Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17163号 / 工博第3653号 / 新制||工||1555(附属図書館) / 29902 / 京都大学大学院工学研究科化学工学専攻 / (主査）教授 大嶋 正裕, 教授 山本 量一, 教授 宮原 稔 / 学位規則第4条第1項該当

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17229号 / 工博第3656号 / 新制||工||1556(附属図書館) / 29975 / 京都大学大学院工学研究科化学工学専攻 / (主査)教授 大嶋 正裕, 教授 瀧川 敏算, 教授 山本 量一 / 学位規則第4条第1項該当

Les mousses minérales sont des matériaux alvéolaires utilisables en isolation thermique répartie. L’objectif de ces travaux de recherche est de développer, à partir d’une suspension très concentrée de liants hydrauliques, des mousses légères présentant de bonnes performances mécaniques et thermiques. L’introduction de tensioactif est nécessaire à la formation des mousses minérales. Six molécules tensioactives sont sélectionnées dans cette étude. Leurs capacités à réduire la tension de surface et à stabiliser une mousse aqueuse sont évaluées. Deux groupes de tensioactifs sont distingués sur la base de différents critères : tension de surface, CMC, stabilité de la mousse. Les suspensions minérales concentrées sont des fluides à seuil. L’étude du comportement de bulles formées dans de tels fluides est réalisée à l’aide d’un fluide à seuil modèle transparent, le Carbopol®, et d’un système d’injection à pression contrôlée. Le seuil de mise en écoulement affecte les conditions de formation, de croissance, de stabilité et d’évolution de la forme des bulles en modifiant la distribution des pressions au voisinage de la bulle. L’étude permet de proposer une équation de Laplace modifiée prenant en compte l’influence de la sphéricité et du seuil de cisaillement. L’introduction du tensioactif affecte les conditions de contact entre bulles et permet de contrôler le risque de coalescence. En cas de rupture de membrane, la présence du seuil de cisaillement conduit à une géométrie particulière des bulles coalescées. Les liants minéraux choisis sont un sulfate de calcium anhydre particulièrement réactif, un ciment Portland et un ciment prompt. La formulation des suspensions découle d’un critère de fluidité. La pâte fraîche est caractérisée par un seuil de cisaillement faible. Sa masse volumique apparente dépend de la nature et du dosage en tensioactif. Les mousses minérales sont générées à partir d’une composition identique. Deux méthodes de moussage traditionnelles : malaxage simple et mousse préformée et une méthode alternative : la méthode dissociée, sont exploitées. Les meilleures performances thermomécaniques des mousses durcies sont obtenues avec la méthode dissociée, méthode spécifique au laboratoire et peu énergivore. Un groupe de tensioactifs permet d’obtenir des mousses peu denses satisfaisant simultanément aux critères de performances thermomécaniques fixés. Pour ces tensioactifs, un dosage caractéristique est identifié permettant une optimisation des performances mécaniques. Des visualisations réalisées au MEB révèlent des modifications sensibles de la structure cristalline fonction du tensioactif employé et de son dosage. Les structures les plus fines et homogènes sont les plus résistantes. Les performances des mousses et leur structure porale sont donc liées. Pour analyser quantitativement la structure porale, les distributions alvéolaires surfaciques sont construites puis comparées aux distributions alvéolaires volumiques obtenues par tomographie. Une méthode analytique de passage 2D/3D est créée en s’appuyant sur les principes de la stéréologie. Un coefficient de correction est proposé pour tenir compte de la représentativité de la surface étudiée. La maîtrise de toutes les étapes de fabrication des mousses minérales ainsi que la compréhension des phénomènes physiques intervenant tout au long de la production d’une mousse (de la suspension minérale jusqu’à la mousse durcie) permettent d’obtenir des produits satisfaisant les objectifs fixés : légèreté, isolation et caractère porteur. / Mineral foams are cellular materials usable as thermal insulation solution. The purpose of these PhD researches is to develop lightweight foams with good thermal and mechanical performances realized from highly concentrated mineral suspension. Surfactant addition is required for foaming. Six surfactants molecules are selected. Their abilities to reduce surface tension and to stabilize aqueous foam are evaluated. Two surfactants groups are detected based on different criteria: surface tension, CMC and aqueous foam stability. Concentrated mineral suspensions are yield stress fluids. The study of bubbles behavior in such fluids is performed with a transparent yield stress fluid, Carbopol® and an injection device with controlled pressure. Yield stress impacts bubbles creation, growth, stability and shape by changing local pressure distribution in the fluid nearby bubble. The study proposes a revised Laplace law depending on yield stress and bubble sphericity. Contact conditions between bubbles are influenced by surfactant addition allowing to control coalescence phenomena. In case of inter-bubbles membrane breakage, presence of yield stress leads to particular geometry of the coalesced bubbles. Mineral binders selected are a highly reactive anhydrous calcium sulfate, ordinary Portland and prompt cements. Mineral suspension formulations arise from expected fluidity criterion. Fresh paste is characterized by a low yield stress. Its bulk density depends on surfactant nature and content. Mineral foams are created with same composition. Two traditional foaming methods: mix-foaming and pre-foaming and an alternative one, the dissociated method are employed. Best thermo-mechanical performances are achieved with the dissociated method, a specific method of the laboratory. A surfactant group leads to lightweight foams which simultaneously fulfills both thermal and mechanical targeted objectives. For these surfactants a characteristic content is found leading to optimized mechanical performances. Visualizations performed with SEM reveal sensitive crystalline structure modifications depending on surfactant nature and content. Thinner and more homogeneous structures are associated with the best mechanical performances which demonstrates the existing link between the porous structure and mineral foams mechanical performances. To quantitatively evaluate porous structure, surface bubble-size distributions are built and then compared to volume bubble-size distributions obtained by tomography analysis. An analytic method linking 2D and 3D distributions is created based on stereology principles. A correction coefficient is proposed to take into account the analyzed representative surface. By controlling all production steps and associated physical phenomena during mineral foams production (from mineral suspension to solid foams), products satisfying all targeted objectives are realized: lightness, insulation and load-bearing ability.

The diploma thesis deals with the processing of digestate, which is the remaining material after biogas production. It aims to experimentally prove how chosen operational parameters of antifoaming agents influence digestate foaming associated with the vacuum evaporating technology. Based on the research of available antifoamers and the issue of digestate foaming itself, it was observed how three selected antifoamers (i.e. rapeseed oil, silicone antifoamer Erbslöh Schaum-ex and oleic acid), together with the decrease in the pH factor of the evaporating digestate, influence the final foam production. For the purposes of the research, an apparatus simulating the vacuum evaporating process was set up in which the heated sample was brought to boil by gradual pressure decrease. The process of foaming was observed in a transparent cylinder of a testing culumn. The essential part of the experimental activity is represented by a planned experiment which by means of a DoE (Design of experiments) method proved rapeseed oil to be very efficient. In contrast, other antifoamers, as well as the influence of the pH factor decrease, manifested themselves as insignificant factors, while the oleic acid even supported the foaming. The supplementary measurements led to a more detailed research of the effects of rapeseed oil and to the construction of a mathematical model describing how the concentration of rapeseed oil undermines the amount of generated foam. The main contribution of the thesis is firstly the evidence that rapeseed oil plays an important part in the reduction process of digestate foaming and secondly the determination of minimum substance concentration leading to the foaming reduction of a particular sample which is considered efficient enough to enable functioning of a vacuum evaporator. The thesis has also experimentally demonstrated the influence of some polymer organic flocculants which have been proved to support the foaming.

This thesis is oriented on development of new porous materials for industrial floors based foam concrete and not autoclaved aerated concrete with the possible use of secondary raw materials and natural lightweight aggregates instead of classic aggregates. The dry mixture should be stored in bags as ready to use with the addition only of water.

La mousse est une caractéristique organoleptique majeure des vins effervescents. Dans le cadre d’une meilleure maîtrise des propriétés moussantes des vins de Champagne, l’objectif de ce travail est de mieux comprendre l’impact de la maturité des raisins et du fractionnement des jus au pressurage sur la composition des moûts et des vins, en particulier sur les protéines, et la relation avec la moussabilité des vins.Au cours de la maturation de raisins sains Chardonnay et Pinot noir de deux millésimes, les caractéristiques œnologiques des moûts évoluent pour un TAP compris entre 4% et 11% vol. Une augmentation de la teneur en protéines est aussi montrée au cours de la maturation des baies. De plus, pour des raisins vendangés à « maturités industrielles », des changements essentiels de la composition biochimique des moûts, ayant un TAP compris entre 8% et 11% vol., sont observés.Une étude de la maturité de raisins Chardonnay et Pinot meunier de trois millésimes, a montré que des raisins plus mûrs, et sains, donnent des vins de base avec des teneurs en protéines totales plus élevées, ayant une meilleure moussabilité que des vins issus de raisins moins mûrs. Les analyses statistiques montrent des corrélations positives significatives entre différentes caractéristiques œnologiques des moûts et des vins de base et, pour la première fois, une corrélation entre la moussabilité et la teneur en protéines des vins, en relation avec la maturité, a été montrée. Au-delà de la maturité des raisins, la teneur en protéines et la moussabilité des vins peuvent être fortement influencées, dans la notion de Terroir, par le couple cépage/parcelle et le climat du millésime.L’étude du fractionnement des jus au pressurage, réalisée sur les cépages Chardonnay, Pinot noir, Pinot meunier et cinq millésimes, montre une évolution générale des caractéristiques des moûts et des vins, au cours du pressurage à l’échelle industrielle et au laboratoire. La composition des moûts et des vins peut être fortement influencée par la variabilité de la parcelle, de la maturité, du millésime, de l’état sanitaire des raisins, mais faiblement affectée par l’échelle et le type de pressoir. Ces sources de variabilités conduisent à des différences de teneur en protéines et de propriétés moussantes pour les vins de base champenois. / Foam is a major sensory characteristic of sparkling wines. As part of better controlling the foaming properties of Champagne wines, the goal of this work is to better understand the impact of grape maturity and press fractioning on the composition of grape juices and base wines, especially on the proteins, and their relationships with wines’ foamability.During the maturation of healthy grapes (Chardonnay and Pinot Noir of two vintages), the oenological characteristics of musts evolve in a TAP range from 4% to 11% vol. An increase in protein content was also showed during the ripening of grape berries. In addition, for the grapes harvested at ‘industrial maturity’, essential changes in the biochemical composition of musts were observed with a TAP between 8% and 11% vol.The study of grape maturity that performed on Chardonnay and Pinot Meunier grapes of three vintages, showed that riper and healthy grapes could give their corresponding base wines with higher total protein contents, and better foamability than those wines made from less ripen grapes. Statistical analyses showed significant positive correlations between different oenological characteristics of musts and base wines and, for the first time, a correlation between foamability and protein content of wines, in relation to grape maturity, has been shown. Except for the grape maturity, the protein content and the foamability of Champagne base wines could be strongly influenced, in the concept of ‘Terroir’, by the pair grape variety/vineyard and the climate of the vintage.The study of the press fractioning of grape juices, carried out on Chardonnay, Pinot Noir, Pinot Meunier of five vintages, showed a general evolution of the characteristics in musts and wines, during the pressing cycle that realized on industrial and laboratory scale. The composition of musts and their corresponding wines could be strongly influenced by the variability of vineyards, grape maturity, vintage and the health condition of grapes, but hardly affected by the scale and the type of press. Those sources of variability could lead to differences in protein content and foaming properties for Champagne base wines.

Cette thèse porte sur l’étude du comportement au moussage d’un élastomère silicone et de thermoplastiques vulcanisés (TPV) à base de silicone. Le moussage a été réalisé à l’aide des procédés batch et d’extrusion moussage en utilisant le CO2 comme agent moussant. Lamicrostructuration de fluorosilicone, ayant une grande affinité avec le CO2, dans la silicone favorise grandement le moussage par nucléation hétérogène. La morphologie du mélange et des mousses résultantes ainsi que la rhéologie en cisaillement et en écoulement biélongationnelont été améliorés en élaborant sous cisaillement des structures branchées de chaines silicones en présence d’un faible taux de peroxyde. En effet, la modification chimique sous écoulement permet de réduire la taille des nodules de fluorosilicone augmentant ainsi la densité volumique de sites de nucléation potentiels. Elle permet également de créer des structures hyperbranchées générant des propriétés de durcissementdes contraintes en écoulement bi-élongationnel ce qui a pour effet de réduire la croissance cellulaire et la coalescence lors de l’expansion de la mousse.La deuxième partie est dédiée à l’étude du moussage de TPV silicone pour lesquels la phase silicone est partiellement réticulée. Ces TPV ont étonnement le même comportement en rhéologie élongationnelle que la matrice polyéthylène basse densité (PEBD). Bien que les TPVs atteignent des bonnes propriétés en termes d’élongation à rupture à l’état fondu, leur comportement au moussage est très différent. En effet il est principalement lié à leur viscosité sous fort taux de cisaillement ainsi qu’aux conditions d’extrusion i.e. la pression avant filière et la détente en sortie de filière. Avec un taux de réticulation approprié de laphase élastomère, le TPV mousse de manière similaire que le PEBD / This work is devoted to the study of the foaming behavior of a silicone elastomer and thermoplastic vulcanizates (TPV) based silicone. The foaming step was carried out by batch and extrusion foaming processes with CO2 as blowing agent. The foamability of silicone elastomer was improved by a microstructuration of fluorosilicone which is a highly CO2-philic elastomer through heterogeneous nucleation. The foam and blend morphologies as well as the rheology in shear and bi-elongation modes were further fitted by branching silicone chains under shearing conditions in a roll mill with a small amount of peroxide. Indeed, this dynamic chemical modification reduces the size of fluorosilicone droplets which leads to increase the volume density of nucleating sites and consequently lowers the mean bubble size. Furthermore, it allows also the formation of multi-scale branched structures inducing a strain hardening behavior in bi-elongational flow which restrict the cell growth and coalescence during foam expansion.The second part deals with the foaming behavior of TPV silicone in which partially crosslinked silicone nodules are dispersed. Surprisingly, formulations exhibit close rheological behavior in elongation modes that the neat polyethylene (LDPE) matrix and reach prerequisites for foaming applications in terms of elongation at break. However, their foaming behavior are far different and are correlated to the extrusion foaming parameters which are known to control the nucleation i.e. the pressure before the die and the depressurization rate at the die exit. A proper choice of the gel content allows a TPV foamability close to that of LDPE

The following project deals with the optimization of simulation parameters such as the injection location and pitch angle of polyurethane foaming simulations using artificial neural networks. The model's target is to predict quality variables based on the process parameters and the geometry features. Through several evaluations of the model, good parameter combinations can be found which in turn can be used as good initial guesses by high fidelity optimization tools. For handling different mould geometries, a meshing tool has been programmed which transforms variable-sized surface meshes into voxel meshes. Cross-section images of the meshes are then passed together with a series of simulation settings to the neural network which processes the data streams into one set of predictions. The model has been implemented using the TensorFlow interface and trained with a custom generated data set of roughly 10000 samples. The results show well-matching prediction and simulation profiles for the validation cases. The magnitudes of the quality parameters often differ, but the especially relevant areas of optimal injection points are well covered. Good results together with a small model size provide evidence for a feasible and successful extension towards a full 3D application. / Följande projekt handlar om optimering av simuleringsparametrar, såsom injektionsplats och stigningsvinkel för polyuretanskummande simuleringar med hjälp av artificiella neurala nätverk. Modellens mål är att förutsäga kvalitetsvariabler baserat på processparametrarna och geometrifunktionerna. Genom flera utvärderingar av modellen kan man hitta goda parameterkombinationer som i sin tur kan användas som gedigna förutsägelser med högkvalitativa optimeringsverktyg. För hantering av olika geometriska former har ett maskverktyg programmerats som omvandlar ytmaskor med varierande storlek till voxelmaskor. Tvärsnittsbilder av maskor na tillsammans med en serie simuleringsinställningar överförs till det neurala nätverket som behandlar dataströmmarna till en uppsättning förutsägelser. Modellen har implementerats med hjälp av TensorFlow och utbildats med en anpassad genererad datauppsättning på cirka 10000 prover. Resultaten påvisar väl matchande förutsägelser och simuleringsprofiler för valideringsfall. Kvalitetsparametrarnas storlek varierar ofta, men de särskilt relevanta områdena med optimala injektionspunkter är väl täckta. Goda resultat tillsammans med en liten modellstorlek ger bevis för en genomförbar och framgångsrik förlängning mot en fullständig 3D applikation.

Actualmente, en el tratamiento de aguas residuales no se presta demasiada atención a los microorganismos que realizan la depuración ni interfieren en el proceso. Es por ello que con este estudio se pretende estudiar este tipo de microorganismos y conocer qué diversidad de microorganismos se puede encontrar, así como encontrar aplicaciones biotecnológicas a partir de ellos. El objetivo principal del trabajo es, mediante la taxonomía polifásica, estudiar la biodiversidad de actinomicetos productores de espumas, además de estudiar su capacidad de biodegradación de ciertos productos tóxicos. Esto se realizará mediante el aislamiento de la bacteria, su caracterización quimiotaxonómica (incluyendo extracción de ácidos micólicos, determinación de los isómeros del ácido diaminopimélico y la extracción de los azúcares predominantes e la pared celular), caracterización genotípica (que incluye extracción de DNA, amplificación por PCR, secuenciación y construcción e interpretación de árboles filogenéticos), caracterización fenotípica (realización de diferentes tests fenotípicos), estudios de biodegradación de productos tóxicos derivados del petróleo (fenol y naftaleno) y detección molecular del gen catecol 1,2-dioxigenasa para determinar qué aislados poseen el potencial catabólico para degradar hidrocarburos aromáticos. Con todo ello, se obtuvieron 152 aislados, pertenecientes a 28 estaciones depuradoras de aguas residuales, pertenecientes al suborden phylum Actinobacteria. Tras realizar la caracterización quimiotaxonómica se obtuvo que 147 de ellos pertenecían al suborden Corynebacterineae, 4 al suborden Pseudonocardiaceae y 1 al suborden Micrococcineae. Dentro de estos subórdenes, los aislados pertenecían a 9 géneros diferentes y a 37 especies diferentes, lo que mostró la gran diversidad existente en estos ambientes. Los ensayos de biodegradación mostraron que 76 aislados eran capaces de degradar al menos un producto tóxico (fenol o naftaleno). / Soler Hernández, A. (2012). Biodiversidad de actinomicetos aislados de plantas depuradoras de aguas residuales. Estudio de la capacidad de biodegradación de compuestos tóxicos [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14982

<p>The high temperature microstructure of the solid phases within the electric arc furnace (EAF) slag has a large effect on the process features such as foamability of the slag, chromium recovery, consumption of the ferroalloys and the wear rate of the refractory. The knowledge of the microstructural and compositional evolution of the slag phases during the EAF process stages is necessary for a good slag praxis.</p><p>In <strong>supplement 1</strong>, an investigation of the typical characteristics of EAF slags in the production of the AISI 304L stainless steel was carried out. In addition, compositional and microstructural evolution of the slag during the different EAF process stages was also investigated. Computational thermodynamics was also used as a tool to predict the equilibrium phases in the top slag as well as the amount of these phases at the process temperatures. Furthermore, the influence of different parameters (MgO wt%, Cr₂O₃ wt%, temperature and the top slag basicity) on the amount of the spinel phase in the slag was studied. In <strong>supplement 2</strong>, a novel study to characterize the electric arc furnace (EAF) slags in the production of duplex stainless steel at the process temperatures was performed. The investigation was focused on determining the microstructural and compositional evolution of the EAF slag during and at the end of the refining period.</p><p>Slag samples were collected from 14 heats of AISI 304L steel (2 slag samples per heat) and 7 heats of duplex steel (3 slags sample per heat). Simultaneously with each slag sampling, the temperature of the slag was measured. The selected slag samples were studied both using SEM-EDS and LOM. In some cases (<strong>supplement 2</strong>), X-ray diffraction (XRD) analyses were also performed on fine-powdered samples to confirm the existence of the observed phases.</p><p>It was observed that at the process temperature and at all process stages, the stainless steel EAF slag consists mainly of liquid oxides, magnesiochromite spinel particles and metallic droplets. Under normal operation and at the final stages of the EAF, 304L steelmaking slag contains 2-6 wt% magnesiochromite spinel crystals. It was also found that, within the compositional range of the slag samples, the only critical parameter affecting the amount of solid spinel particles in the slag is the chromium oxide content. Petrographical investigation of the EAF duplex stainless steelmaking showed that, before FeSi-addition, the slag samples contain large amounts of undissolved particles and the apparent viscosity of the slag is higher, relative to the subsequent stages. In this stage, the slag also includes solid stoichiometric calcium chromite. It was also found that, after FeSi-injection into the EAF and during the refining period, the composition and the basicity of the slag in the EAF duplex steelmaking and EAF stainless steelmaking are fairly similar. This indicates that, during the refining period, the basic condition for the utilization of an EAF foaming-slag praxis, in both austenitic and duplex stainless steel cases, is the same. Depending on the slag basicity, the slag may contain perovskite and/or dicalcium silicate too. More specifically, the duplex stainless steel slag samples with a higher basicity than 1.55 found to contain perovskite crystals.</p>