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Le lactose est le seul disaccharide présent dans le lait, cependant malgré ses nombreuses applications il reste un produit sous utilisé. De ce fait, il serait intéressant d’étudier sa transformation sélective par voie d’oxydation catalytique de façon à obtenir des produits dérivés du lactose pouvant être employés dans l’industrie alimentaire ou pharmaceutique. Ce travail concerne essentiellement l’oxydation catalytique du lactose en acide lactobionique en présence d’un catalyseur bimétallique à base de palladium et bismuth supportés sur la silice mesoporeuse de type SBA-15 (1,02%Pd_0,64%Bi/SBA-15). Les meilleures conditions opératoires de la réaction, comme la température, le pH et la manière d’introduire l’oxygène et son débit ont été déterminées afin d’optimiser l’activité catalytique et la sélectivité de la réaction. L’analyse par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) des échantillons de la réaction d’oxydation du lactose a montré que l’acide lactobinique est l’unique produit formé sous les conditions opératoires optimisées, à savoir: La température =65°C, pH=9 et le débit d’oxygène =40 mL/min. Le taux de conversion du lactose est alors proche de 98% avec une sélectivité envers l’acide lactobionique de 100%. Par ailleurs, il a été montré que le catalyseur réactivé par réduction sous un courant d’hydrogène, peut être réutilisé plusieurs fois, tout en conservant son activité. / Lactose is among the most abundant carbohydrates present in milk. However, despite its many applications in dairy and pharmaceutical industries, it remains underutilized. Hence, it would be interesting to study its selective transformation through catalytic oxidation to obtain derivative products with added-value that can be used in food or pharmaceutical applications. This work aims to study the lactose conversion to lactobionic acid via catalytic oxidation in the presence of a bimetallic catalyst based on palladium and bismuth supported on mesostructured silica SBA-15 (1.02% Pd_0, 64% Bi/SBA-15). The optimization of reaction parameters such as temperature, pH, oxygen rate and the strategy to introduce oxygen was carried out to determine the best operating conditions maximizing the catalytic activity and selectivity of the reaction. The analysis of the reaction samples of lactose oxidation by high-performance liquid chromatography (HPLC) showed that lactobionic acid is the only product formed under the optimized conditions, namely: temperature = 65 ° C, pH = 9 and the oxygen flow rate = 40mL/min. The conversion rate of lactose is then close to 98% with selectivity of 100 % towards lactobionic acid. Furthermore, it was shown that the catalyst reactivated by reduction under a hydrogen stream, can be reused several times, while conserving its activity.

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

Primary aluminum is produced by the electrolysis of alumina in the Hall-Héroult process. The anodes are the source of carbon required for the reduction process. They are made of calcined petroleum coke, butts, recycled anodes, and coal tar pitch. Carbon anodes constitute an important part of the aluminum production cost. During the production of aluminum, carbon anodes are consumed and CO2 is produced. CO2 further reacts with the anode carbon to produce CO. Air also reacts with the exposed anode surface to produce CO2. These reactions increase anode consumption and add to the cost of aluminum production. One of the key industrial goals is to minimize this excess consumption of anodes. The quality of prebaked carbon anodes, consumed in electrolysis during the primary aluminum production, has an important impact on the cell performance. The anode quality depends on the raw material quality and operating conditions in the anode plant. The most common metallic impurities found in cokes and anodes in aluminum industry are vanadium (V), nickel (Ni), and iron (Fe). The properties of the anode are influenced by these impurities. It is reported that they enhance the actual carbon consumption by catalyzing the air and CO2 reactivities in the electrolytic bath. There are different standard methods to quantify the impurities. The American Society for Testing and Materials (ASTM) developed different test methods using Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES), Atomic Absorption Spectrometry (AAS), and X-ray Fluorescence Spectroscopy (XRF). These standard methods require intensive sample preparation, highly skilled personnel, and costly reagents. The methods are usually time-consuming. Thus, a simple but effective tool is necessary to estimate the level of different impurities in the raw materials and the anode. In this study, colorimetric methods were developed to determine the levels of impurities (Fe, V, Ni) in cokes and anodes. In this method, the metallic impurities were extracted from the carbon sample by acids and/or electrophoresis. A certain amount of the extract was treated with reagents that can form specific color with a particular impurity. The color was analyzed using a custom-made image analysis software. The value of a particular component of the color was plotted against known concentrations of the impurities to prepare a calibration curve. The calibration curve was later used to estimate the concentration of impurity (Fe, V, Ni) in different samples with unknown concentrations. The colorimetric reagents used for the estimation of iron, vanadium, and nickel were potassium thiocyanate, N-benzoyl-N-phenylhydroxylamine, and dimethylglyoxime, respectively. It is possible to estimate the Fe, V, and Ni content in a carbon sample precisely with developed colorimetric methods in less than 30 minutes including sample preparation. In these methods, no costly ultrapure reagent was used, which reduced the cost of analysis. Anodes were fabricated using known amounts of impurities (Fe, V, Ni). The density, electrical resistivity, and air and CO2 reactivities of the anode samples were measured. The effect of the above impurities on the air and CO2 reactivities were studied. It was observed that the impurities can catalyze the reactivities of the anode depending on the relative amount of other impurities. An artificial neural network method, which was previously developed by the carbon group, was trained using the experimental data; and the effect of the impurities on the reactivities was also analyzed. This study was carried out within the framework of the University of Quebec at Chicoutimi (UQAC) and Aluminerie Alouette Inc. (AAI) Research Chair on the Utilization of Carbon in Primary Aluminum Industry (UQAC/AAI Research Chair on Carbon). L'aluminium primaire est produit par l'électrolyse de l'alumine en utilisant le procédé Hall-Héroult. Les anodes sont la source de carbone nécessaire pour le procédé de réduction. Elles sont faites du coke de pétrole calciné, des mégots, des anodes recyclées et du brai de goudron de houille. Les anodes de carbone constituent une partie importante du coût de production de l'aluminium. Lors de la production d'aluminium, les anodes de carbone sont consommées en produisant du CO2. Le CO2 réagit avec le carbone de l'anode et produit du CO. L'air réagit également avec la surface exposée de l'anode et produit aussi du CO2. Ces réactions augmentent la consommation de l'anode et le coût de production de l'aluminium. L'un des objectifs principaux de l’industrie est de minimiser cette consommation excessive d'anodes. La qualité des anodes de carbone précuites, consommées en électrolyse lors de la production d'aluminium primaire, a un impact important sur la performance de la cellule d’électrolyse. La qualité de l'anode dépend de la qualité de la matière première et des conditions d’opération dans l'usine d'anodes. Les impuretés métalliques présentes habituellement dans les cokes et les anodes dans l'industrie de l'aluminium sont le vanadium (V), le nickel (Ni) et le fer (Fe). Les propriétés de l'anode sont influencées par ces impuretés. Selon la littérature, elles augmentent la consommation de carbone réelle en catalysant les réactivités à l'air et au CO2 durant l’électrolyse. Il existe différentes méthodes standards pour quantifier les impuretés. The American Society for Testing and Materials (ASTM) a mis au point différentes méthodes standards qui requit l’utilisation de la spectrométrie d'émission atomique couplée par plasma inductif (ICP-AES), de la spectrométrie d'absorption atomique (AAS) et de la spectroscopie de fluorescence X (XRF). Ces méthodes standards nécessitent une préparation intensive des échantillons, un personnel hautement qualifié et des produits chimiques coûteux. Les méthodes prennent généralement beaucoup de temps. Ainsi, un outil simple, mais efficace est nécessaire pour estimer le niveau des différentes impuretés dans les matières premières et l'anode. Lors de cette étude, des méthodes colorimétriques ont été développées pour déterminer la teneur d'impuretés (Fe, V, Ni) dans les cokes et les anodes. Selon cette méthode, les impuretés métalliques ont été extraites de l'échantillon de carbone par des acides et/ou de l’électrophorèse. Une certaine quantité de l'extrait a été traitée avec des réactifs qui peuvent former une couleur spécifique avec une impureté particulière. La couleur a été analysée en utilisant un logiciel d’analyse d’image développé par le groupe de carbone à l’UQAC. La valeur d'un composant particulier de la couleur a été tracée en fonction des concentrations connues des impuretés pour préparer une courbe d'étalonnage. La courbe d'étalonnage a ensuite été utilisée pour estimer la concentration d'impureté (Fe,V, Ni) dans les différents échantillons pour lesquels les concentrations étaient inconnues. Les réactifs colorimétriques utilisés pour l'estimation du fer, du vanadium et du nickel étaient respectivement le thiocyanate de potassium, la N-benzoyl-N-phénylhydroxylamine et la diméthylglyoxime. Il est possible d'estimer précisément la teneur en Fe, V et Ni dans un échantillon de carbone en moins de 30 minutes avec les méthodes colorimétriques développées, y compris la préparation des échantillons. Aucun réactif ultra-pur coûteux n'a été utilisé, ce qui a réduit le coût de l'analyse. Des anodes ont été fabriquées en utilisant des quantités connues d'impuretés (Fe,V,Ni). La densité, la résistivité électrique et les réactivités à l'air et au CO2 des échantillons d'anode ont été mesurées. L'effet de ces impuretés sur les réactivités à l'air et au CO2 a été étudié. Il a été observé que les impuretés peuvent catalyser les réactivités de l'anode en fonction de la quantité relative par rapport à d'autres impuretés. Un modèle basé sur le réseau de neurones artificiels (RNA), précédemment développé par le groupe de carbone, a été entrainé en utilisant les données expérimentales. Par après, l'effet des impuretés sur les réactivités a été analysé. Cette étude a été réalisée dans le cadre de la Chaire de recherche Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) et Aluminerie Alouette Inc. (AAI) sur l’utilisation du carbone dans l’industrie d’aluminium (Chaire de recherche UQAC/AAI sur le carbone).

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

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

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