Le présent projet de maîtrise s’intitule Conversion du méthanol en éther di-méthylique (DME) et de ce dernier en acétate de méthyle. Échelonné sur 24 mois, le travail a été scindé en deux parties importantes : la synthèse du DME par déshydratation du méthanol; la carbonylation du DME en acétate de méthyle. La caractérisation de ces deux systèmes catalytiques a pour but d’être une alternative à la synthèse industrielle des acétyles passant par la carbonylation du méthanol sous l’action de l’iodure de méthyle comme co-catalyseur avec le rhodium. L’impact de l’iodure de méthyle sur le plan économique fait l’objet du plusieurs efforts de développement dont une des avenues est celle passant par le DME. L’optimisation de la première réaction s’est conduite autour du choix de catalyseur, de la température, de la pression et des conditions hydrodynamiques. Ceci a permis de caractériser les performances de la réaction dont les trois principaux indicateurs choisis sont la conversion, la sélectivité et le taux de production. L’alumine-[gamma] comme catalyseur dans un réacteur à lit fixe permet d’atteindre une conversion du méthanol totalement sélective au DME de 80% à une LHSV (liquid hour space velocity) de 11h[indice supérieur -1] et ce à 330 °C et 2514 kPa. Le taux de production maximal calculé a été de 7.35 {gDME / gcat. [indice supérieur Xh]}. La carbonylation du DME s’est faite sous l’action de la zéolithe Mordénite et également dans un réacteur à lit fixe. Le ratio molaire des réactifs CO:DME, la température et la pression et ont été l’objet de l’étude paramétrique. À une GHSV[indice inférieur CO] de 1062 h[indice supérier -1], un ratio CO:DME de 10:1, une température de 230 °C et une pression de 3204 kPa (450 psig), il a été possible d’atteindre une conversion du DME en acétate de méthyle de 9%. Les résultats expérimentaux de chacune de ces deux réactions ont été analysés par rapport aux modèles théoriques d’équilibre thermodynamique ainsi qu’aux valeurs expérimentales répertoriées dans la littérature scientifique.

La recherche sur le traitement des eaux usées industrielles prend de plus en plus d’importance à cause de la complexité des effluents que les industries rejettent. Parmi ces effluents, 5% (v/v) ont une salinité variant entre 3 et 350 g/L en chlorure de sodium (NaCl), la salinité étant la quantité de sels minéraux dissous dans l'eau. Les réglementations environnementales sont de plus en plus strictes de sorte que les procédés de traitement utilisés pourraient devenir inappropriés. Les effluents salins en particulier sont souvent incapables de satisfaire les réglementations de rejet des eaux usées, à cause de leur difficulté de traitement dûe au mélange complexe de matière organique et de sel. Le bon fonctionnement des procédés biologiques conventionnels est souvent négativement affecté par la présence de ce dernier. C’est donc vers les procédés physico-chimiques que les industries se sont tournées pour traiter les effluents salins. Mais ceux-ci étant très coûteux en termes d’opération et de maintenance, la recherche s’est concentrée sur la faisabilité du traitement d’effluents salins par procédés biologiques, plus économiques. Les nouvelles recherches sur des bactéries résistantes au sel (halophiles et halotolérantes) appliquées aux traitements biologiques, bien que peu nombreuses encore, sur la sélection bactérienne et la bioaugmentation ouvrent de nouvelles possibilités quant au traitement biologique de la matière organique présente dans les effluents salins. Cette étude a donc pour objectif principal de valider la biofiltration aérobie pour le traitement du méthanol à l’état liquide en milieu salin. Pour cela, on a réalisé le suivi de divers paramètres opératoires (concentration du méthanol à l’entrée du réacteur, charge organique, teneurs en sel). Le développement de cette technologie serait une innovation dans le traitement des effluents industriels, puisque l’application de la biofiltration au traitement de ce type d’effluent n’a jamais été étudiée. La biofiltration présente des avantages économiques comparativement aux technologies utilisées jusqu’à présent. Cette étude a permis d’obtenir une efficacité d’élimination du méthanol satisfaisante (de l’ordre de 54%) pour un effluent contenant des concentrations élevées en sel (30 g/L) sous forme de NaCl, et en méthanol 5 (g/L) pour un débit d’alimentation liquide de 5 L/j.

Le présent projet de maîtrise s’intitule Conversion du méthanol en éther di-méthylique (DME) et de ce dernier en acétate de méthyle. Échelonné sur 24 mois, le travail a été scindé en deux parties importantes : la synthèse du DME par déshydratation du méthanol; la carbonylation du DME en acétate de méthyle. La caractérisation de ces deux systèmes catalytiques a pour but d’être une alternative à la synthèse industrielle des acétyles passant par la carbonylation du méthanol sous l’action de l’iodure de méthyle comme co-catalyseur avec le rhodium. L’impact de l’iodure de méthyle sur le plan économique fait l’objet du plusieurs efforts de développement dont une des avenues est celle passant par le DME. L’optimisation de la première réaction s’est conduite autour du choix de catalyseur, de la température, de la pression et des conditions hydrodynamiques. Ceci a permis de caractériser les performances de la réaction dont les trois principaux indicateurs choisis sont la conversion, la sélectivité et le taux de production. L’alumine-[gamma] comme catalyseur dans un réacteur à lit fixe permet d’atteindre une conversion du méthanol totalement sélective au DME de 80% à une LHSV (liquid hour space velocity) de 11h[indice supérieur -1] et ce à 330 °C et 2514 kPa. Le taux de production maximal calculé a été de 7.35 [symboles non conformes]. La carbonylation du DME s’est faite sous l’action de la zéolithe Mordénite et également dans un réacteur à lit fixe. Le ratio molaire des réactifs CO:DME, la température et la pression et ont été l’objet de l’étude paramétrique. À une GHSV[indice inférieur CO] de 1062 h[indice supérier -1], un ratio CO:DME de 10:1, une température de 230 °C et une pression de 3204 kPa (450 psig), il a été possible d’atteindre une conversion du DME en acétate de méthyle de 9%. Les résultats expérimentaux de chacune de ces deux réactions ont été analysés par rapport aux modèles théoriques d’équilibre thermodynamique ainsi qu’aux valeurs expérimentales répertoriées dans la littérature scientifique.

353121\u / The utilization of solar light-driven photocatalysts has attracted an increasing attention in creating green energy and purifying environment from harmful pollutants. In photocatalysis technology, semiconductor-based photocatalysis has diverse applications including the decomposition of organic pollutants. In particular, titanium dioxide (TiO₂)-based photocatalysts have been extensively studied because of their low cost and outstanding physical and chemical properties. However, the photocatalytic performance of TiO₂ is not very high due to the weak light absorption and the fast charge carrier recombination. Therefore, the main target of the research presented in this thesis is to develop new methods to prepare more efficient materials based on TiO₂ for organic pollutants decomposition. For this purpose, the uniform titanate nanodisks (TNDs) with an average diameter of 22 nm were first synthesized by using different types of capping agents, including benzyl alcohol (BA), benzyl ether (BE) and oleylamine (OM). SiO₂ nanospheres (SiO₂ NSs) in nanoscale diameter as the core of the structure were then coated with TNDs using a layer-by-layer deposition technique in the presence of polyethylenimine (PEI) solution to design the TND-PEI/SiO₂ NSs. Based on the developed TND-PEI/SiO₂ NSs, creating a heterojunction between TiO₂ and other visible light active semiconductors is one of the interesting ways to optimize and enhance performance of TiO₂ in the visible region. In order to synthesize these TiO₂-based heterojunction composites, several cation (Cu²⁺, Ni²⁺, and Pt²⁺) solutions were loaded over TND-PEI/SiO₂ NSs to obtain CuO/TiO₂/SiO₂, Ni²⁺/TiO₂/SiO₂ or Pt²⁺/TiO₂/SiO₂ materials, respectively. The co-existence of CuO, Ni²⁺, and Pt²⁺ functioning as co-catalysts led to a remarkable enhancement of the photocatalytic performance of TiO₂. The new developed materials have shown not only high porosity and high specific surface area, but also strong solar light absorption. As a result, the photocatalytic activity of these new materials and the effect of different co-catalysts were investigated in the photocatalytic decomposition of methanol. TiO₂-based heterojunction composites (CuO/TiO₂/SiO₂) was further treated by H₂S. This non-metal doping TiO₂ is a well-known and effective way to decrease the band gap, which can result in the absorption of more visible light. The photodegradation of methanol in aqueous solution was deployed to test the photocatalytic activities of TiO₂-based material and further widens its applications in water treatment. These modifications proved that the light absorption of CuO/TiO₂ was improved compared with Ni²⁺/TiO₂ and Pt²⁺/TiO₂. CuO/TiO₂ material after H₂S treatment was found to exhibit a good performance in the degradation of methanol from aqueous solutions under solar light irradiation.

353121\u / The utilization of solar light-driven photocatalysts has attracted an increasing attention in creating green energy and purifying environment from harmful pollutants. In photocatalysis technology, semiconductor-based photocatalysis has diverse applications including the decomposition of organic pollutants. In particular, titanium dioxide (TiO₂)-based photocatalysts have been extensively studied because of their low cost and outstanding physical and chemical properties. However, the photocatalytic performance of TiO₂ is not very high due to the weak light absorption and the fast charge carrier recombination. Therefore, the main target of the research presented in this thesis is to develop new methods to prepare more efficient materials based on TiO₂ for organic pollutants decomposition. For this purpose, the uniform titanate nanodisks (TNDs) with an average diameter of 22 nm were first synthesized by using different types of capping agents, including benzyl alcohol (BA), benzyl ether (BE) and oleylamine (OM). SiO₂ nanospheres (SiO₂ NSs) in nanoscale diameter as the core of the structure were then coated with TNDs using a layer-by-layer deposition technique in the presence of polyethylenimine (PEI) solution to design the TND-PEI/SiO₂ NSs. Based on the developed TND-PEI/SiO₂ NSs, creating a heterojunction between TiO₂ and other visible light active semiconductors is one of the interesting ways to optimize and enhance performance of TiO₂ in the visible region. In order to synthesize these TiO₂-based heterojunction composites, several cation (Cu²⁺, Ni²⁺, and Pt²⁺) solutions were loaded over TND-PEI/SiO₂ NSs to obtain CuO/TiO₂/SiO₂, Ni²⁺/TiO₂/SiO₂ or Pt²⁺/TiO₂/SiO₂ materials, respectively. The co-existence of CuO, Ni²⁺, and Pt²⁺ functioning as co-catalysts led to a remarkable enhancement of the photocatalytic performance of TiO₂. The new developed materials have shown not only high porosity and high specific surface area, but also strong solar light absorption. As a result, the photocatalytic activity of these new materials and the effect of different co-catalysts were investigated in the photocatalytic decomposition of methanol. TiO₂-based heterojunction composites (CuO/TiO₂/SiO₂) was further treated by H₂S. This non-metal doping TiO₂ is a well-known and effective way to decrease the band gap, which can result in the absorption of more visible light. The photodegradation of methanol in aqueous solution was deployed to test the photocatalytic activities of TiO₂-based material and further widens its applications in water treatment. These modifications proved that the light absorption of CuO/TiO₂ was improved compared with Ni²⁺/TiO₂ and Pt²⁺/TiO₂. CuO/TiO₂ material after H₂S treatment was found to exhibit a good performance in the degradation of methanol from aqueous solutions under solar light irradiation.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Les alcools à chaîne courte et longue sont des substances ubiquitaires qui possèdent des propriétés anesthésiques générales selon leur degré d’hydrophobicité. Certains de ces alcools, comme l’éthanol et l’isopropanol, sont responsables de nombreux cas d’intoxication aiguë à chaque année. Malgré le fait que les effets de l’éthanol sur le système immunitaire ont été largement étudiés, très peu de données sont disponibles sur les autres membres de la famille des alcools. En se basant sur la structure de ces molécules, nous avons soumis l’hypothèse que les alcools à chaîne courte et longue partageraient les propriétés immunosuppressives de l’éthanol et que cet effet refléterait leur capacité anesthésique. Les résultats obtenus démontrent que l’isopropanol diminue la sécrétion de cytokines ainsi que les fonctions effectrices de plusieurs cellules de l’immunité innée et acquise. Cet effet est assez puissant pour protéger un animal du syndrome du choc toxique. L’isopropanol agirait sur les facteurs de transcription NFATcl et/ou AP-1 selon le type d’activation et le type de cellule utilisés. À l’opposé, il a été démontré que le méthanol augmente les fonctions effectrices des lymphocytes T. Cet alcool agirait de façon spécifique sur le facteur de transcription NFATc2 pour produire son effet. De plus, l’étude de l’impact de la série homologue des n-alcanols Cr Cn sur la sécrétion d’IFN-y chez des lymphocytes T activés a démontré que tous ces alcools, excepté le méthanol, sont des immunosuppresseurs. Il existe une corrélation évidente entre l’activité immunomodulatrice et l’hydrophobicité des composés. Il a été démontré que les n-alcanols agissent aussi en aval de la membrane cellulaire, car les événements initiaux de la signalisation intracellulaire via les récepteurs de l’immunité ont été préservés. Le profil de l’activité immunomodulatrice de la série des n-alcanols suggère l’existence d’une poche d’interaction de dimensions définies possédant la capacité d’accueillir deux molécules de 1-pentanol ou une de 1-décanol. Le travail de cette thèse fait progresser nos connaissances sur les effets biologiques des différents membres de la famille des alcools et fournit un portrait mécanistique sur les événements moléculaires qui sont à la base de l’impact de ces effets sur les cellules du système immunitaire.

Ce travail est lié au sujet "Energies Propres". Le diméthoxyméthane (DMM) a un fort potentiel de stockage d'hydrogène comme source pour des applications mobiles du fait de son contenu élevé en hydrogène et de sa non toxicité. Il a été montré que le DMM peut être reformé à 100% pour produire de l'hydrogène sur un catalyseur complexe formé d'un solide acide tel que Nb2O5 ou du phosphate de niobium (NbP) associé à un catalyseur de type CuZnO/Al2O3. D'autre part, des catalyseurs V2O5/NbP et V2O5/TiO2–SO42- ont été préparés et évalués dans la réaction d'oxydation sélective du méthanol en DMM. Les propriétés acides et redox de surface de ces catalyseurs ont été corrélées à leur performance catalytique. Les propriétés d'adsorption de Nb2O5 et NbP, testés en réaction de déshydratation du méthanol, ont été aussi évaluées.

Les alcanols aliphatiques sont des substances ubiquitaires utilisées dans une multitude d’applications domestiques et industrielles. Bien que les effets de l’éthanol sur différentes composantes du système immunitaire soient bien connus, il n’existait presqu’aucune donnée concernant les autres alcanols avant le présent travail. Le premier objectif du projet a été d’étudier les impacts immunologiques d’une exposition aigue aux deux autres alcanols les plus utilisés : l’isopropanol et le méthanol. Nous avons trouvé que l’isopropanol compromet les fonctions effectrices des lymphocytes T, des cellules NK, des monocytes et des macrophages. Par contre, le méthanol agit en synergie avec les stimuli activateurs des lymphocytes T et accroît leur production de cytokines pro-inflammatoires. Les effets biologiques sur ces cellules n’impliquent pas les événements de signalisation précoce en aval des récepteurs activateurs, ils résultent d’une dérégulation sélective de l’activation de facteurs de transcription NFAT avec ou sans la participation d’AP-1. Dans les monocytes activés au LPS, l’isopropanol ne modifie pas les sentiers de signalisation de NF-κB et des MAPK p38 et JNK, mais compromet l’activation de ERK2. Il en résulte une activation défective des sous-unités d’AP-1 c-Fos et JunB. La deuxième partie du projet a été de vérifier si les n-alcanols (de C1 à C12) avaient des effets immunologiques qui suivent la règle de Meyer-Overton. Cette règle établie une corrélation entre le potentiel anesthésique d’une molécule et son hydrophobicité. Nous avons trouvé que les n-alcanols de C2 à C10 inhibent la sécrétion d’IFN-γ par les lymphocytes T activés d’une manière reliée à leur degré d’hydrophobicité, mais cette corrélation s’interrompt à C11. Les n-alcanols exercent leur effet en aval de la membrane plasmique en altérant progressivement et en fonction de leur taille l’activation du facteur de transcription NFAT; cette tendance s’interrompt aussi à C11. L’activation de la voie NF-κB est altérée par les n-alcanols, mais leur effet s’arrête avant, aux environs de C8. Ces derniers résultats suggèrent l’existence de pochettes d’intéraction de dimensions définies sur des cibles protéiques qui compromettent l’activation de NFAT et NF-κB et altèrent la fonction effectrice des lymphocytes T. L’ensemble de ces travaux contribue à une meilleure compréhension de l’activité biologique des alcanols. / Aliphatic alkanols are ubiquitous substances used in a variety of household and industrial applications. Although the effects of ethanol on the immune system have been extensively studied, far fewer data is available for the other alkanols. The first objective of the project was to study the immunological impact of acute exposure to the two other most frequently used alkanols, namely isopropanol and methanol. We found that isopropanol is detrimental to the effector functions of T lymphocytes, NK cells, monocytes, and macrophages; they produce less pro-inflammatory cytokines in presence of this alcohol and, in the case of macrophages, phagocytosis is also reduced. Methanol synergizes with activating stimuli to increase their cytokine production. These changes do not involve early signaling events downstream of the cell membrane; they result from the selective dysregulation of the activation of discrete members of the NFAT family of transcription factors with or without the involvement of AP-1. In LPS-activated monocytes, isopropanol does not alter NF-κB and p38/JNK MAPK signaling cascades, but impairs ERK2 activation. The result is a deficient activation of AP-1 subunits c-Fos and JunB. Aliphatic n-alkanols also display anesthetic properties in accordance to their degree of hydrophobicity, following the Meyer-Overton rule. The second part of the project was to determine whether these structurally similar molecules (from C1 to C12) had immunological effects following the same rule. We found that n-alkanols from C2 to C10 inhibit IFN-γ release by activated T lymphocytes in correlation with their hydrophobicity but a cutoff effect was evident at C11. n-Alkanols act downstream of the cell membrane by progressively down-regulating the activation of NFAT in accordance to the size of their aliphatic chain with a clear downward trend that is interrupted at C11. NF-κB signaling is also compromised but the cutoff appears earlier, in the vicinity of C8. Our results suggest the existence of interaction pockets of defined dimensions within intracellular targets that compromise the activation of the NFAT and NF-κB transcription factors and ultimately modulate the effector function of T lymphocytes. Altogether, this work contributes to a better understanding of the biological activity of alkanols.

L'estérification de Fisher est une étape importante pour développer un procédé produisant de l'éthanol à partir de biomasse gazéifiée. Cette réaction réversible permet de transformer l'acide acétique et l'alcool, produits à partir de gaz de synthèse, en acétate de méthyle ou d'éthyle. L'ester peut, par la suite, subir une hydrogénolyse pour produire de l'éthanol. Le but de ce projet est de briser l'équilibre de réaction pour obtenir une plus grande conversion dans un procédé continu. Un montage de distillation réactive a permis d'obtenir une conversion élevée pour la formation d'acétate de méthyle, c'est-à-dire de plus de 96 % avec un ratio molaire de méthanol sur acide acétique de 2. Il y avait 3 % d'acide sulfurique comme catalyseur dans l'acide acétique et le ratio de reflux était de 1,4. Lorsque ce ratio molaire était de 1, la conversion était de 89 %, mais la pureté du distillat était plus élevée, 93 % d'acétate de méthyle sur une base massique. En effet, lorsque le méthanol est utilisé en excès, il se retrouve en tête de colonne. Un bullage de gaz inerte au rebouilleur a été évalué dans le but d'emporter plus aisément l'acétate de méthyle au fur et à mesure de sa formation et ainsi obtenir un produit plus pur. Cette stratégie s'est vue inefficace, car le méthanol était emporté et ce dernier traversait plus rapidement la zone réactive, résultant en une conversion moindre. De plus, les meilleurs résultats pour la formation d'acétate d'éthyle avec la distillation réactive étaient de 77 % de conversion avec 3 % d'acide sulfurique dans l'acide acétique et un ratio de reflux de 1,45. Il y avait alors une fraction massique d'acétate d'éthyle de 0,71 dans le distillat. Un réacteur en phase vapeur a été testé avec différents catalyseurs. La résine échangeuse d'ion cationique avait tendance à se désactiver en perdant son groupement sulfonique. De plus, certaines zéolithes présentaient une activité plus élevée comme la H-Mordenite avec un ratio Si/Al de 20 et la H-Y zéolithe avec un ratio Si/Al de 31. La H-Mordenite a présenté une activité constante sur un test de 72 heures avec une conversion d'environ 83 % et une fraction massique d'acétate d'éthyle de 0,67 au condensat. La température de réaction était alors de 140 ÀC, le GHSV était de 500 et le ratio molaire éthanol sur acide acétique de un. De plus, pour favoriser la réaction vers les produits selon le principe de Le Châtelier, la zéolithe LTA 3A a été utilisée avec succès pour absorber l'eau produite. Deux lits catalytiques superposés par deux lits de dessiccant ont servi à l'expérience. Une conversion de 97 % a été atteinte avec cette zéolithe et le pourcentage d'eau dans le condensat était de 0,13%. Pour la même configuration du réacteur avec du carbure de silicium au lieu du dessiccant, la conversion était de 91 % avec 9 % d'eau dans les produits. Ces résultats ont été obtenus avec un GHSV de 250, une température de 140 ÀC et un ratio molaire éthanol sur acide acétique de 0,5.

Depuis que l’industrie chimique vise à rejeter de moins en moins de gaz à effet de serre, cette dernière cherche à revaloriser les différents gaz à effet de serre tel que le dioxyde de carbone. Une des techniques est de combiner le dioxyde de carbone avec de l’ammoniac pour synthétiser l’urée qui pourrait par la suite être utilisé soit directement ou soit comme intermédiaire, pour la synthèse catalytique du diméthyle carbonate (DMC). Le DMC est à la base de plusieurs applications industrielles telles que la synthèse des polymères (les polycarbonates), les réactions de trans-estérification menant à d’autres carbonates comme le diphénylcarbonate et comme agent de méthylation ou d’alkylation. Plusieurs articles provenant de la littérature scientifique rapportent que le DMC peut être utilisé comme additif oxygéné dans les carburants tels l’essence [1]. Le but de ce projet est de déterminer la viabilité industrielle de la production de DMC par la méthylation de l’urée en premier lieu en méthyle carbamate puis en DMC. La première étape de ce projet reposera donc dans un premier temps sur la confirmation des résultats rapportés au sein de la littérature ouverte pour par la suite faire une étude de l’impact des différents types de catalyseurs et des conditions expérimentales sur le rendement de la réaction. Une fois que le montage batch sera optimisé, ce dernier sera modifié pour opérer en continu. Cette modification a pour but d’augmenter le rendement et la sélectivité pour éventuellement de l’adapter industriellement. Selon la littérature, les rendements anticipés pour la réaction batch sont d’environ 30 % [2] et pour un système en continu de plus de 50 %.