Thesis--Cornell. / Bibliography: p. 108-110.

Résumé Le Rift Est-Africain comprend plusieurs grands lacs, dont le lac Kivu situé entre 1°34’ et 2°30’ de latitude Sud et compris entre 28°50’ et 29°23’ de longitude Est. Ce lac, localisé au nord-ouest du Rwanda à la frontière avec la République Démocratique du Congo, présente une spécificité unique au monde: ses eaux profondes contiennent une gigantesque quantité de gaz dissous (3/4 de dioxyde de carbone (CO2), 1/4 de gaz méthane (CH4)). Les études antérieures indiquent que les eaux du lac Kivu présentent une structure stratifiée particulière qui se décline en 13 couches dans le bassin principal. Nous avons établi une nouvelle stratification, en quatre couches de la colonne d’eau dans ce bassin sur base des données physico-chimiques mais aussi, en tenant compte tout particulièrement du comportement biogéochimique du carbone. Cette structure simplifiée permettra une meilleure évaluation de l’impact environnemental et une gestion durable de l’exploitation du gisement de gaz méthane du lac Kivu. Un suivi détaillé de plusieurs paramètres physico-chimiques, biogéochimiques ainsi que des éléments majeurs, mineurs et en trace, présents dans le bassin principal du lac, dans sa partie rwandaise en un point fixe au large de Kibuye, durant la petite saison sèche, apporte un éclairage plus précis de leur distribution dans la colonne d’eau. Une étude de la variation spatio-temporelle de ces paramètres est réalisée aussi bien à Kibuye qu’à Gisenyi et ce durant les différentes saisons pour, entre autres, servir de base de données nécessaire à toute comparaison ultérieure. L’origine des gaz dissous dans le lac Kivu a fait l’objet de plusieurs études et hypothèses. Les deux principaux gaz dissous du lac ont un élément biogéochimique en commun: le carbone. Par des mesures isotopiques et par comparaison avec le système limnologique du lac Tanganyika voisin, la correspondance de l’allure générale de la distribution comparée du carbone inorganique dissous (DIC), de l’alcalinité totale et du δ13CDIC dans les deux lacs indique notamment que les processus à l’origine du gaz méthane du lac Kivu ne sont pas liés au magmatisme, ni à des phénomènes thermocatalytiques. Nous pensons que le carbone, et par conséquent le gaz méthane du lac Kivu, est d’origine phytoplanctonique. L’explication par une étude hydrogéologique et pédologique de l’origine de la stratification pérenne de la colonne d’eau du lac Kivu constitue un point de vue intéressant. Une autre perspective serait, celle visant à établir par des données biogéochimiques, le taux de régénération du gaz méthane du lac Kivu afin d’en déterminer la durée d’exploitabilité réelle.

Les recherches que nous présentons dans ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre de l’analyse des phénomènes de transport fondamentaux impliqués lors du processus d’évaporation d’un film liquide mince. Outre les mécanismes macroscopiques (résistance thermique du solide, capillarité, thermocapillarité, …) qui influencent le comportement de tels films, des développements fondamentaux et expérimentaux ont mis en évidence le rôle significatif d’effets microscopiques, comme les forces de van der Waals [11,96,117]. L’objectif de cette thèse est double. Il s’agit tout d’abord de caractériser les phénomènes locaux qui influencent le processus d’évaporation et ensuite, d’étendre notre étude à une échelle globale “macroscopique”. Ce manuscrit est divisé en deux parties qui correspondent à ces deux objectifs. L’étude décrite dans la première partie propose une contribution originale à la modélisation de l’évaporation des films minces, y compris au voisinage des lignes de contact. De manière générale, nous cherchons à mettre en évidence l’influence de phénomènes qui se déroulent aux petites échelles sur le transfert thermique d’un film mince déposé sur une paroi plane et chauffée. Dans le cadre de l’hypothèse de lubrification, deux modèles sont dès lors développés. Le premier modèle décrit l’évaporation d’un film liquide mince dans sa vapeur pure tandis que le second modèle porte sur l’évaporation d’un film liquide mince dans un gaz inerte. Les diverses recherches menées sont principalement orientées vers la quantification, d’une part, des angles de contact apparents générés par l’évaporation, malgré le caractère parfaitement mouillant du couple liquide-solide utilisé et, d’autre part, des flux de chaleur et de matière interfaciaux. Une particularité du premier modèle est qu’il généralise divers modèles existants [15,25,86,117] en regroupant un ensemble de phénomènes spécifiques et complexes tels que le saut de température à l’interface liquide-vapeur, la résistance thermique de la vapeur et celle du solide ou la variation locale de la température de saturation à l’interface liquide-vapeur suite à la courbure interfaciale et aux forces de van der Waals. En plus de ces effets, d’autres mécanismes plus classiques sont inclus dans le modèle : la tension superficielle, la thermocapillarité, la pression de disjonction, l’évaporation et le recul de vapeur. Des analyses de stabilité linéaires et des études paramétriques ont été réalisées afin de quantifier l’influence de ces phénomènes sur la stabilité d’un film liquide mince, sur son évaporation et sur le transfert de chaleur associé. Au travers des chapitres 3 et 4, nous mettons notamment en évidence • comment les forces de van der Waals compensent l’évaporation du film liquide mince de façon à créer un film stationnaire stable, • pourquoi le recul de la vapeur et la thermocapillarité sont deux phénomènes qui peuvent être négligés dans les conditions étudiées dans ce travail, • des lois analytiques qui décrivent certaines variables du problème, plus particulièrement l’angle de contact et le maximum du flux de chaleur, en fonction de la surchauffe de la paroi solide. Faisant suite aux travaux proposés par Haut et Colinet [59], nous avons ensuite développé un second modèle afin de caractériser l’évaporation dans une faible quantité de gaz inerte d’un film liquide mince déposé sur une paroi plate et chauffée. Tout comme dans le cadre de l’étude précédente, notre analyse s’articule autour d’une étude de stabilité linéaire ainsi que d’études paramétriques réalisées sur des nombres caractéristiques du problème. Alors que les conclusions sur la stabilité du film sont indépendantes de la quantité de gaz inerte contenue dans la phase vapeur, il n’en est pas de même pour les transferts de matière et de chaleur interfaciaux comme montré au chapitre 5. Dans la seconde partie du travail, nous utilisons les conclusions auxquelles nous sommes arrivés dans la première partie dans le cadre d’une application industrielle. En collaboration avec le Centre d’Excellence en Recherche Aéronautique (CENAERO) et la société Euro Heat Pipes (EHP), une stratégie a été élaborée afin de simuler les transferts thermiques radiaux dans une rainure d’un caloduc au niveau de l’évaporateur. Les résultats numériques, obtenus sur base d’un modèle multi-échelle développé à l’ULB et implémenté numériquement lors d’un stage chez CENAERO, montrent que ces transferts sont influencés par la valeur de l’angle de contact. Celui-ci dépendant des phénomènes microscopiques, il s’avère par conséquent nécessaire de les inclure dans le modèle thermique. En effet, si nous ne considérons que les aspects macroscopiques du problème, qui se résument à la conduction dans le solide et dans le liquide, le coefficient d’échange global au niveau de la rainure est surestimé.

L'exploitation de gisements pétroliers off shore doit souvent faire face à des problèmes de colmatage de conduites, notamment dus à la cristallisation d'hydrates de gaz. Actuellement, les opérateurs ont recours à des additifs antigels, dont l'efficacité est limitée par des conditions d'exploitation et des normes anti-pollution de plus en plus sévères. Aussi les recherches s'orientent-elles vers une nouvelle classe d'inhibiteurs dits à faible dose. Afin de comprendre l'influence de tels additifs, nous avons réalisé un réacteur haute pression muni d'un dispositif d'injection de liquide et d'un capteur turbidimétrique <i>in situ</i>. L'accès à la granulométrie de la suspension aux premiers stades de la cristallisation et à la consommation de gaz permet de caractériser la cinétique de formation de l'hydrate de méthane. Nous avons développé un protocole opératoire original qui autorise une maîtrise accrue de la germination des cristaux, grâce à un ensemencement initial de la solution. Le temps de latence devient alors un paramètre représentatif de l'efficacité des inhibiteurs. Nous avons alors évalué l'influence des conditions de pression et d'agitation sur l'évolution de la population de cristaux en l'absence d'additif. Puis nous avons déterminé l'effet inhibiteur d'un additif cinétique modèle, la polyvinylpyrrolidone (PVP). Mis en solution avant la cristallisation, il allonge la période de latence, diminue la vitesse de consommation du gaz et ralentit la création de nouvelles particules durant plusieurs heures. Par contre, lorsque ce polymère est injecté dans le milieu en cours de formation, il n'affecte plus la cinétique de la réaction. Nous donnons enfin les bases d'un modèle relevant des processus élémentaires de cristallisation : germination, croissance et agglomération des particules. Confrontée aux données expérimentales, une étude paramétrique nous a permis d'émettre des hypothèses quant à l'effet des inhibiteurs cinétiques sur la formation des hydrates de gaz.

Le rôle des espèces oxydantes produites en phase gazeuse a été étudié dans deux procédés plasmas non-thermiques appliqués au traitement de l'eau : le procédé Glidarc et le procédé à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) à film tombant. Trois polluants organiques modèles ont été traités dans les deux types de réacteurs. Les résultats obtenus, du plus facile au moins facile à être éliminé, sont les suivants : Phénol >> Heptanol > pCBA pour le réacteur Glidarc et Heptanol >> Phénol > pCBA pour la décharge DBD. Les différences entre les deux réacteurs sont dues non seulement à la qualité et à la quantité des espèces actives générées, mais aussi au transfert de matière à l'interface gaz-liquide. Les mécanismes d'élimination diffèrent également selon les caractéristiques du polluant traité. Le phénol réagit fortement avec les radicaux °NO2 produits par dissociation du N2O4 en phase liquide. Pour le 1-Heptanol, l'élimination procède par désorption assistée par les réactions en phase gazeuse avec les espèces à courte durée de vie. Pour ce type de polluant, le réacteur DBD est le plus performant à cause en partie d'un transfert de matière très efficace dû aux mouvements de convection générés dans le liquide par la décharge. Dans le cas du pCBA, le taux de conversion est faible dans les deux procédés à cause de la production insuffisante de radicaux OH° en solution. Enfin, une simulation numérique a permis de valider les mécanismes d'élimination proposés

Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d'un gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d'hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l'influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d'électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l'optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d'étudier des guides d'onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d'autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord.

Les émissions anthropiques de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre, sont considérées comme les principales causes du réchauffement climatique. Le captage du dioxyde de carbone par l'oxyde de calcium, qui s'avère être une masse de captage appropriée, au cours de plusieurs cycles de carbonatation/décarbonatation est une solution à la diminution des émissions industrielles. Néanmoins, la capacité de captage du dioxyde de carbone par l'oxyde de calcium diminue au cours des cycles, soulevant ainsi des problèmes économiques majeurs. Actuellement, cette perte d'efficacité de captage est largement étudiée contrairement à la réaction même de carbonatation de CaO d'un point de vue fondamental.Dans l'optique de mieux comprendre la réaction de carbonatation de CaO, une étude cinétique a été menée par le biais d'expériences de thermogravimétrie sur poudre. L'approche cinétique a été basée sur des tests de cinétiques hétérogènes fondés sur les hypothèses de l'état pseudo-stationnaire et de l'étape limitante. Les courbes cinétiques expérimentales obtenues en conditions isothermes (450-650°C) et isobares (2-30 kPa) ont montré un temps de latence lié au processus de germination de la nouvelle phase, ainsi qu'un fort ralentissement de la réaction à partir d'un certain degré d'avancement. Ce temps de latence et le degré d'avancement correspondant au frein cinétique dépendent de la température et de la pression partielle de CO2. Afin d'en expliquer l'origine, des caractérisations texturales et morphologiques ont été effectuées à différents degrés d'avancement. Les modifications observées à l'échelle des agrégats ont suggéré une limitation de la vitesse de réaction par des phénomènes de transport de matière, susceptibles de bloquer l'accès du gaz au cœur des agrégats. Les décrochements en température réalisées en thermogravimétrie ont mis en évidence un comportement cinétique complexe. Trois domaines ont pu être distingués au cours de la réaction, quelles que soient la température et la pression partielle de CO2. L'interprétation de ces résultats a souligné le rôle de la porosité et de son évolution sur la cinétique, ainsi qu'un effet anti-Arrhenius dans le deuxième domaine.La modélisation cinétique a dû faire intervenir à la fois un modèle proche de la réalité physique à l'échelle des grains denses, mais également les processus de transport de matière et de chaleurs au sein de l'agrégat, afin de rendre compte des courbes expérimentales et de quantifier l'impact des différents paramètres expérimentaux sur la vitesse de réaction. Ce couplage échelle de la population des grains-échelle de l'agrégat a été réalisé à l'aide d'un logiciel de cinétique hétérogène, CIN4, développé au département PRESSIC, en collaboration avec la société ASTEK. Les simulations obtenues ont permis de décrire la réaction jusqu'au freinage cinétique.

Cette thèse a pour objectif le développement d'un système multi-capteurs de gaz permettant une évaluation en continu et en temps réel des différentes types de pollution atmosphérique en zone urbain, en classifiant notamment les pollutions de type urbaine, photochimique, ou encore liée au trafic. Le projet se base sur l'utilisation de différents capteurs de gaz de type semi-conducteur disponibles dans le commerce qui sont intégrés dans un dispositif autonome et portable, afin qu'il puisse fonctionner sur site.Dans un premier temps, et en grande partie à Saint-Etienne, différents types de capteurs sont sélectionnés puis leurs performances sont testées sur un banc simulant les atmosphères polluées et développé pour l'occasion. Afin de pallier aux problèmes de non répétabilité et de dérive de la ligne de base et de la sensibilité, des procédures de prétraitement de standardisation sont mises au point.Dans un deuxième temps, et en grande partie à Douai, différents sites de tests sont identifiés et leurs historiques de pollution sont étudiés. Plusieurs campagnes en stations de mesure d'une semaine, recouvrant les différentes saisons et les différents types de sites, sont alors menées. Il y est collecté conjointement les signaux des capteurs et des analyseurs de gaz réglementés. Des méthodes basées sur les réseaux de neurones sont alors appliquées afin d'obtenir conjointement, à partir des signaux des capteurs, une classification parmi 3 types de pollutions (urbaine, trafic et photochimique) ainsi qu'un indicateur global de qualité de l'air. Ces méthodes utilisent une approche basée sur la logique floue afin d'éviter les problèmes d'effet de bord.

Suite à une proposition du programme européen BRITE-EURAM II, le contrat " Gas Sensors and Associated Signal Processing for Automotive Applications ", appelé aussi ECONOX, et établi avec différents partenaires scientifiques et industriels, a permis à l'équipe " Chimie-Physique des Semi-Conducteurs " du centre " Sciences des Processus Industriels et Naturels " de l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne de valoriser un long travail déjà effectué sur des capteurs à gaz et de financer d'autres recherches afin " d'industrialiser " un certain type de capteur dit à " alumine β ". Le laboratoire travaille, en effet, depuis quelques années déjà, au développement de ce nouveau type de capteur constitué par un mélange d'alumine β/ β'' dopé ou non avec du verre. Ce capteur, de type potentiométrique, fournit une tension électrique lorsqu'il est en présence de monoxyde de carbone ou bien encore de gaz susceptibles de se combiner aux contacts des deux électrodes d'or et de platine. Eliette Fascetta a travaillé sur ce type de capteur en utilisant d'abord le dioxyde de soufre puis le monoxyde de carbone. Nous savons, grâce aux travaux déjà effectués, que la réponse électrique est fonction de la température à laquelle est porté le capteur, de la concentration des gaz injectés, ainsi que de leur nature.

Les oxydes et hydroxydes d'aluminium sont des produits chimiques très répandus industriellement. La principale utilisation des alumines est la production de l'aluminium, mais elles sont également très employées dans l'industrie des abrasifs, des céramiques et des matériaux réfractaires. De même parmi les oxydes métalliques utilisés dans les processus catalytiques, l'alumine est l'un des plus employés. Elle peut être utilisée comme catalyseur intrinsèque, ou comme l'un des éléments d'un catalyseur multicomposant ou encore comme support d'un catalyseur métallique. En tant que support de catalyseur, une des applications de l'alumine est l'épuration des gaz d'échappement des véhicules automobiles rendue obligatoire depuis quelques années dans certains pays (1974 pour les U.S.A. et le Japon), et qui le deviendra également dans certains pays de la Communauté Européenne au cours des prochaines années (vers 1989 en Allemagne) Les normes ainsi imposées pour la composition des effluents gazeux rejetés par les moteurs et leur teneur en composés nocifs nécessitent de la part du catalyseur une bonne efficacité. D'autre part le support du catalyseur est caractérisé par la nature du produit, sa résistance mécanique, sa texture et sa stabilité. Toutes ces propriétés doivent être conservées dans les conditions d'utilisation. L'épuration des gaz d'échappement demande donc un système catalytique très performant, notamment pour les propriétés mécaniques et surtout pour la résistance à l'attrition. Et ces propriétés ne doivent pas être affectées aux hautes températures (1000 à 1100°C). A ces températures le support doit également rester neutre vis-à-vis des espèces catalytiques (métal ou oxyde) déposées à sa surface.