Les plastiques sont des matériaux techniques nécessaires au fonctionnement des sociétés industrialisées. Cependant, au début des années 2000, des particules de plastique de l’ordre de la dizaine de microns sont observées dans des échantillons d’eau de mer. Ce sont des « microplastiques ». Leur présence dans la plupart des milieux a progressivement été mise en lumière au point d’en faire un marqueur de l’anthropocène. Par ailleurs, ces particules interagissent avec leur environnement et peuvent être vectrices d’additifs toxiques ou de micropolluants. Face aux risques que représentent ces particules, il est important de pouvoir évaluer leur dangerosité pour l’homme et les écosystèmes. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail de thèse sont (1) de déterminer les conditions d’extraction des microplastiques présents dans le sable les plus efficaces et les moins coûteuses et (2) de traduire en terme de toxicité les interactions entre micropolluants et plastiques vieillis dans le milieu marin. Pour cela, un prototype de système d’élutriation a été construit et un protocole adapté a été mis en place pour permettre d’extraire les microplastiques du sable. Afin de faciliter la détermination des vitesses de flux optimales pour permettre une élutriation efficace, un modèle numérique simple reposant sur des équations d’hydrodynamique a été développé. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a ensuite permis de le valider. Ces résultats ont également permis de mettre en évidence que des ajustements du dimensionnement du système d’élutriation étaient nécessaires. En se basant sur différentes contraintes, par exemple sur le temps nécessaire pour réaliser l’élutriation ou encore sur la taille de la colonne, de nouvelles données de dimensionnement ont été acquises. Le vieillissement de 3 types de plastique (PVC, PET et PBAT) dans le port de Kernevel (Larmor- Plage) a été étudié en suivant l’évolution de l’état de surface et la toxicité de ces matériaux durant 502 jours d’immersion. Cette étude a montré des comportements très différents de ces trois plastiques au cours du temps. Ainsi, le PBAT vieillit plus vite que le PVC alors que le PET évolue peu. Le vieillissement du PVC s’accompagne d’une perte de ses composés à activité œstrogénique et d’une adsorption de métaux lourds. En milieu marin, en se dégradant la surface du PBAT forme des cavités dans lesquelles se piègent des argiles ; de plus en vieillissant ce matériau peut présenter une forte activité œstrogénique ponctuelle. / Plastics are technical materials necessary for industrialized societies. However, in the early 2000s, plastic particles of about ten microns were observed in seawater samples. These are called "microplastics". Their presence in most environments has been progressively highlighted making it an anthropocene marker. Moreover, these particles interact with environments and may carry toxic additives or micropollutants. However, scientific and technical barriers limit this accurate evaluation. In this context, the aims of this work are (1) to determine the most efficient and cost- effective extraction conditions of microplastics trapped in sand and (2) to evaluate the toxicity due to the interactions between micropollutants and aged plastics, which can occur in the marine environment. Thus, an elutriation system prototype has been built and an adapted protocol developed to efficiently extract microplastics from sand. In order to determine the optimal elutriation flow velocities, a simple numerical model based on hydrodynamic equations has been developed. This numerical model has been validated by comparing theoretical and experimental results. However, these results also demonstrate that process optimization was required: based on different constraints, for example the time needed to achieve the elutriation or the size of the column, new data on the design have been acquired. The evolution of the surface state and the toxicity of 3 types of plastic (PVC, PET and PBAT) immersed in the marine environment during 550 days was studied on Kernevel harbor (Larmor-Plage, France). The results of the plastics ageing show very different behaviors. PBAT ages faster than PVC whereas PET does not exhibit large modifications. The aging of PVC is accompanied by a loss of compounders characterized by an estrogenic activity and by the adsorption of heavy metals. In the marine environment, the degradation of the PBAT surface forms cavities in which clay particles can be trapped. Moreover, in a more punctual manner than PVC, this material exhibit strong estrogenic activities.

La migration de particules fines dans un milieu poreux fait l’objet de nombreuses études dans différents domaines. Par exemple, la présence de particules fines dans les nappes phréatiques constitue des voies de transfert de polluants (e.g. bactéries, virus, métaux lourds) à travers les sols. Par ailleurs, les phénomènes complexes d’adsorption et de désorption des particules fines dans le milieu poreux sont la cause de multiples dégâts dans les systèmes hydrauliques (e.g. digues, puits pétroliers, filtres de traitements des eaux). Les particules fines forment des agrégats et se déposent autour des grains collecteurs affectant la perméabilité du milieu poreux. Ainsi, différents processus mécaniques et/ou physico-chimiques contrôlent le colmatage de la matrice poreuse. L’objectif de ce travail est d’étudier l’effet de l’hétérogénéité du milieu poreux (i.e. granulométrie, porosité) sur les phénomènes de transport et de dépôt des particules colloïdales en suspension. La finalité de ce travail est de donner un modèle prédictif de perméabilité afin de pouvoir estimer la pérennité du système. Dans ce but, une campagne d’essais expérimentaux est menée sur le suivi du transport et du dépôt des particules fines argileuses dans différents milieux naturels sableux. Ces travaux ont été réalisés dans des colonnes de laboratoire pour lesquels les conditions hydrauliques peuvent être contrôlées et où la concentration des fines à l’entrée de la colonne est imposée. Après injection des particules fines, le suivi de la matrice poreuse dans l’espace et dans le temps est réalisé en utilisant un banc gamma-densimétrique. L’évolution de la perméabilité caractérisant le colmatage du matériau est analysée par l’intermédiaire de la mesure de la chute de pression dans la colonne. Les expériences menées dans les différentes colonnes ont permis de mettre en évidence l’importance de la taille des grains et la porosité du milieu ainsi que la vitesse d’injection dans la formation du dépôt. D’après nos résultats, au début de l’essai le dépôt de particules se fait autour des collecteurs sur des sites de surface. Ensuite les ponts de liaison sont créés entre les grains collecteurs. Nous avons constaté que la première partie du dépôt est plus importante dans le cas de grains de taille importante. Afin d’interpréter les résultats de l’évolution de la perméabilité, nous avons utilisé le modèle de Kozeny-Carman, où nous avons introduit l’évolution du dépôt dans l’estimation de la surface spécifique du milieu. Ce modèle nous a permis également de prendre en compte l’hétérogénéité du milieu et l’évolution de chaque couche par l’intermédiaire des paramètres tels que la porosité et la tortuosité du milieu. Les observations microscopiques et les mesures de porosités sur les échantillons colmatés ont étayé les schémas de dépôt et de saturation des sites de rétention. Ce travail expérimental s’accompagne d’une modélisation par l’équation de convection dispersion avec un terme de puits simulé par une cinétique du second ordre. Elle met en évidence l’importance des particules déjà déposées ainsi que la porosité initiale du milieu et la vitesse d’écoulement. / The migration of fine particles in a porous medium is the subject of many studies in various fields. For example, the presence of fine particles in groundwater constitutes pathways of pollutants (e.g. bacteria, viruses, heavy metals) through the soil. Furthermore, the complex processes of adsorption and desorption of the fine particles in the porous medium are the cause of damage to multiple hydraulic systems (e.g. dams, oil wells, filters for water treatment). The fine particles form aggregates and settles around collecting grains affecting the permeability of the porous medium. Thus, various mechanical and / or physico -chemical processes control the clogging of the porous matrix. The objective of this work is to study the effect of heterogeneity of the porous medium (i.e. grain size, porosity) on the phenomena of transport and deposition of colloidal particles in suspension. The purpose of this work is to provide a predictive model of permeability in order to estimate the sustainability of the system. For this purpose, a campaign of experimental tests are conducted on the monitoring of transport and deposition of fine particulate clay in different natural environments sandy. These studies were conducted in laboratory columns for which the hydraulic conditions can be controlled and where the concentration of fines in the entry of the column is imposed. After injection of the fine particles, the monitoring of the porous matrix in space and time is carried out using a gamma - densimetric bench. Changes in permeability characterizing the clogging material is analyzed by means of the measurement of the pressure drop in the column. Experiences in the different columns have helped highlight the importance of grain size and porosity of the medium and the injection rate in the formation of the deposit. Our results at the beginning of the test particle deposition is around collectors on surface sites. Then the connecting bridges are created between the grains collecting. We found that the first portion of the deposit is larger in the case of large-sized grains. To interpret the results of the evolution of permeability, we used the Kozeny - Carman model, where we have introduced the evolution of the repository in estimating the surface area of the medium. This model also allowed us to take into account the heterogeneity of the environment and the evolution of each layer by using parameters such as porosity and tortuosity of the medium. Microscopic observations and measurements of porosity on samples clogged supported schemes and deposit saturation retention sites. This experimental work is accompanied by modeling the dispersion equation convection with a term well simulated by a second order kinetics. It highlights the importance of particles already deposited and the initial porosity of the medium and the flow velocity.

Ce travail de thèse consiste à combattre le développement microbien des réservoirs de carburant aéronautiques dont le métabolisme entraine la production d’acides organiques susceptibles de corroder les parois métalliques des réservoirs. Des substances biocides sont habituellement utilisées pour éliminer les populations microbiennes. Ces substances peuvent être des composés organiques ou bien de manière plus courante du chrome (VI) sous forme de revêtement à la surface des parois afin de créer une couche passive et d’empêcher la corrosion chimique. Cependant, le chrome appartient à la catégorie des substances cancérogènes, mutagènes et reprotoxiques et se trouve maintenant soumis à restriction par la réglementation européenne Registration, Evaluation and Authorization of Chemicals (REACh). Pour remplacer les systèmes en place, le choix s’est porté sur la préparation de particules polymères pH-sensibles capables de libérer une molécule biocide en présence de microorganismes. De telles particules sont obtenues par copolymérisation par métathèse de cyclo-oléfines (ROMP) de norbornène avec un macromonomère linéaire de polyglycidol α-norbornenyl. Ce dernier permet d’une part la stabilisation des particules et d’autre part la multifonctionnalisation de l’objet par des molécules de biocide. Celles-ci sont introduites sur la chaîne de polyglycidol via un lien imine pH-sensible par substitution des fonctions hydroxyle par des entités dodécylamine. La libération du biocide à un pH inférieur à 7 a été validée ainsi que les capacités de ces particules à lutter contre des microorganismes tel que Hormoconis resinae souche identifiée comme se développant dans les réservoirs d’avions. Dans une dernière étape, les particules fonctionnalisées dodécylamine ont été incorporées dans un revêtement usuel en aéronautique et la capacité des particules à ne pas altérer la résistance du revêtement de base à des conditions de corrosion extrêmes a permis de vérifier leur applicabilité dans ce domaine. / The aim of this Thesis work was to address the issue of microbial contamination inside fuel tanks. Microorganisms induce the chemical corrosion of airplane tank walls due to their production of organic acids. Biocide compounds are typically used to inhibit these microorganisms, either in the form of organic small molecules, or most commonly as chromium-based coatings on the walls to hinder chemical corrosion. Organic biocides need to be replenished regularly, while chromium is a particularly dangerous compound targeted by the European Registration, Evaluation and Authorization of Chemicals (REACh) legislation due to its carcinogenic nature. A replacement approach selected for this project was the development of a smart system of multifunctional polymeric particles synthesized by dispersion ROMP, which can deliver a biocide following an acidic trigger due to the presence of microorganisms. The polymerization utilized a linear α-norbornenyl-polyglycidol macromonomer as a reactive surfactant. The hydroxyl-rich polyglycidol backbone of the macromonomer was beneficial for the conjugation of dodecylamine through a pH-sensitive imine bond and permitted the preparation of highly functionalized bioactive particles. A proof of concept for the pH sensitivity of the system was provided and the antifungal efficacy of the biocide-functionalized macromonomer and particles was verified. The particles were also integrated in a coating formulation to simulate their application on tank walls. The qualities of the original coating were preserved even after prolonged exposure to corrosive conditions, making this system viable for its foreseen application.

Le barrage poids en enrochement dont l’étanchéité est assurée par un masque en béton sur sa face amont est de plus en plus utilisé aujourd’hui. Son appellation courante est « CFRD1 ». La conception de ce type d’ouvrage est effectuée en suivant des « règles » de conception empiriques. Dans la dernière décennie, plusieurs barrages de type CFRD de grande hauteur ont subi la rupture de leur masque en béton lors de la première mise en eau, montrant ainsi la défaillance de l’approche empirique.Il s’avère alors nécessaire de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu, notamment dans le comportement des enrochements sous fortes contraintes. Ce travail de thèse commence par une recherche bibliographique montrant que les fortes contraintes ont un effet important dans la rupture des particules. Cette rupture est influencée par les caractéristiques des particules, l’assemblage et les conditions mécaniques imposées. Une fois les facteurs influençant la rupture de particules identifiés, on s’intéresse aux modèles de comportement tenant compte de ce phénomène. La plupart des modèles étudiés englobent les différents facteurs d’influence dans un ou plusieurs paramètres difficilement identifiables par les essais mécaniques courants. Un modèle proposé dans le cadre de la thermodynamique prenant en compte la distribution de taille des particules a été retenu pour une analyse plus approfondie. Cette analyse aboutit au besoin d’identifier deux phénomènes importants : i) la distribution de tailles de particules suite à la rupture, et ii) la relation entre la rupture de particules et la dissipation d’énergie par frottement. Concernant le premier phénomène, un modèle probabiliste est proposé. Ce modèle tient compte de l’effet de la taille des particules dans la probabilité de rupture. La comparaison des simulations aux résultats expérimentaux pour un sable montre une bonne approximation de la variation des courbes granulométriques. Concernant la relation entre la rupture de particules et la dissipation d’énergie par frottement, des essais triaxiaux ont été analysés thermodynamiquement sur un plan « énergie reçue/énergie rendue » par le système (l’échantillon de sol). Sur ce plan, on étudie le comportement dissipatif sans rupture qui se traduit par une relation linéaire. Les matériaux présentant une rupture des particules montrent une relation différente. Donc, ce plan permet de mettre en évidence la différence entre l’énergie dissipée par le matériau sans rupture et celui avec rupture de grains. Cette différence est associée au travail mécanique dû à la rupture des particules. Différentes conclusions et perspectives sont proposées à ce point pour le développement de modèles de comportement. Une conséquence directe de la dépendance de la probabilité de rupture avec la taille des particules est l’existence d’un effet d’échelle. Une théorie d’effet d’échelle récemment proposée pour l’enveloppe de rupture a été validée dans le cadre des relations contraintes-déformations. Ceci permet de modéliser la réponse contrainte-déformation d’un matériau contenant des particules de taille significative à partir d’un matériau de granulométrie réduite.Finalement, quelques recommandations de modification aux pratiques existantes dans la conception de barrages à masque amont en béton ont été proposées suite à des analyses de modèles en éléments finis. / The concrete face rockfill dam (CFRD) is a type of dam widely constructed nowadays. The design “rules“ for this type of dam have remained totally empirical. During the last decade, several high CFRDs have experienced the cracking of the concrete face during first reservoir impounding. This shows the limitations of the current empirical state of practice. It is important to understand the different physical mechanisms leading to these problems, especially those concerning the mechanical behavior of rockfill materials. Looking for answers to this problem, this thesis starts by a bibliographic research which shows that particles breakage is an important issue on the mechanical behavior of rockfills. The particles breakage phenomenon is affected by the characteristics of individual particles, the packing conditions of the assembly and the imposed mechanical solicitations. Once the factors affecting particles breakage have been identified, we study the constitutive models that have introduced the particles breakage phenomena. Most of them reduce the influence of the different factors to a couple of parameters, which are not easily identifiable through current laboratory tests. One constitutive model proposed on a thermodynamic framework has been retained for a more detailed analysis. This analysis leads to two main topics of interest: i) the description of the grain-size distribution due to particles breakage, and ii) the relationship between dissipation of energy and particles breakage. Concerning the first topic, a probabilistic model is proposed to describe the evolution of particles breakage and the variation of the grain-size distribution curve. This model takes into account the dependency of breakage probability with particles size. The comparison between model response and laboratory experiences shows good agreement for the variation of the grain-size distribution curves.Concerning the relationship between dissipation of energy by friction and particles breakage, several drained triaxial tests have been studied thermodynamically on a plot called “input/output power” of the system (soil sample). On this plot, we study the dissipative behavior without particles breakage, which is characterized by a straight line. Materials experiencing particles breakage show a different form. Therefore this plot allows identifying the difference between the dissipated energy of materials with and without particles breakage. This difference is associated to the particles breakage phenomena. Several conclusions and future works are proposed at this point related to the description of the mechanical behavior of rockfills.A direct consequence of the dependency of particles breakage on the particles size is the existence of a size-scale effect. A theory recently proposed for the shear-strength envelope has been validated for the stress-strain relationships. This allows estimating the stress-strain response of a material with very coarse particles from a material with reduced grain-size distribution.Finally, some recommendations to the current practice of CFRDs design are proposed, based on analyses with finite element models.

La technique de changement d’échelles a été largement développée dans la littérature pour décrire le comportement global des milieux granulaires en prenant en compte leurs propriétés locales. Cette technique considère classiquement deux échelles : l’échelle macroscopique du volume élémentaire représentatif et l’échelle microscopique du contact entre particules. Le défi majeur de ce changement d’échelles "micro-macro" réside dans la définition de la déformation macroscopique : en effet, si la contrainte macroscopique peut être clairement définie à partir des forces de contact, il a été montré qu’il n’était pas approprié de déduire la déformation macroscopique à partir de la cinématique aux contacts. Dans ce cadre, ce travail propose d’introduire une troisième échelle dite mésoscopique. Cette échelle, à laquelle peuvent être définies à la fois contrainte et déformation, est intermédiaire entre les échelles microscopique et macroscopique et permet de palier au défi majeur mentionné ci-dessus. Elle est définie au niveau d’arrangements locaux de particules, appelés sous-domaines, et sa pertinence est étudiée sur la base d’échantillons numériques composés de particules circulaires puis sphériques, simulés par la méthode des éléments discrets. Les milieux bidimensionnels sont géométriquement représentés par un graphe de particules composé de sous-domaines fermés, encore appelés cellules de vide, dont la frontière est constituée de branches connectant les centres de particules en contact : l’échelle mésoscopique est donc définie au niveau de ces cellules de vide fermées. A cette échelle locale, on décrit tout d’abord la structure du milieu en termes de densité et de texture puis l’on définit les variables statique et cinématique locales du milieu en termes de contrainte et déformation. De fortes hétérogénéités des milieux granulaires en termes de structure, déformation et contrainte sont mises en évidence à l’échelle mésoscopique, avec de plus une structuration des hétérogénéités de contraintes et de déformations et une forte corrélation entre ces deux quantités. Concernant les milieux tridimensionnels, une partition en cellules de vide fermées est impossible du fait de la complexité de la structure 3D de ces milieux. On propose donc une méthode de partition du milieu basée sur la distribution des vides en son sein. La méthode consiste en premier lieu en une subdivision du milieu en tétraèdres, par une partition de Delaunay, puis en une association de tétraèdres voisins selon un critère prédéfini en vue de la création de sous-domaines, non fermés, mais au rôle analogue aux sous-domaines fermés de l’étude 2D. Le critère d’association proposé est basé sur le rapport entre la taille des constrictions (vide sur chaque face des tétraèdres) et la taille des pores au voisinage de chaque constriction. Cette méthode d’association constitue donc l’étape préliminaire à l’extension au cas tridimensionnel des résultats obtenus dans le cas bidimensionnel. / The technique of change of scales has been extensively developed in the literature to describe the global behaviour of granular materials taking into account their local properties. This method usually considers two scales : the macroscopic scale at the level of representative elementary volume and the microscopic scale at the level of contact between particles. The major difficulty of this "micro-macro" change of scales lies in the definition of the macroscopic strain : indeed, the macroscopic stress is clearly defined from contact forces while it is not appropriate to derive the macroscopic strain from the kinematics at contacts. In this framework, this work proposes to introduce a third scale called mesoscopic scale. This scale, at which both stress and strain can be defined, is intermediate between macroscopic and microscopic scales and allows to overcome the major difficulty mentioned above. The mesoscopic scale is defined at the level of local arrangements of particles, called sub-domains, and its relevance is studied on numerical 2D and 3D materials composed of circular then spherical particles, simulated with the discrete element method. Bidimensional media are geometrically represented by a particle graph composed of closed sub-domains, also called void cells, whose border is constituted by the branches joining the centers of particles in contact : the mesoscopic scale is thus defined at the level of these closed void cells. At this local scale, we fist describe the structure of the medium in terms of density and fabric ; we define then the static and kinematic variables in terms of stress and of strain. Strong heterogeneities of granular media in terms of structure, stress and strain are highlighted at this scale, with a structuration of heterogeneities of stress and strain and a significant correlation between these two quantities. Concerning tridimensional media, a partition into closed void cells is impossible, because of the complexity of the 3D structure of these media. We propose a partition method based on the distribution of voids inside the medium. This method consists first in subdividing the medium into tetrahedrons by a Delaunay partition and then in associating neighbouring tetrahedrons, according to a criterion to be defined. This allows us to form sub-domains which are not closed but which play a role analogous to the role of closed sub-domains in the 2D study. The proposed association criterion is based on the ratio between the size of constriction (void on each face of tetrahedrons) and the size of pores around each constriction. This partition method constitutes a preliminary step for an extension of the results obtained in the bidimensional case to the tridimensional case.

L’objectif de cette étude est de bien décrire les mécanismes impliqués dans la remise en suspension des microparticules en conduite ventilée. Une méthodologie expérimentale est utilisée, et cela en tenant compte de la période d’accélération de l’écoulement qui précède l’atteinte du régime permanent. Une méthode optique a été choisi pour étudier le mouvement initial des particules, et leur cinétique de remise en suspension. Parallèlement, nous avons recueilli des données locales de l’écoulement en période d’accélération et au régime permanent.Le démarrage de la remise en suspension a été analysé relativement à l’évolution temporelle de trois paramètres pouvant influencer le démarrage de la remise en suspension, le premier est la vitesse instantanée en proche paroi, le second est l’intensité turbulente, et enfin le troisième est l’énergie cinétique turbulente. Le paramètre prépondérant sur le démarrage de la remise en suspension semble être l’énergie cinétique turbulente. / The objective of this study is to well describe the mechanisms involved in the resuspension of particles in ventilated duct by using an experimental methodology and taking into account the acceleration of the air flow which always precedes steady state. For that purpose, we chose an optical method in order to investigate the initial movement of particles, and to quantify the resuspension kinetics. In parallel we collected local data of the flow during acceleration and steady state.We observed that the resuspension kinetics starts during the acceleration period and extends to steady state. We highlighted the relevant velocity characteristics (critical velocity at the center duct and close to the wall, critical kinetic energy range) to explain this phenomenon. The resuspension start seems to be linked with a critical kinetic energy range.

La recherche de la genèse des méandres en général se fait selon deux approches qui doivent se valider mutuellement: la dynamique géomorphologique et la dynamique des fluides, où la modélisation des flux 3D permet de simuler le mouvement hélicoïdal, avec des difficultés liés au temps et procédure de calcul et en simplifiant le problème par des géométries simples (Camporeal, et al, 2007). Smoothed particle hydrodynamics (SPH) est une méthode à maille libre, devenu très populaire, en particulier pour simuler les flux de surface libre. C’est une méthode robuste et puissante pour décrire les milieux soumis à des déformations (Gomez-Gesteira, et al, 2010). L’objectif de cette recherche est de modéliser les écoulements hélicoïdaux en 3D. Le modèle à éléments finis utilisé dans cette étude, RMA, a montré sa capacité à simuler les caractéristiques clés des méandres et sont en accord avec les expérimentations de Hasegawa (1983), et Xu et Bai (2013). Les procédures SPH sont élaborées à partir du modèle 3D d'écoulement du fluide, en tenant compte des collisions entre les particules et des conditions aux limites de canal courbe. Avec le code SPH, l’écoulement hélicoïdal est initié par l'addition de flux de tourbillon visqueux aux conditions initiales. Le modèle d'écoulement hélicoïdal est compatible avec les modèles issus des expérimentations de Wang et Liu (2015), ainsi que celles de Wu (2008) qui tient compte de flux secondaires dans un canal courbe. Ainsi, SPH est capable de simuler l’écoulement hélicoïdal lié à la courbure du canal, en accord avec Camporeal et al. (2007), et da Silva (2006) et Yalin (1993). / Meandering channels research in general is separated, but still correlated, into two approaches: geomorphologic and fluid dynamics, where 3D flow modeling receive more attention for its ability to simulate helicoidal motion even though it is high in computational efforts and limited to simple geometry (Camporeal, et al., 2007). Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is one most noticeable meshfree method and now become very popular, particularly for free surface flows, it is a robust and powerful method for describing deforming media (Gomez-Gesteira, et al., 2010). SPH is a very promising method to answer 3D flow modeling in meander dynamics. Objective of this research that helical flow patterns from flow simulation with 3D nearly incompressible flow SPH method is comparable to flow simulation with 3D stratified flow finite element method with RMA. The finite element model using in this study, RMA has shown its capability to simulate the meander key characteristics and are agreed with experiments of Hasegawa (1983), and Xu and Bai (2013). SPH procedures are developed from 3D fluid flow model, collision handling between water particles, and curved channel boundary conditions. With SPH simulation, helical flow is initiated by adding up viscous flow and vorticity at initial conditions. The helical flow pattern is consistent with the patterns from very recently experiment investigation by Wang and Liu (2015), and theoretical sketch of secondary flows in a curved channel by Wu (2008). Thus, SPH method is able to develop helical flow as a result of curvature, agreed with Camporeal et al. (2007), and even without sediment transport, agreed with da Silva (2006) and Yalin (1993).

La synthèse des catalyseurs bi-métalliques de PtNi supportés sur silice et préparés par une méthode non-classique a été étudiée de manière approfondie en utilisant le borohydrure de sodium (NaBH4) comme réducteur du précurseur métallique. En général, les catalyseurs qui ont été préparés par la technique de co-imprégnation donnent une meilleure réactivité catalytique pour l'hydrogénation du benzène en cyclohexane en phase gazeuse, comparée à celles donnée par la co-précipitation, par l'imprégnation par étapes et par l'utilisation d'acide oléique. Plusieurs catalyseurs bimetalliques ont démontré une meilleure réactivité que le catalyseur mono-métallique Pt. Les recherches ont prouvé que l'amélioration de la réactivité peut être attribuée à la formation d'alliage de Pt et Ni accompagnée de la ségrégation du Pt sur l'alliage. L'effet de plusieurs paramètres de réduction a été également étudié. Les variations de ces paramètres affectent la morphologie et la dispersion des particules PtNi. La réactivité catalytique optimum a été obtenue lors de la formation de petites particules PtNi dispersées à la température de 273 K avec 0.3 M de NaBH4 en solution dans l'éthanol. Les méthodes classiques aussi ont été utilisées pour la synthèse des catalyseurs PtNi supportés. Plusieurs des catalyseurs ont montré une meilleure réactivité que le Pt. On a trouvé qu'elle est attribuable à l'effet d'ancrage des ions de Ni2+ sur le support et la fixation de particules Pt très petites et bien dispersées sur ces ions. En conclusion, il apparaît dans ce travail que les particules bimétalliques supportées, combinées en alliage ou non, peuvent donner lieu à une meilleure réactivité que les catalyseurs monométalliques. Cependant, plusieurs paramètres affectent la surface de la phase métallique des catalyseurs. Par conséquent, nos résultats montrent qu'il est impératif de comprendre et de contrôler ces paramètres pour synthétiser les catalyseurs possédant les meilleures propriétés. / The synthesis of PtNi bimetallic particles supported silica catalysts, prepared via non-classical methods using sodium borohydride (NaBH4) as a reducing agent, was studied in detail. The silica supports employed in this work is limited to crystalline silica and mesoporous aluminosilicate (MCM-41). Various preparation techniques as well as reduction parameters were investigated to gain an insight on how these factors influenced the final structure of the PtNi particles on the silica support and their catalytic reactivity towards the hydrogenation of benzene to cyclohexane. It was found that this reduction method enabled total reduction of the metal salts during the preparation stage of the catalysts. Hydrogen consumptions which were detected using H2-TPR analysis were mainly attributed to surface oxidation of the metal phase during storage. Studies on the effect of preparation techniques showed that the surface and catalytic properties of the catalysts are largely affected by the PtNi ratio as well as the method in which the metal salts are introduced onto the support. Catalysts prepared via co-impregnation technique generally exhibited better catalytic reactivity when compared to those prepared via co-precipitation and step-impregnation techniques. Further, catalysts with higher Ni content showed a tendency towards lower reactivity in contrast to those with high Pt content. Several catalysts demonstrated enhanced reactivity when compared to the monometallic Pt catalysts. Investigations showed that the improved reactivity can be attributed to alloying of the Pt and Ni accompanied by surface segregation of Pt. As a means to improve catalytic reactivity, PtNi stabilized oleic acid particles were synthesized prior to incorporation onto a silica support. The intention of this study is to allow better control of the dispersion and alloying between the PtNi particles. Results show that though better dispersed alloys were obtained, very low activity was observed. Nickel surface segregation is likely to be the cause of this due to the presence of oxygen from oleic acid. The effect of several reduction parameters was also investigated to enhance catalytic reactivity. The reduction temperature, NaBH4 concentration and medium in which reduction was carried out were varied. Variations in these parameters affected the particle morphology and dispersion of the PtNi particles. Optimum catalytic reactivity was obtained when small dispersed PtNi particles were formed at 273 K using 0.3 M NaBH4 in a medium of ethanol. Classical methods were also used for the synthesis of PtNi supported catalysts. In this study the PtNi particles were formed using H2 gas as the reducing agent. Several catalysts showed improved reactivity. Investigations show that this is attributed to the anchoring effect of Ni2+ ions which anchors Pt to the support, forming fine dispersed Pt particles available for catalytic reaction. In general, it is obvious that alloyed and non – alloyed bimetallic particles supported on silica can lead to the enhancement of hydrogenation reactions when compared to the respective monometallic catalysts. However, the PtNi ratios, preparation techniques, environment in which the particles are reduced and support influences the structure of the metallic phase of these catalysts. Therefore it is imperative to gain a thorough understanding on these parameters, in order to synthesize catalysts with desired properties.

Le travail de doctorat exposé dans ce manuscrit a été développé dans le cadre du projet LUMINEU, une expérience pilote pour la double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0νββ) de l'isotope Mo avec des bolomètres scintillants de ZnMoO₄. Ce travail de physique expérimentale implique l'avancement du design et des tests des prototypes de détecteurs, et le développement des outils en vue de la préparation d'une expérience importante. La méthode de détection adoptée dans cette thèse est la technique bolométrique, qui s'intègre bien avec les caractéristiques requises des détecteurs pour étudier les événements rares. Le détecteur fournit une grande efficacité, une très bonne résolution en énergie et il permet la discrimination des particules pour la suppression du fond. Cette thèse se concentre sur la physique du neutrino et sur la désintégration 0νββ; les méthodes de détection expérimentales et la sensibilité de la demi-vie d'une expérience 0νββ sont traitées.La deuxième partie de ce travail est dédiée au setup, l'acquisition et l'analyse des données sont traitées en détails.La dernière partie de la thèse est consacrée aux résultats : les progrès réalisés dans le détecteurs bolométriques et les mesures sont résumés. Sur la base de ces résultats, nous avons calculé une sensibilité finale sur une expérience à venir basée sur ces détecteurs. / The current experiments on rare events searches for neutrino and dark matter are at present two of the most relevant and exiting field in particle and astro-particle physics.Thanks to the efforts made in the past years, much of progress has been made in answering some big open questions in this field. In particular, experiments in neutrino physics during the past decades gave very interesting results, stimulating new ideas of the mechanisms beyond the Standard Model. One of them is known as neutrinoless double beta decay which can give important informations on the puzzling picture of how nature behaves. It is a rare nuclear transition with a half life longer than 10^25 years where two neutrons decay simultaneously in to two protons with the emission of only two electrons, the two neutrino acting as a virtual particle between the two decay vertices. This process is possible only if the neutrino is equal to its antiparticle, which is in contrast with the SM predictions.The observation of this phenomenon can determining the nature -- Dirac or Majorana --, of massive neutrinos. This is of fundamental importance for making progress in our understanding of the origin of neutrino masses and mixing and of the symmetries governing the lepton sector of particle interactions. The measurement of the half life of the process would give unvaluable information on the absolute scale of neutrino masses, the Majorana phases and the type ofneutrino mass spectrum.This thesis is deeply related to the LUMINEU project aiming to prepare the construction of a next-generation Neutrinoless Double Beta Decay experiment, capable exploring the inverted hierarchy region of neutrino mass. This goal will be achieved through the development of sophisticated low-temperature detectors named bolometers, which may lead to important advancements in the field of dark matter detection as well.Bolometers are low temperature calorimetric detectors, which can exploit the so called homogeneous approach, which provides very high efficiency. They can be made by almost any dielectric material, giving a flexibility in the source/detector material choice. In addition, their excellent energy resolution makes them very competitive detectors.Scintillating bolometers are upgrade of the simple bolometers, where the absorber can also scintillate. The readout of the scintillating light is made by an auxiliary bolometer and it enables particle identification with the only drawback of doubling the readout channels.In this context, we developed, tested and optimized scintillating bolometers and innovative light detectors for a pilot underground experiment on neutrinoless double beta decay of 100Mo embedded in ZnMoO₄ and Li₂MoO₄ crystal scintillators.We demonstrated that the sensitivity of an experiment searching for neutrinoless double beta decay with scintillating bolometers can compete with reach the present forefront technologies in the field.

La synthèse de Fischer-Tropsch (FT) est l’un des moyens les plus pratiques de convertir les ressources carbonées alternatives, telles que le charbon, la biomasse, le gaz naturel et le gaz de schiste, en carburants et en produits chimiques à haute valeur ajoutée via le gaz de synthèse. Les hydrocarbures issus de la synthèse FT suivent une distribution large Anderson-Schulz-Flory (ASF). C’est donc un grand défi d’améliorer la sélectivité en hydrocarbures spécifiques. En plus de la sélectivité, la stabilité insuffisante des catalyseurs restreint une large implémentation de la synthèse FT dans l’industrie.Les effets dus à la promotion des catalyseurs au fer supporté par des nanotubes de carbone au bismuth et au plomb sur la synthèse directe d’oléfines légères à partir de gaz de synthèse ont été étudiés dans le chapitre 3. Par rapport aux catalyseurs au fer non promus, une vitesse de réaction de Fischer-Tropsch deux fois plus importante et une sélectivité considérablement plus élevée ont été observées. Une migration remarquable des promoteurs lors de l’activation du catalyseur et une décoration des nanoparticules de carbure de fer par les promoteurs ont été mis en évidence.Dans le chapitre 4, en utilisant un large éventail de techniques ex situ et in situ, nous avons découvert, plusieurs effets synergiques majeurs issus du nanoconfinement du fer dans les nanotubes de carbone et de sa promotion au bismuth et au plomb sur la structure et les performances catalytiques. Le nanoconfinement du fer dans les nanotubes de carbone, associé à la promotion au Bi ou au Pb, permet d'obtenir un rendement en oléfines légères dix fois plus élevé. Le nanoconfinement conduit principalement à des meilleures dispersion et stabilité, tandis que l’activité intrinsèque du fer (TOF) reste inchangée. La promotion au Bi et au Pb entraîne une augmentation majeure du TOF dans les catalyseurs confinés et non confinés. Apres l’optimisation, la synthèse Fischer-Tropsch se produit sous pression atmosphérique avec une conversion élevée et une sélectivité accrue en oléfines légères sur les catalyseurs promus et confinés.Dans le chapitre 5, nous avons examiné l’effet de la taille des particules de fer dans les catalyseurs confinés sur la conversion du gaz de synthèse en oléfines Nous avons démontré d’un part, que le TOF augmente lors que la taille des nanoparticules de fer confinés promues ou non-promues augmente de 2.5 à 12 nm. D’autre part, la sélectivité en olefines légères dépend fortement de la promotion. Dans les catalyseurs non-promus, la taille des particules de fer encapsulées dans les nanotubes de carbone ne produit aucun effet notable sur la sélectivité en oléfines légères, tandis que dans les catalyseurs promus au Bi et au Pb, la sélectivité en oléfines légères était supérieure sur les petites nanoparticules de fer et diminuait avec l’augmentation de la taille de nanoparticules.Dans le chapitre 6, nous avons élaboré une nouvelle approche pour la synthèse d’oléfines alpha linéaires lors de la synthèse de FT à basse température sur les catalyseurs à base de Co. Nous avons constaté que la co-alimentation du syngas en acides carboxyliques induisait une modification de la sélectivité et son déplacement vers les oléfines alpha. La sélectivité en olefines alpha atteint 39 % en présence des acides.En fin, nous avons proposé une nouvelle stratégie pour améliorer considérablement la stabilité des catalyseurs Co et Ni pour l'hydrogénation du CO via leur promotion au bismuth. Les catalyseurs promus ont démontré une stabilité exceptionnelle lors de la réaction. Les expériences menées ont révélé l'auto-régénération continue du catalyseur au cours de la réaction via l’oxydation du carbone déposé par l'oxygène généré lors de la dissociation du CO à l'interface de nanoparticules métalliques et du promoteur de bismuth. La formation d’une couche de bismuth protégeait également les nanoparticules métalliques du frittage. / Fischer-Tropsch (FT) synthesis is one of the most practicable routes to convert non-petroleum carbon resources, such as coal, biomass, natural gas and shale gas, via syngas into valuable fuels and chemicals. This reaction follows surface polymerization mechanism and the primary products follows the Ander-Schulz-Flory (ASF) distribution. It’s a big challenge to improve the target products selectivity. Apart from the selectivity, catalyst deactivation also restricts the wide application in FT synthesis. The effect of the promotion with bismuth and lead on direct synthesis of light olefins from syngas over carbon nanotube supported iron catalysts was investigated in Chapter 3. Compared to the un-promoted iron catalysts, a twice higher Fischer-Tropsch reaction rate and higher selectivity to light olefins were obtained. This promotion effect is more significant under atmospheric pressure with 2-4 times higher activity while the selectivity of light olefins reaches as high as ~60 %. Remarkable migration of promoters during the catalyst activation and decoration of the iron carbide nanoparticles were uncovered by characterization. Moreover, in Chapter 4 we uncovered using a wide range of ex-situ and in-situ techniques several major synergetic effects arising from the iron nanoconfinement and promotion with bismuth and lead on catalytic performance of FT synthesis resulting in light olefins. Iron nanoconfinement inside carbon nanotubes combined with the promotion with Bi or Pb result in a 10-fold higher yield of light olefins. Nanoconfinement in carbon nanotubes mostly leads to better iron dispersion and stability, while intrinsic activity is only slightly affected. Promotion with Bi and Pb results in a major increase in the site intrinsic activity (TOF) in both confined and non-confined catalysts. Over the optimized promoted and confined catalysts, Fischer-Tropsch synthesis occurs under atmospheric pressure with high conversion and enhanced selectivity to light olefins with lower degree of sintering.Apart from the confinement effect, we also study the particle size effect in the confined system for syngas conversion to light olefins over both promoted and unpromoted iron catalysts in Chapter 5. The TOF increases with increasing in the iron nanoparticles sizes from 2.5 to 12 nm over the carbon nanotubes containing encapsulated monometallic or Bi- or Pb-promoted iron nanoparticles. The iron particles size of unpromoted catalysts encapsulated in carbon nanotubes does not show any noticeable effect on the light olefin selectivity, while in the Bi- and Pb-promoted catalysts, the light olefin selectivity was higher over smaller encapsulated iron nanoparticles and decreased with the increase in the nanoparticle size.In Chapter 6, we introduced a new approach for the synthesis of linear α-olefins during low temperature FT synthesis over the Co based catalysts. We found that the co-feeding carboxylic acids leads to a shift of selectivity from paraffins to α-olefins which has been assigned to stabilization of olefins by intermediate formation of esters. The α-olefins selectivity is as high as 39 % in the presence of acids.In the end, we propose a new strategy, which substantially improves the stability of Co and Ni catalysts for CO hydrogenation via their promotion with bismuth. The promoted catalysts demonstrated exceptionally stable performance. The conducted experiments uncovered continuous catalyst self-regeneration during the reaction via oxidation of deposed carbon by oxygen scavenged after CO dissociation at the interface of metal nanoparticles and bismuth promoter. Formation of the bismuth-protecting layer over metal nanoparticles protects them against sintering.