L'accumulation de la glace et de la neige mouillée sur les structures, notamment sur les équipements des réseaux aériens de transmission et distribution de l'énergie électrique, est un problème grave pour les régions soumises au givrage atmosphérique. Pour contrer ce problème, différentes techniques de dégivrage et d'antigivrage ont été développées. Cependant, la plupart des techniques actuellement utilisées, appelées méthodes actives de déglaçage, sont utilisées là où les accumulations de glace ou de neige sont considérables. De nouvelles méthodes, plus efficaces, consistant en la création de revêtements anti-givres ou glaciophobes pour inhiber ou retarder l'accumulation de glace gagnent en popularité. La corrosion des surface métalliques devrait être également prise en compte parce que le métal ou les alliages métalliques sont soumis à un environnement humide et agressif, et donc le développement de tout revêtement glaciophobe sur les surfaces d'aluminium est étroitement lié à la protection anti-corrosive du métal. Par conséquent, les efforts pour préparer des revêtements (une couche ou multi-couches) sur des substrats polis d'AA6061 et AA2024 combinant à la fois réduction de l'adhésion de la glace et une meilleure résistance à la corrosion ont été réalisés dans ce travail de recherche. Les stabilités des revêtements en milieu aqueux et leurs propriétés glaciophobes furent systématiquement étudiées. Par conséquent, ce travail de recherche a tenté d'étudier l'influence de la rugosité de la surface sur les propriétés glaciophobes et de l'hydrophobicité de ces surfaces. Tous les revêtements élaborés ont montré une perte graduelle de leurs propriétés hydrophobes après environ 1000 h d'immersion dans l'eau. La corrosion des surfaces a également été observée, sauf pour les surfaces traitées avec des revêtements de conversion permanganate, ce qui a fourni une bonne protection anti-corrosive. Toutes les surfaces planes avec revêtement ont montré des valeurs de contrainte de cisaillement (détachement de glace) au moins -1. 5 fois inférieures comparées aux surfaces non- revêtues (poli miroir de Al) et environ ~ 2 fois inférieures à celles d'échantillons bruts. Les valeurs des facteurs de réduction d'adhérence (FRA) ont diminué après 12 événements de givrage/dégivrage, ce qui implique une certaine dégradation des revêtements. Tous les échantillons à relief inégal super-hydrophobes ont donné des valeurs de contrainte de cisaillement au moins ~ 4 à 7 fois plus faibles que celles obtenues sur les surfaces d'échantillons bruts de Al. Après 24 expériences de givrage/dégivrage, toutefois, la force d'adhérence de la glace a augmenté de manière significative sur ces surfaces par un facteur de ~ 2 après 24 cycles de givrage/dégivrage. En outre, toutes les surfaces plates et rugueuses revêtues ont progressivement perdu leurs propriétés hydrophobes après presque chaque cycle de givrage/dégivrage. La capacité de détachement de glace de tous les échantillons testés a été évaluée en fonction du temps. Nos études montrent, donc, qu'il est possible de préparer des revêtements qui offrent une adhérence réduite de glace sur les surfaces en aluminium avec certains degrés de protection contre la corrosion.

Les composites à matrices métalliques (CMM) ont intéressé l'industrie de l'aluminium (Al- AI2O3, Al-SiC) à cause de la supériorité de leurs propriété mécaniques comparée à celles d'alliage d'aluminium. Les composites d'aluminium-BziC (CMM) sont devenue importante pour l'industrie de l'aluminium à cause de leurs utilisations dans des applications de haute performance telles que le stockage de rejets nucléaires radioactifs, les avions et les structures aérospatiales, dues à leur capacité d'absorber des neutrons, leur légèreté, leur haute résistance et leur rigidité. La production des matrices métalliques (CMM) de B4C- aluminium n'est pas une tâche facile à cause de la faible mouillabilité de B4C par l'aluminium. De plus, B4C n'est pas stable quand il est en contact avec l'aluminium. Les analyses de l'interface basées sur la microscopie optique et la microscopie électronique à balayage ont indiqué la formation des particules d'A^BC et d'AlB2 autour de la particule de B4C. Cette réaction est incessante et elle a comme conséquence l'épuisement de la concentration de B4C, la diminution de la fluidité de la fonte et la détérioration de ses propriétés mécaniques et physiques. Pour empêcher la perte de B4C, le Ti est ajouté à l'aluminium. Le Ti a de l'affinité à réagir avec B4C et forme une couche protectrice autour de la particule. Les objectifs du projet sont d'étudier la mouillabilité des systèmes B4C/aluminium et B4C/alliage d'aluminium-titane et d'identifier d'autres éléments d'alliage potentiels pour protéger B4C. Les expériences de mouillabiîité sont effectuées pour mesurer les angles de contact de B4C aussi bien que ceux des produits de réaction entre les éléments d'alliage et B4C. Aussi, l'effet de la teneur en Ti de l'aluminium sur la mouillabilité de B4C a étém étudié. Les résultats des expériences montrent que l'addition de titane et de zirconium à l'aluminium a un effet positif fort sur le mouillage entre les particules de B4C et le métal liquide. Afin de comprendre les effets que la réaction produit sur la mouillabilité, les angles de contact entre les produits de la réaction (particules de TiC, T1B2, AIB2 and AI4C3) et l'aluminium ont été mesurés à 750°C et 850°C. Les résultats démontrent également que la mouillabilité de B4C augmente avec la température et le temps de contact. On a constaté que les particules de l'Allé disparaissent avec l'addition de Ti et de nouvelles particules en forme d'aiguille (T1B2) riches en Ti se forment autour des particules de B4C. Celles-ci agissent comme une barrière qui isole le B4C de la matrice d'aluminium. On observe également que la formation d'A^BC diminue avec l'augmentation de la teneur en Ti. Cependant, si on continue d'augmenter la teneur en Ti, des plaques intermétalliques d'AOTi se forment ce qui réduit la mouillabilité. Cette étude a démontré qu'il y a une teneur en Ti optimale où le mouillage est le meilleur. Cette valeur semble être autour de 1.5%Ti. L'augmentation de la teneur en Ti au delà de cette concentration détériore le mouillage. L'aluminium est une des industries principales au Canada et au Québec, et les résultats de cette étude aideront à améliorer la qualité du produit grâce au transfert de la technologie vers l'industrie.

Dans le cadre de la maîtrise en Ingénierie de l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC), ce mémoire présente une étude portant sur les principaux paramètres susceptibles d'améliorer la clarté d'une suspension de boue rouge par floculation. Ce travail de recherche a été réalisé en collaboration avec le Groupe de Recherche Universitaire en Séparation Solide Liquide (GRUSSL) de l'UQAC et le Centre de Recherche et de Développement Arvida (CRDA) du groupe Alcan. Tous les essais de floculation ont été effectués suivant la méthodologie du test du cylindre. Cette méthodologie permet d'estimer l'efficacité de l'étape de décantation du procédé Bayer. Trois mesures importantes sont déterminées par cette méthodologie : la vitesse de sédimentation, la clarté du liquide surnageant (exprimé en mg/L) et le pourcentage de solides dans le sédiment final. Évidemment, des corrélations sont observées entre les résultats obtenus par ce test et ceux obtenus pour les decanteurs en usine. L'objectif principal de ce projet était de réduire la quantité de matières particulaires en suspension dans la surverse à un niveau inférieur à ceux retrouvé actuellement en usine. Pour arriver à réaliser une étude comparative sur la clarté d'une surverse, la méthodologie du test du cylindre a été optimisée afin de réduire la variabilité des mesures de vitesse de décantation pour des essais effectués dans les mêmes conditions expérimentales. L'optimisation de la méthodologie du test du cylindre a permis de réduire considérablement la variabilité des mesures de vitesse. Des écarts de 5% et moins sont maintenant obtenus pour des vitesses de sédimentation entre un polymère d'essai et un polymère témoin. Les essais de clarté ont été réalisés en deux parties : une première partie des essais a été effectuée aux conditions d'opération retrouvées en usine, au niveau des décanteurs secondaires ou laveurs, et la seconde partie des essais a été réalisée aux conditions d'opération retrouvées en usine, dans les decanteurs à haut rendement (DHR). Les variables à l'étude sont le type d'agents de floculation, le dosage et la séquence d'injection des polymères, la concentration en matières particulares de la suspension et la concentration des solutions de polymère. Au niveau des décanteurs secondaires, l'augmentation de la concentration de la solution de polymère ainsi que de la concentration en matières particulares de la suspension ont permis de mettre en évidence une amélioration notable de la clarté d'une surverse. La double addition de polymère s'est révélée très efficace puisqu'elle a permis d'atteindre l'objectif principal. Cette addition a permis de réduire de moitié la clarté d'une surverse. Toutefois, l'amélioration la plus significative de la clarté a été obtenue avec la triple addition de polymère. Le meilleur résultat obtenu pour la clarté est de 2,2 mg/L En usine, les mesures de clarté se situent généralement entre 150 et 200 mg/L avant l'étape de filtration du procédé. Après l'étape de filtration en usine, cette mesure est d'environ 10 mg/L. La triple addition de polymère est donc très efficace pour réduire la clarté d'une surverse. Au niveau des décanteurs à haut rendement, l'augmentation de la concentration en matières particulaires de la suspension a également permis de mettre en évidence une amélioration significative de la clarté de la surverse. Pour cette partie des expérimentations, l'amélioration la plus notable de la clarté d'une surverse a également été obtenue avec la triple addition de polymère. Le meilleur résultat obtenu pour la clarté est de 11,6 mg/L. La triple addition de polymère est par conséquent très efficace, à deux différentes conditions d'opération, puisqu'elle permet d'atteindre un niveau de clarté équivalent ou inférieur à ceux obtenus en usine après l'étape de filtration dans le procédé Bayer.

Les boues rouges sont un résidu du procédé Bayer. Elles sont constituées d'une phase solide en suspension dans une phase liquide. Il est nécessaire de séparer les deux phases à de multiples reprises au cours du procédé. Pour ce faire, les boues rouges doivent subir un processus de floculation avant d'être séparées par décantation. La floculation est présentement réalisée dans un puits d'alimentation, un système fonctionnel mais problématique à plusieurs niveaux. Ce document présente le développement d'une nouvelle technologie visant à remplacer le puits d'alimentation. Le « floculateur » a comme objectif de floculer une suspension de boues rouges aussi efficacement que possible tout en étant robuste par rapport aux fluctuations du système. Tout d'abord, les matières premières sont caractérisées. Ensuite, la théorie pertinente sur le procédé Bayer, la séparation solide-liquide et la CFD est présentée, accompagnée d'une analyse du circuit de lavage à contre-courant. Il y est démontré qu'un floculateur idéal devrait pouvoir traiter une alimentation ayant une concentration de solide aussi élevée que 400 g/1. De plus, une étude détaillée de la sonde Lasentec - le principal instrument de mesure du projet - est réalisée. Les différentes variables permettant de quantifier la distribution granulométrique sont analysées et les meilleures sont sélectionnées. Une revue exhaustive de la littérature sur les puits d'alimentation et de tous les brevets reliés à la floculation au cours des 25 dernières années est aussi incluse. Par la suite, le puits d'alimentation est simulé par CFD. Deux geometries sont considérées : un puits pilote et un puits industriel. Un modèle de floculation est développé et incorporé aux simulations. Les résultats indiquent que l'étape de dispersion du floculant est problématique à l'échelle industrielle. De plus, la dispersion demeure inadéquate peu importe la position de l'injection de floculant. Améliorer l'étape de dispersion devient donc la priorité du floculateur. La solution élaborée consiste à amincir et accélérer l'écoulement afin d'injecter le floculant sur une grande surface. De cette façon, les simulations montrent qu'une dispersion homogène est atteinte pour des temps de mélange de l'ordre du centième de seconde. Un premier prototype du nouveau floculateur permettant de traiter 4 m3/h est conçu, fabriqué et testé sous différentes conditions. Une version améliorée est ensuite construite et testée. Un système d'injection de floculant est également développé. Les résultats montrent une très bonne floculation pour la plupart des conditions d'opérations (médiane de l'ordre de 1000 \xm). Les performances sont excellentes jusqu'à une vitesse de 5 m/s et pour un dosage supérieure à 80 g/t. La concentration de solide de l'alimentation est testée jusqu'à 400 g/l. Les résultats sont ambigus-, mais ils soulèvent la possibilité que le floculateur soit efficace à de telles concentrations. Enfin, un troisième prototype à l'échelle semi industrielle est développé et construit. Il peut traiter un débit volumique de 54 m3/h. Pour terminer, une étude de la transition à l'échelle industrielle est effectuée. Il est montré que le floculateur a la capacité de traiter des débits volumiques allant jusqu'à 1800 m3/h. De plus, une analyse de quelques alternatives simples est présentée. À défaut d'utiliser le floculateur, il est fortement recommandé aux industries d'injecter le floculant dans la conduite de façon aussi uniforme que possible un mètre ou deux avant l'entrée du puits. Un compromis entre le floculateur et le puits d'alimentation est également suggéré.

High temperature heat treatment of wood is an alternative to chemical treatment which is harmful to the environment as well as human health. The heat-treated woods have higher durability against biological attacks, higher dimensional stability, and higher thermal insulating capacity, and attractive dark brown color compared to conventionally oven-dried wood. Unfortunately, this dark brown color is not stable in outer environment and turns to grey or white if not protected. Especially sunlight (UV and visible light) and water (moisture or rain) are the two main components responsible for the discoloration of heattreated wood. Although numerous research studies are published which are devoted to understanding the degradation behavior of natural wood and their protection mechanism, few are reported on the discoloration of heat-treated wood and none is available on their protection mechanism. Commercially available coatings are usually highly pigmented and contain toxic compounds. This thesis focuses on the development of a transparent or semitransparent non toxic coating to prevent or delay discoloration and degradation of heat-treated wood. In this study, one soft wood species (jack pine) and two hard wood species (quaking aspen, white birch) are considered. This study has two parts. The first part is to study potential components of the transparent non toxic protective coatings. The second part involves the evaluation of these coatings. Several approaches are used for the first part. The first approach is based on the development of different organic and inorganic UV stabilizers and natural antioxidants (bark extracts, needle extracts, and even organosolv nano lignins). The second approach is the investigation of different inorganic micro and nano UV absorbers (micro and nano titania particles, ZnO nano particles, and CeO2 nano particles) alone or together with natural antioxidants. The third approach concerns with the investigation of different base polymers (sol-gel coating, soy based polymer coating, and acrylic polyurethane coatings) to be used with the above mentioned additives. In the second part, effectiveness of the coatings with different additives is examined and compared with that of an industrial coating commonly used. The results showed that the acrylic polyurethane with bark extracts and lignin stabilizer or with CeO2 nano particles alone or together with lignin stabilizer performed better than the industrial coatings considered during this study for the protection of heat-treated wood during accelerated aging. Up to date, there are no coatings available in the market developed especially for heat-treated woods. Therefore, this study gives an insight into the protection mechanism of heat-treated wood. The results indicate that highly toxic and pigmented industrial coatings could be replaced by the coatings developed during this study as they are more effective. Bark extracts, due to their high antioxidant properties, can be a potential additive for the wood coatings. A lot of research focuses on the inorganic UV absorbers; however, there exist one or two studies on CeO2 nano particles. This thesis will provide a pathway for the use of CeO2 nano particles in wood coatings. Therefore, the findings of this thesis constitute a major contribution to the wood coatings industry. Le traitement du bois à haute température est un alternatif au traitement chimique qui est néfaste pour l'environnement aussi bien que à la santé humaine. Le bois traité thermiquement a plus de durabilité face à l'attaque biologique, une plus haute stabilité dimensionnelle, une meilleure capacité d'isolation thermique et une couleur brun foncé plus attrayante que le bois séché dans le séchoir conventionnel. Malheureusement, cette couleur brun foncé n'est pas stable dans l'environnement externe et devient gris ou blanc si non protégée. Particulièrement les rayons du soleil (UV et lumière visible) et l'eau (humidité ou pluie) sont les deux facteurs principaux responsables de la décoloration du bois traité thermiquement. Bien que plusieurs études sur le bois naturel se soient penchées sur la compréhension de la dégradation et sur les mécanismes de protection, un nombre très limité d'études porte sur la décoloration du bois traité thermiquement et sur les approches potentielles de protection. Les revêtements disponibles commercialement sont hautement pigmentés et contiennent des composés toxiques. Cette thèse met l'emphase sur le développement des revêtements transparents ou semi-transparents non toxiques, pour empêcher ou retarder la décoloration ou la dégradation du bois traité thermiquement. Une espèce de bois mou (pin gris) et deux espèces de bois durs (peuplier faux tremble, bouleau blanc) ont été considérées dans cette étude. Cette étude est faite en deux parties. La première partie porte sur les composantes potentielles de revêtements protecteurs transparents non toxiques. La deuxième partie traite de l'évaluation de ces revêtements. Plusieurs démarches sont utilisées pour la première partie. La première est basée sur le développement de différents stabilisateurs UV organiques et inorganiques et antioxydants naturels. La deuxième façon est l'examen de différents micro et nano absorbeurs UV inorganiques (micro et nano particules de titane, nano particules de ZnO et CeO2), seuls ou avec des antioxydants naturels. La troisième approche concerne l'analyse des différents polymères de base utilisés avec les additifs mentionnés ci-dessus. L'efficacité des revêtements avec différents additifs a été examinée dans la deuxième partie et comparée à celle d'un revêtement industriel couramment utilisés. Les résultats démontrent que l'acrylique polyuréthane avec l'extrait d'écorce et le stabilisateur de la lignine ou avec les nano particules de CeO2 seul ou avec le stabilisateur de la lignine performent mieux que le revêtement industriel considéré lors de l'étude de la protection du bois traité thermiquement pendant le vieillissement accéléré. Jusqu'à présent, aucun revêtement développé spécialement pour le bois traité thermiquement n'est disponible sur le marché. Cette étude fournit donc un regard sur le mécanisme de protection du bois traité thermiquement. Les résultats indiquent que les revêtements industriels pigmentés et hautement toxiques peuvent être remplacés par des revêtements développés lors de cette étude parce qu'ils sont plus efficaces. Les extraits d'écorces, à cause de leurs propriétés hautement anti-oxydantes, peuvent être un additif potentiel pour le revêtement du bois. Bien que plusieurs recherches se concentrent sur l'absorbeur UV inorganique, il existe cependant une ou deux études sur les nano particules de CeO2. Cette thèse pave la voie à l'usage des nano particules de CeO2 dans le revêtement de bois. Par conséquent, les résultats de cette thèse constituent une contribution majeure pour l'industrie du revêtement de bois.

In the high temperature heat treatment process, wood is subjected to temperatures ranging from approximately 180°C to 250°C depending the type of the species and desired physico-mechanical characteristics. The process aims to reduce the hydrophilic behavior of wood by the three-dimensional modification of its chemical structure through heat treatment in a controlled atmosphere. The high temperature heat treatment of wood was previously developed in Europe and recently introduced to the North America. The technology is new in Canada and several research activities have been started in order to better understand the process and its parameters and to improve them. This research work's objective is to develop a mathematical model based on fundamental engineering principles and to analyze the process parameters and the final properties of wood in order to establish a relationship between them during the high temperature heat treatment of wood. The model simulates the unsteady state flow, heat and mass transport phenomena occurring simultaneously in the heat treatment unit and predicts the change of moisture content and temperature at designated mesh points in the wood during the treatment. The main advantage of the model is that the effect of the possible modifications in the process parameters on the final properties of wood can be determined without extensive experimentation. As a first step of the project, a detailed literature research was carried out on wood structure, properties, moisture relations, chemical changes caused by the treatment and coupled heat and mass transfer. The preliminary 3D steady-state flow models focusing on the gas injection and wood packing configuration gave a good idea of the gas velocity at injection and between the wood channels. Then a 3D steady state flow model of the furnace predicts the distribution of the gas in the whole fumace. Different injection velocities, angles, and furnace modifications were modelled in order to obtain uniform flow conditions. The best gas distribution was obtained with the new injection geometry. A lD unsteady-state heat transfer model of wood was introduced into the 3D unsteady-state heat transfer and flow model of gas; and the temperature distribution in the wood was calculated. Finally the lD unsteady-state coupled heat and mass transfer model of wood is added to the 3D unsteady-state flow, heat and mass transfer model of gas. The temperature and humidity distributions in the wood and in the gas were obtained. This study showed that the distribution of the gas is not uniform in the fumace. As a result of the non-uniform flow, the temperature and humidity distributions in the gas and in the wood are not uniform. The model results are validated with the available plant data. The results, temperature profile in the wood and the final moisture content of the wood, are in good agreement with the experimental results. The considered and suggested modifications in this work became the subject of other research activities and tested experimentally. The geometrical and operational modifications seemed to improve the final product uniformity. Dans un procédé de traitement thermique du bois à haute température, le bois est chauffé à des températures entre 180°C et 250°C et ce, selon l'essence à traiter et les propriétés physico-mecaniques désirées. Le procédé a pour but de diminuer le comportement hydrophile du bois par une modification tridimensionnelle de sa structure chimique à l'aide d'un traitement thermique dans une atmosphère contrôlée. Le traitement du bois à haute température fut développé en Europe et récemment introduit en Amérique du Nord. La technologie est par conséquent très nouvelle au Canada et plusieurs activités de recherches furent amorcées afin de mieux comprendre et d'améliorer le procédé et ces différents facteurs d'influence. L'objectif de la recherche consiste en la réalisation d'un modèle mathématique, basé sur des principes physiques et chimiques fondamentaux, permettant de simuler 1'évolution et l'interaction des différents paramètres du procédé, de même que des propriétés fmales du bois lors d'un traitement à haute température. Le modèle simule le transfert de quantité de mouvement, de chaleur et de masse et ce, de façon simultanée, en régime transitoire. Il permet de prédire les changements d'humidité et de température aux points désirés d'un maillage dans le bois lors d'un traitement. Le principal avantage du modèle est de permettre une foule de simulations en vue d'optimiser les différents paramètres du procédé tout en ayant une idée de l'impact sur les propriétés finales du bois sans pour autant avoir à réaliser l'ensemble de ces essais en laboratoire. La première étape dans la réalisation du projet a consisté en une recherche bibliographique sur la structure et les propriétés du bois, sur la relation entre l'humidité et le bois, sur les changements chimiques favorisés par le traitement à haute température et sur le transfert de chaleur et de mass couplé. Un modèle préliminaire d'écoulement de gaz en régime permanent (3D), où l'accent a été mis sur les configurations des injecteurs et du bois dans le four, a permis de mettre en évidence les vitesses d'écoulement entre les rangées de bois. Un autre modèle d'écoulement (3D) a permis de mettre en évidence la distribution des gaz dans le four. À l'aide de ce modèle, différentes configurations furent simulées (vitesses et angles d'injection des gaz, géométrie du four) afin d'obtenir des conditions d'écoulement plus uniformes. Le changement de design des injecteurs a permis une nette amélioration quant aux régimes d'écoulement dans le four. Un modèle transitoire unidimensionnel de transfert de chaleur dans le bois fut combiné avec un modèle tridimensionnel de transfert de quantité de mouvement et de chaleur dans les gaz. La distribution modélisée de température dans le bois fut comparée avec des mesures industrielles. La dernière étape de modélisation fut de réaliser un modèle couplé unidimensionnel de transfert de chaleur et de masse dans le bois en simulant comme conditions environnante, un modèle tridimensionnel en régime transitoire de transfert de quantité de mouvement, de chaleur et de masse. Cette modélisation a permis de simuler la distribution de la température et de l'humidité dans le bois et dans le gaz. La présente étude a permis de conclure que la distribution des gaz dans le four n'est pas uniforme. Cette conclusion a pour conséquence que la distribution des températures et de l'humidité dans les gaz et dans le bois n'est également pas uniforme. Les résultats du modèle furent validés avec des données de l'industrie et démontrent une bonne représentativité. Les modifications géométriques et opérationnelles suggérés tendent à améliorer l'uniformité de produit finale. D'autres projets de recherche ont permis et permettront de valider expérimentalement l'ensemble des concepts d'optimisation suggérés dans cette étude.

One of the major components of the primary aluminum fabrication process is carbon anode manufacturing. High density, low electrical resistivity, and consistence of the quality of anodes are of utmost interest in aluminum industry. This work was undertaken to determine the desired coke properties which have notable impact on coke/pitch wetting and the influence of some of these properties on anode quality, and finally to identify the factors effecting the consumption of industrial anodes throughout the entire process. Wettability of a coke by a pitch provides important information about the compatibility of a coke/pitch pair and mixing conditions. The ability of a liquid pitch to wet petroleum coke can be determined by means of the sessile-drop test. Different surface characterization techniques (SEM, optical microscopy, FT-IR, XPS, etc.) are used to establish the relation between the surface characteristics of different calcined cokes and their wettability by pitch. Physical characteristics such as crystalline length, porosity, and shape of coke particles were measured by XRD, pycnometer, and optical microscope, respectively. The factors that had the greatest influence on pitch wettability were coke porosity, particle shape, crystalline length, and finally surface chemical compositions. The available anode-quality petroleum coke is not sufficient to cover the need created by the increase in the world aluminum production. Understanding the consequences of varying calcined coke quality is necessary to possibly compensate and adjust the anode paste recipe in the subsequent use of coke in order to obtain economically viable production of aluminium. A new anode recipe (by adjusting the medium fraction in the paste) was proposed based on the predictions of an ANN model, which resulted in improved anode properties. Combined effects of coke calcination level, anode baking level, and sulfur content on anode properties were studied. Under-calcined coke gained interest as raw material for anodes used in aluminum production since it was reported in the literature that anodes produced with this coke have lower CO2 reactivity in the electrolytic cell. The cokified pitch and the petroleum coke reactivity become similar in anodes made of under-calcined coke depending on their baking conditions. Reactivities of the anodes produced from under-calcined coke were compared with those of the anodes produced from standard calcined coke. The former exhibited lower air reactivity and dusting (due to air reactivity) as well as similar CO2 reactivities and lower dusting (due to CO2 reactivity) at lower baking temperatures. Additionally, increase in sulfur was found to increase the air reactivity and decrease the carboxy reactivity. Dusting due to both air and CO2 reactivities decreased as the sulfur content increased. Increasing baking temperatures decreased both of the reactivities and dusting. The effects of the process parameters of industrial anode production as well as the impact of raw material properties on pitch distribution in anodes were studied. Pitch acts as the binder material for coke and butt, and its homogeneous distribution in a green anode has a great influence on the properties of baked anodes. An image analysis technique was developed by the UQAC/AAI Chair, which was used to analyze and quantify the weight percentages of pitch in green and baked anodes. This study demonstrated that the pitch distribution in a green/baked anode is dependent on different process parameters and raw materials used. The influence of top bellow pressure, paste recipe (amount of fine and recycled butts), and anode properties (crystalline length and electrical resistivity) on anode CO2 reactivity was studied extensively by developing an ANN model. It was found that the CO2 reactivity increases with increasing anode crystalline length, amount of fine particles, recycled butt content, and electrical resistivity and decreases with increasing bellow pressure. During mixing, the coarse particles might break, which would change the anode recipe, consequently, the anode properties. An inexpensive, quick, and nontoxic pitch separation method was developed. This method helps study the kneader performance by closely monitoring the effect of kneading action on granulometry during paste preparation. Considering all the findings of this work, this thesis constitutes a major technical and scientific contribution in the field of carbon anode production. La fabrication des anodes en carbone représente l'un des principaux éléments du processus de production de l'aluminium primaire. L’intérêt principal de l'industrie de l'aluminium est de former des anodes de haute densité avec une constance au niveau de la qualité. Ce travail a été entrepris pour l’identification de propriétés du coke qui présente une influence significative sur la mouillabilité du coke par le brai, l'évaluation de l’impact de certaines de ces propriétés sur la qualité des anodes et finalement l’identification des facteurs affectant la consommation des anodes industrielles dans toutes les étapes du procédé de fabrication des anodes. La mouillabilité du coke par le brai fournit des informations importantes sur la compatibilité du pair coke/brai et sur les conditions de malaxage. Les interactions qui ont lieu à ce stade affectent directement les propriétés finales de l’anode. La capacité d’un brai liquide à mouiller le coke de pétrole est déterminée par le test de la goutte-sessile. Différentes techniques de caractérisation de surface (MEB, microscopie optique, FT-IR, XPS, etc.) ont été utilisées pour établir la relation entre les caractéristiques surfaciques pour différents cokes calcinés et leurs mouillabilités par le brai. Les caractéristics physiques comme la longueur cristalline, la porosité, et la forme des particules de coke ont été mesurées respectivement par la diffraction des rayons X (XRD), le pycnomètre, et le microscope optique. Les facteurs qui ont eu la plus grande influence sur la mouillabilité du brai étaient la porosité du coke, la forme des particules, la longueur cristalline, et finalement la composition chimique de surface. La qualité du coke de pétrole disponible pour fabriquer les anodes n’est pas suffisante pour couvrir les exigences survenues par l'augmentation de la production mondiale de l’aluminium. La compréhension des conséquences de la variation de la qualité du coke calciné est nécessaire pour ajuster la recette de pâte d’anode pour ces différents cokes afin d’obtenir une production économique de l’aluminium. Une recette d’anode améliorée (en optimisant la quantité de la fraction moyenne dans la pâte) présentant une amélioration au niveau des propriétés des anodes a été formulée en se basant sur les prédictions d’un modèle de réseaux de neurones artificiels (RNN). Les effets combinés du niveau de calcination de coke, de la température de cuisson de l’anode et de la teneur en soufre sur les propriétés des anodes ont été étudiés. L’intérêt pour l’utilisation du coke sous calciné comme matière première pour la production de l’aluminium a augmenté car il a été rapporté dans la littérature que les anodes produites avec le coke sous calciné ont de faibles réactivités au CO2 dans les cuves d’électrolyse. Les réactivités du brai cokifié et du coke de pétrole deviennent similaires dans les anodes faites avec du coke sous-calciné dépendant les conditions de cuisson. L'étude a confirmé que les anodes produites avec du coke sous calciné démontraient une diminution des réactivités et des poussières à des températures de cuisson moins élevées. De plus, le soufre agit comme un catalyseur dans le cas de la réactivité à l’air et comme un inhibiteur pour la réactivité au CO2. Dans cette partie de l’étude, l'effet des paramètres du processus de la fabrication des anodes industrielles et l’influence des propriétés des matières premières sur la distribution du brai dans les anodes ont été étudiés. Le brai agit comme un liant pour le coke et le mégot et sa répartition homogène dans une anode crue à une grande influence sur les propriétés des anodes cuites. Une technique de l'analyse d'image a été développée par la chaire UQAC/AAI permettant d'analyser et de quantifier les pourcentages en poids du brai dans les anodes crues et cuites. Cette étude a démontré que la distribution du brai dans les anodes crues et cuites dépend des différents paramètres du procédé et des matières premières utilisées. Un modèle RNA a été développé afin d’étudier l’influence de la pression des ballons du haut, de la recette de la pâte (la quantité des fines et des mégots) et les propriétés des anodes (longueur cristalline et résistivité électrique) sur la réactivité au CO2 des anodes. Il a été obtenu que la réactivité au CO2 augmente avec l’augmentation de la longueur cristalline de l'anode, de la quantité des particules fines et des mégots et de la résistivité électrique des anodes. Une diminution de la réactivité au CO2 a été observée avec l'augmentation de la pression des ballons du haut. Durant le malaxage, les grosses particules pourraient être cassées, ce qui changerait la recette d'anode et par conséquent les propriétés des anodes. Une méthode simple, non toxique, rapide et peu chère pour l’extraction du brai a été développée. Cette méthode permet d’étudier la performance du malaxeur et l'effet de malaxage sur la granulométrie pendant la préparation de la pâte. En considérant tous les résultats de cette étude, cette thèse constitue une contribution technique et scientifique majeure dans le domaine de la fabrication des anodes de carbone.

La fabrication de l’aluminium est réalisée dans une cellule d’électrolyse, et cette opération utilise des anodes en carbone. Les anodes sont fabriquées en mélangeant des matières carbonées (du coke de pétrole, des rejets crus et cuits et des mégots) avec du brai de goudron pour former un matériau ayant une consistance pâteuse. Ensuite, ce matériau est vibrocompacté en forme de gros blocs et puis il est cuit afin de carboniser le liant. Les anodes conduisent le courant électrique nécessaire de la barre jusqu’à l’électrolyte pour la production de l’aluminium par le processus de l’électrolyse. Le carbone est oxydé dans le bain d’électrolyse pendant la réduction de l’alumine. La cuisson représente de loin l’étape la plus coûteuse dans la fabrication d’anodes [1]. La qualité finale des anodes de carbone et leur comportement dans les cellules d’électrolyse dépendent des conditions du procédé de cuisson. L’amélioration du processus de cuisson d’anodes est une belle opportunité pour réduire les coûts de production et l’émission des gaz à effet de serre. L’objectif global de ce projet est l’étude de l’effet des paramètres de cuisson sur la qualité finale des anodes cuites. Ces paramètres incluent ceux de la fabrication des anodes crues, des propriétés des matières premières et le taux de chauffage. Une recherche bibliographique a été menée et une méthodologie détaillée a été mise au point pour faciliter le déroulement des travaux. La première partie du travail consistait à l’étude de la relation entre les conditions de cuisson telles que le taux de chauffage, la présence d’un palier, et la période de maintien du palier avec les propriétés d’anodes. Des échantillons provenant des anodes industrielles ont été préparés, caractérisés et ensuite cuits au laboratoire à différents taux de chauffage et en introduisant un palier afin d’examiner l’impact de ces derniers sur les propriétés d’anode. Un modèle de réseau de neurones artificiels a été appliqué, ce dernier permet une meilleure compréhension de la relation entre les paramètres de départ (densité apparente et résistivité électrique), le taux de chauffage et les propriétés finales des anodes cuites. La qualité des anodes a été corrélée avec les propriétés des matières premières et les conditions de cuisson des anodes. La deuxième partie était l’analyse des données d’une campagne de mesure pour déterminer l’impact des conditions du procédé (les conditions de la vibrocompaction, les matières premières, la granulométrie et les conditions de cuisson) sur les différentes propriétés d’anodes. La qualité des anodes cuites dépendent de plusieurs facteurs tels que les matières premières, les paramètres de vibrocompaction et les conditions de cuisson. Pour avoir des anodes de meilleure qualité, il faut s’assurer que toutes les étapes soient bien exécutées. La présente étude montre que l’ajout d’un palier entre 200°C et 600°C peut améliorer les propriétés des anodes.

Ce document décrit le travail de recherche menant à la conception d'un modèle mathématique décrivant la décantation de la boue rouge dans un épaississeur industriel. Tout d'abord, la décantation de la boue rouge est située dans le procédé Bayer de production d'alumine. On y indique que l'opération économique du procédé Bayer passe par la bonne performance de la décantation de la boue rouge. En effet, une décantation performante permet d'obtenir une bonne séparation entre la liqueur et la boue rouge diminuant ainsi les besoins en filtration. Une séparation efficace permet aussi de diminuer les volumes de boue à laver et à entreposer. Ceci diminue les coûts et diminue aussi l'impact sur l'environnement. Ensuite, les concepts physiques gouvernant la décantation tels la floculation, la sédimentation, et le compactage sont introduits. Ces concepts sont par la suite mis en équations et solutionnés numériquement. Les premiers résultats présentés décrivent la modélisation de la décantation à l'échelle du laboratoire, dans un cylindre gradué où la décantation se fait en fournée; et ensuite dans un décanteur miniature où la décantation se fait en continu comme dans les équipements industriels. Une comparaison entre les mesures et les simulations est présentée. Les observations expérimentales sont bien décrites par les simulations, validant ainsi l'approche utilisée et les sous-modèles choisis. Finalement, la modélisation mathématique d'un épaississeur industriel pleine grandeur est discutée. Une étude paramétrique portant sur l'effet de varier les douze variables de procédé et de conception suivantes est ensuite réalisée : diamètre des particules, débit de sousverse, concentration en solide à l'alimentation, débit d'alimentation, vitesse de l'alimentation, hauteur du tuyau d'alimentation, hauteur de l'anneau du puits d'alimentation, largeur de l'anneau du puits d'alimentation, rayon du puits d'alimentation, hauteur du puits d'alimentation, rayon de l'épaississeur et hauteur de l'épaississeur. Les impacts des changements dans les valeurs de ces variables sont établis à partir des paramètres suivants mettant en évidence la bonne performance des épaississeurs de boue rouge : position de l'interface de boue, vitesse verticale moyenne, distribution du solide dans le puits, rapport de recirculation liquide, rapport de dilution du solide, taux de cisaillement dans le puits et temps de résidence dans le puits. Cette étude permet d'identifier les quatre variables critiques suivantes ayant un impact important sur la performance d'un épaississeur de boue rouge : le diamètre des particules, le débit d'alimentation, le rayon du puits d'alimentation et le rayon de l'épaississeur. Le diamètre des particules et le débit d'alimentation sont des variables de procédé qui doivent être contrôlées en tout temps pour obtenir la performance attendue de l'épaississeur. Le rayon du puits d'alimentation et celui de l'épaississeur sont des variables de conception qui sont fixées en fonction des cibles d'opération prévues lors de la conception de l'équipement. Les autres variables décrites plus haut ont un impact moins grand sur la performance d'un épaississeur de boue rouge.

Due to booming consumption and only partial removal by conventional water treatment processes, ibuprofen, a non-steroidal anti-inflammatory drug, has been detected in water resources, raising increasing concerns for possible environmental and health impact. On the other hand, advanced oxidation processes (AOPs), among which Fenton reaction, have shown successful results forremoval of various organic compounds. Traditionally based on the use of hydrogen peroxide and ferrous ions in solution, large-scale application of this AOP is still limited by narrow pH window (2 to 4) and uneasy recovery of iron catalyst. This work investigated Fenton-based oxidation of ibuprofen, and reaction activation by ultrasound (US) irradiation and ultraviolet/visible light (UV/Vis) so as to lower the required concentration of dissolved iron catalyst or improve the activity of heterogeneous counterparts. To that purpose, the efficacy of individual homogeneous AOPs (sonolysis, photolysis, ultrasound/H2O2, light/H2O2, Fenton oxidation) was evaluated first, varying operating parameters such as light wavelength and ultrasound frequency. Then, their two-by-two and overall combinations (sonophotolysis, sono-Fenton, photo-Fenton and sono-photo-Fenton oxidation) were examined with emphasis on the identification of synergistic effects. In particular, combined US/Fenton and Vis/Fenton oxidation were found more effective than the sum of individualprocesses due to sono- and photo-regeneration of ferrous ions. These results also served as a reference for the assessment of heterogeneous systems. Among tested solids, iron-containing zeolite (Fe-ZSM5 type) was shown to be a promising catalyst for peroxide oxidation of ibuprofen due to high efficiency at natural pH and low iron leaching. However, in this case, no more than additive effects was observed between ultrasound/light irradiation and heterogeneous Fenton oxidation. Beside pollutant and Total Organic Carbon conversion, main degradation products were monitored for different processes and some plausible degradation pathways were proposed. Water matrix impact was also addressed using wastewater plant effluent, which resulted into hindered performance of all oxidation processes either due to alkaline buffer or light attenuation effect.