150 dernières années, ce qui est relié à plusieurs problèmes environnementaux, tels que le réchauffement planétaire et les changements climatiques. Le secteur agricole contribue de 8 à 10% aux émissions totales de GES dans l'atmosphère, et les principaux GES émis sont le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) et l’oxyde nitreux (N₂O). Le contrôle et la quantification de ces émissions requièrent des technologies qui permettent de les capturer et ou les dégrader, par exemple par adsorption. L'objectif du présent projet est de caractériser des matériaux qui puissent être utilisés comme adsorbants des GES et de décrire leurs cinétiques d’adsorption afin d’avoir l’information qui permette de sélectionner des adsorbants pour capturer le CH₄ et le N₂O à des basses concentrations et à température et pression ambiantes. Pour adsorber le CH₄, des adsorbants commerciaux et synthétiques ont été utilisés. Les adsorbants choisis ont été des zéolithes, un biocharbon conditionné au laboratoire et un ZIF (« Zeolitic imidazolate framework », ZIF-8) synthétisé au laboratoire. Ce dernier a été employé aussi pour adsorber du N₂O. La capacité d’adsorption de CH₄ et de N₂O a été évaluée pour chaque adsorbant par de tests dynamiques d’adsorption du gaz sous conditions ambiantes. Des zéolithes commerciales sous forme de billes ou d’extrudés et de poudre ont été caractérisées physiquement et chimiquement afin de corréler leurs propriétés avec la capacité d'adsorption de CH₄. L’effet de la structure et de la composition chimique sur la capacité d'adsorption de CH₄ ont été analysées. La capacité d'adsorption du CH₄ par les zéolithes commerciales a été étudiée à 30°C, à pression atmosphérique et à pressions partielles du CH₄ inférieures à 0,40 kPa (4000 ppm CH₄). L’isotherme d’adsorption de Freundlich a ajusté correctement aux données expérimentales. Il a été observé que la capacité d’adsorption du CH₄ augmentait avec la surface spécifique et le volume de pores, tandis qu’elle diminuait avec le rapport Si/Al et la température. Egalement, les zéolites sous forme de poudre ont présenté des capacités d’adsorption du CH₄ plus élevées que les zéolithes sous forme de billes ou d’extrudés. Du biocharbon obtenu par torréfaction du carton ciré a été traité chimiquement avec KOH et caractérisé. La caractérisation physique, chimique et thermique du carton ciré torréfié et des échantillons traités chimiquement permet de prédire la durabilité des échantillons et de corréler ses propriétés avec sa capacité d’adsorption. La capacité d'adsorption du CH₄ par le biocharbon a été étudiée à 30°C, à pression atmosphérique et à pressions partielles du CH₄ inférieures à 0,40 kPa (4000 ppm CH₄). L’isotherme d’adsorption de Freundlich a ajusté les données expérimentales. La capacité d'adsorption augmentait avec le temps de torréfaction et diminuait avec le traitement chimique. Le ZIF-8 a été obtenu par synthèse solvothermale et caractérisé physiquement et chimiquement afin de corréler ses propriétés avec sa capacité d'adsorption du CH₄ et du N₂O. La capacité d'adsorption du CH₄ et du N₂O a été étudiée à 30 °C et à pression atmosphérique, tandis que les pressions partielles du CH₄ et N₂O ont été inférieures à 0,40 kPa pour le CH₄ (4000 ppm CH₄) et à 0,10 kPa pour le N₂O (1000 ppm N₂O). L’isotherme d’adsorption de Freundlich ajuste correctement les donnés expérimentales. En plus, de l’adsorption d’un mélange de CH₄ et N₂O a été étudié et la courbe de percé du CH₄ est affecté pour le N₂O. Parmi les différents matériaux utilisés lors de l’adsorption du CH₄ à 30 ºC et à pressions partielles de CH₄ inférieures à 0,40 kPa (4000 ppm CH₄), les biocharbons présentent la capacité d’adsorption la plus élevée, suivis par le ZIF-8 et les zéolithes commerciales. / Human activities contributed with a significant increase in GHG concentrations over the past 150 years and they are related to environmental issues, such as global warming and climate change. The agricultural sector contributes 8 to 10% of total GHG emissions to the atmosphere, being carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) the main GHGs emitted. The control and quantification of these emissions requires technologies which can capture and or degrade these GHG, for example by adsorption. The objective of this project is to characterize adsorbents and to describe their adsorption kinetics in order to select the most suitable for the adsorption of CH₄ and N₂O at low concentration and at ambient temperature. For CH₄ adsorption, commercial and synthesized adsorbents were tested. The selected adsorbents were commercial zeolites, laboratory conditioned biochar and synthesized ZIF ("Zeolitic imidazolate framework"). ZIF was also used for N₂O adsorption. The adsorption capacity of CH₄ and N₂O for each adsorbent was evaluated by dynamic adsorption tests of the gas under atmospheric conditions. Commercial zeolites, in the form of pellets and powders, were physically and chemically characterized in order to correlate their properties with its CH₄ adsorption capacity. The effect of zeolites structure and chemical composition on the adsorption capacity of CH₄ was evaluated for zeolites in the form of pellets and powders. CH₄ adsorption capacity of commercial zeolites was studied at 30 °C, atmospheric pressure and at CH₄ partial pressures lower than 0.40 kPa (4000 ppm CH₄). Freundlich isotherm fitted the experimental data of CH₄ adsorption. The adsorption capacity of CH₄ increased with the surface area and pore volume, while decreased with the Si/Al ratio and temperature. Furthermore, the zeolites in powder form exhibited higher CH₄ adsorption capacities than those of zeolites in pellets. The torrefied cardboard was chemically treated with KOH and it was physically, chemically and thermally characterized to correlate its properties with its CH₄ adsorption capacity and to predict the durability of the samples. The adsorption capacity of CH₄ of torrefied cardboard was studied at 30 °C, atmospheric pressure and CH₄ partial pressures lower than 0.40 kPa (4000 ppm CH4). The Freundlich adsorption isotherm fitted correctly the experimental data. CH4 adsorption capacity increased with torrefaction time and decreased with chemical treatment. ZIF-8 was obtained by solvothermal synthesis and was physically and chemically characterized in order to correlate its properties with its adsorption capacity of CH₄ and N₂O. The adsorption capacity of CH₄ and N₂O was studied at 30 °C and atmospheric pressure, while the partial pressures of CH₄ and N₂O evaluated were lower than 0.40 kPa for CH₄ (4000 ppm CH₄) and lower than 0.10 kPa for N2O (1000 ppm N₂O). The experimental adsorption of CH₄ an N₂O was fitted by Freundlich isotherm. Furthermore, the adsorption of a mixture of CH₄ and N₂O was evaluated, being CH₄ breakthrough influenced in the presence of N₂O. Among the different materials used for CH₄ adsorption at 30 ºC and partial pressures lower than 0.40 kPa (4000 ppm CH₄), biocharbons presented the highest adsorption capacity, followed by ZIF- 8 and commercial zeolites.

La production porcine québécoise crée des problèmes locaux sévères de surplus de lisier entraînant l'eutrophisation des eaux surface et la contamination des eaux souterraines. Une technologie de traitement du lisier, le BIOSORMD-lisier, a donc été est mis au point par le Centre de Recherche Industrielle du Québec (CRIQ). Il s'agit d'un biofiltre à support organique à base de tourbe et de copeaux de bois visant le double traitement du lisier de porc et des odeurs générées dans les porcheries. Ce procédé permet d'obtenir d'excellents rendements d'épuration quant à l'enlèvement du carbone et de l'ammonium. Toutefois, les conditions d'opérations du procédé ne permettent pas d'achever la dénitrification ce qui entraîne une production significative de protoxyde d'azote (N₂O); un gaz à effet de serre très préoccupant. L'objectif de l'étude est donc de déterminer l'effet de certaines conditions d'opération (aération intermittente, volume et type de milieu filtrant et source d'alcalinité) sur la dénitrification et la production de N₂O. Pour se faire, trois biofiltres pilotes (1,2 m x 0,4 m), ayant des milieux filtrants différents, ont été soumis à une aération intermittente (4 heures aéré pour 4 heures anoxie) puis à une aération continue. Un des principaux facteurs affectant la dénitrification et les émissions de N₂O par le procédé est le taux d'aération. En effet, les émissions de N₂O ont été supérieures sous aération continue (280 (±114) g N-N₂O/ m³ de lisier traité) comparativement à l'aération intermittente (36 (± 9) g N-N₂0/ m³ de lisier traité). En plus d'améliorer les performances des biofiltres, une réduction de l'aération diminuerait considérablement les coûts d'opération du procédé. Cependant, afin de confirmer avec certitude cette hypothèse, l'étude aurait du prévoir une répétition des cycles d'aération afin de discriminer, entre le temps et le type d'aération, celui ayant le véritable effet sur les performances du système.

L’oxyde nitreux (N2O) est un gaz à effet de serre dont la présence dans la stratosphère contribue aussi à la destruction de l’ozone. Le but de cette étude, était de déterminer la présence de N2O dans la glace de mer de l’océan Arctique et d’évaluer l’impact de cette source potentielle sur l’atmosphère. Les concentrations totales de N2O dans les derniers 10 cm de la glace de mer et dans l’eau de surface sous-jacente au couvert de glace ont été quantifiées dans la mer de Beaufort de mars à avril 2008. Nos mesures ont mis en évidence des concentrations totales en N2O faibles et constamment sous-saturées par rapport à l’eau de surface sous-jacente au couvert de glace (ca. 40%) et à l’atmosphère (ca. 30%). Nous expliquons cette sous saturation par un rejet de la saumure riche en N2O lors de la formation de la glace à l’automne et à l’hiver. La glace de mer pourrait donc représenter une source de N2O pour l’atmosphère arctique pendant ces périodes. / Nitrous oxide (N2O) is a greenhouse gas which also plays a role in stratospheric ozone depletion. The objective of this study was to demonstrate the presence of N2O in Arctic sea ice, and to quantify the impact of this potential source to the atmosphere. Bulk concentrations of N2O in the bottom 10 cm of the sea ice and in the underlying surface waters were measured in the Beaufort Sea from March to April 2008. Our sea ice measurements revealed low N2O bulk concentrations with N2O being consistently undersaturated with respect to the underlying surface water (ca. 40% saturation) and the atmosphere (ca. 30% saturation). The most plausible mechanism to explain the low N2O sea ice concentrations is a loss of N2O via brine rejection during sea ice formation in autumn and winter. Sea ice could thus act as a source of N2O via brine rejection during sea ice formation in autumn and winter.

Les sédiments sont des sites importants d’élimination d’azote (N) puisqu’ils possèdent des gradients d’oxydoréduction leur conférant les conditions idéales pour les réactions microbiennes de transformation de N. L’eutrophisation des régions côtières peut altérer ces gradients, par des changements dans la concentration d’oxygène (O2) de l’eau interstitielle, et modifier l’importance relative des processus transformant le N. Afin de mieux comprendre comment l’O2 pourrait influencer les transformations de N, nous avons mesuré les flux diffusifs de diazote (N2), nitrate (NO3-), oxygène et ammonium (NH4+) dans les sédiments de l’Estuaire Maritime du St-Laurent (EMSL), et nous avons estimé les taux de dénitrification. L’importance du couple nitrification-dénitrification en fonction d’un gradient de concentrations d’O2 dans la zone d’hypoxie de l’EMSL fut aussi évaluée. La concentration des gaz dissous fut mesurée en utilisant une nouvelle approche développée dans cette étude. Les flux diffusifs de N2, O2, NO3- et NH4+ variaient de 5.5 à 8.8, de -37.1 à -84.8, de -4.0 à -5.8 et de 0.6 à 0.8 μmol N m-2 h-1 respectivement. Les concentrations de N2 et NO3- dans l’eau porale et les flux de NO3- et de N2 des sédiments, suggèrent que la diffusion de NO3- provenant de l’eau à la surface des sédiments ne peut pas expliquer par elle-même la production de N2 observée. En utilisant une approche stoichiométrique, les taux de nitrification potentielle estimés comptent pour 0.01 à 52% du flux total de NO3 nécessaire pour aboutir aux flux de N2 observés et diminuent avec l’augmentation de l’hypoxie. / Sediments display strong redox gradients and represent important sites of various microbially mediated nitrogen (N) transformation pathways resulting in the loss of fixed N. Increased eutrophication of coastal systems will likely impact the overall function of these sediments via changes in the oxygen (O2) concentration in the overlying water, thus influencing the redox gradient and the relative importance of different N processes. To have a better understanding of how O2 could influence N transformations, we measured dinitrogen (N2), nitrate (NO3-), oxygen and ammonium (NH4+) diffusive fluxes in the sediments of the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE) and estimated denitrification rates. The importance of the nitrification-denitrification couple as a function of a gradient of hypoxic O2 concentrations was also evaluated. Dissolved gas concentrations were measured using a new approach developed in this study. N2, O2, NO3- and NH4+ diffusive fluxes varied respectively from 5.5 to 8.8, from -37.1 to -84.8, from -4 to -5.8 and from 0.6 to 0.8 μmol N m-2 h-1 among the five stations sampled. N2 and NO3- concentrations in sediment pore water and measured fluxes of NO3- in and N2 out of the sediments suggested that NO3- diffusion from the overlying water alone could not support N2 production. Using a stoichiometric approach, estimated potential nitrification rates varied among sites, from 0.01 to 52% of the total NO3 supply rate. The relative importance of nitrification decreased with increasing hypoxia.

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