L'élaboration de stratégies économiquement viables pour le stockage à long terme du dioxyde de carbone est devenue depuis quelques années un enjeu majeur en réponse aux préoccupations liées au réchauffement planétaire. Le captage et stockage du carbone (CSC) est considéré comme l'un des scénarios possibles visant à contrer le phénomène du réchauffement planétaire en ciblant le CO₂ atmosphérique. La carbonatation minérale – dans des plateformes de CCS – devrait être une option privilégiée pour la capture et le stockage permanent du carbone, connaissant la réactivité de matériaux alcalins tels que les silicates de magnésium et la brucite avec le dioxyde de carbone pour former des carbonates stables et respectueux de l'environnement. La carbonatation minérale passive des minéraux contenus dans les rejets ultramafiques pourrait être considérée comme une option économiquement attrayante en raison de la disponibilité de grandes quantités de rejets miniers riches en magnésium, de granulométrie très fine et hautement réactifs. De plus, les réactions impliquées dans la carbonatation minérale se font relativement facilement dans les conditions ambiantes. Le CO₂ est principalement dissous dans l'eau provenant de la pluie et de la fonte des neiges pour former des ions HCO₃₋ et CO₃²⁻. Des ions métalliques tels que le Mg²⁺ et le Ca²⁺ sont également lessivés dans l'eau permettant ainsi la formation de carbonates métalliques. Des travaux expérimentaux de laboratoire ont été réalisés afin d'identifier la dynamique de la carbonatation minérale passive dans des conditions environnementales qui prévalent généralement dans les régions du Québec, au Canada. Une cellule de carbonatation à diffusion différentielle a été développée pour suivre la cinétique de carbonatation minérale dans des conditions ambiantes. Les mesures cinétiques ont révélé le rôle complexe de l'eau à la fois dans le milieu réactionnel et en partie dans les processus de carbonatation. L'analyse par diffraction aux rayons X en fonction du temps et les observations au microscope électronique à balayage révèlent la formation de carbonates de magnésium intermédiaires, poreux et métastables qui ont ensuite évolué en couches de nesquehonite moins poreuses. Ces minéraux secondaires sont responsables de la passivation des surfaces malgré la disponibilité d’une partie de la brucite qui n’avait pas encore réagie. Cependant, les résultats ont montré que l'abrasion des surfaces de rejets préalablement carbonatés peut permettre l’exposition de surfaces fraiches permettant ainsi une carbonatation supplémentaire des résidus. Des essais de carbonatation à température variable ont été effectués dans les plages de température chaude (35 ± 1 ° C), de laboratoire (23 ± 2 ° C), faible (5 ± 1 ° C) et de congélation (-5 ± 2 ° C) pour considérer les différences saisonnières. Les résultats suggèrent que la température a un effet notable sur la cinétique de carbonatation et une baisse de la température a provoqué un ralentissement de la réaction, bien que la carbonatation soit, d’un point de vue thermodynamique, définie comme une réaction exothermique. De plus, il a été observé que le séchage et les cycles de gel/ dégel étaient à l'origine d'un effet thermomécanique de "pelage" qui induit des microfractuations des couches de carbonates secondaires permettant à l'eau et au gaz de migrer et de réagir avec des sites donneurs de Mg. L'analyse par spectroscopie FTIR a révélé que des carbonates de magnésium hydratés tels que la nesquehonite se forment parallèlement à la dissolution de la brucite pendant la carbonatation minérale des résidus miniers de nickel riches en brucite. Cependant, les résultats suggèrent aussi que la nesquehonite n'est pas le produit final de carbonate de magnésium hydraté. En effet, une surveillance à long terme (sur 2 ans) d'un matériau déjà carbonaté a révélé que la nesquehonite initiale a évolué en dypingite et en hydromagnésite, dépendamment de l'âge, des cycles de mouillage/séchage et de la profondeur où le carbonate initial s'est formé. Néanmoins, la nesquehonite pourrait maintenir sa stabilité sur des périodes prolongées si elle n'est pas soumise à des conditions humides. / Developing economically feasible strategies for long-term storage of carbon dioxide has become over the past few years a major stake in response to the concerns over global warming. Carbon capture and storage (CCS) is widely believed to be one of the possible scenarios aimed in challenging the global warming phenomenon by targeting the atmospheric CO₂ content. Mineral carbonation – in the platform of CCS – is anticipated to be a premium option for permanent carbon capture and storage owing to the known reactivity of alkaline materials such as magnesium silicates and brucite with carbon dioxide to form stable and environmentally benign carbonates. Passive mineral carbonation of ultramafic mine waste and tailing minerals could be considered as an economically attractive option owing the availability of large amounts of magnesium-rich mining wastes, which are regarded to be virtually free, typically fine grained and highly reactive. Moreover, the energy input of nature is employed in passive mineral carbonation which is likewise free. In this way, CO₂ is mainly dissolved in water resulting from rain and snow season. Metal ions such as Mg²⁺ and Ca⁺ are also leached into the water allowing the formation of metal bicarbonate and consequently formation of metal carbonates. Laboratory experimental works were done in order to identify the dynamics of passive mineral carbonation under environmental conditions prevailing the Quebec region, Canada. A differential diffusion carbonation cell was developed to monitor the kinetics of mineral carbonation under ambient conditions. The kinetic measurements revealed the complex role of water both as reacting medium and moiety in the carbonation pathway. Time-dependent X-ray powder diffraction analysis and scanning electron microscopy reveal formation of transitional, metastable porous, flaky magnesium carbonates which subsequently evolved into less porous nesquehonite layers, which are shown to be responsible for surface passivation despite availability of unreacted brucite. However, surface abrasion was shown to liberate previously carbonated NIMT particles resulting in further carbonation on freshly exposed surfaces. Temperature dependent carbonation tests were performed in the ranges of hot (35 ± 1 °C), laboratory (23 ± 2 °C), low (5 ± 1 °C), and freezing (-5 ± 2 °C) to mimic different seasonal conditions. Temperature had a notable effect on the carbonation kinetics and lowering temperature caused a reaction slowdown despite carbonation is thermodynamically defined as an exothermic reaction. Moreover, it was observed that drying and freeze/thaw cycles were at the origin of a thermomechanical “peel-off” effect which inflicted micro–fractures to the carbonate product layers enabling water and gas to engulf beneath and react with freshly unearthed Mg donor sites. FTIR spectroscopy analysis revealed that hydrated magnesium carbonates such as nesquehonite are being formed parallel to brucite dissolution during mineral carbonation of brucite-rich nickel mining tailings. However, it was observed that nesquehonite is not the ultimate hydrated magnesium carbonate product. Long–term monitoring over 2 years of an already carbonated material revealed that the initial nesquehonite has evolved into dypingite and hydromagnesite depending on age, wetting/drying history and the depth where initial carbonate has been formed. Nonetheless, nesquehonite could maintain its stability over prolonged times if not being subjected to wet/ humid environmental conditions.

La capture du CO2 est, de nos jours, une opération très convoitée car elle permet de réduire les émissions des gaz à effets de serre. Elle peut également être appliquée dans l’intensification des procédés de vaporeformage par l’utilisation des adsorbants chimiques «haute-température» (vaporeformage couplé avec la capture in-situ du CO2 (sorption-enhanced steam reforming, SESR)), afin d’augmenter significativement la pureté de l’hydrogène en une seule étape. Parmi les adsorbants solides utilisés dans ce procédé, ceux qui sont à base de CaO ont montré une certaine efficacité. Toutefois, l’agglomération des particules de CaO au cours de l’opération cyclique carbonatation/régénération rend leur utilisation à échelle industrielle difficile. L’ajout de composants inertes à l’adsorbant est l’une des stratégies utilisées afin d’augmenter sa stabilité. L’objectif principal de ce travail est la valorisation d’un résidu métallurgique (oxyde d’UGS, UGSO) afin de développer un matériau hybride adsorbant-catalyseur pour application dans la production d’hydrogène de haute pureté par SESR du glycérol. Plusieurs échantillons contenant des proportions différentes UGSO/CaO ont été préparés et testés pour évaluer l'efficacité de l’UGSO dans la stabilisation de l’adsorbant. Les expériences ont été réalisées en utilisant un analyseur gravimétrique intelligent (IGA, Hiden Isochema). Pour tous les échantillons étudiés, une meilleure stabilité a été enregistrée lors de l’ajout de l’UGSO. Les résultats ont montré que l’échantillon contenant 10% en masse UGSO a présenté la meilleure stabilité avec une conversion de CaO de 76% au 18ème cycle carbonatation/régénération, contre une conversion de 55% pour l’échantillon CaO pur testé dans les mêmes conditions. Ce meilleur rapport UGSO/CaO a été ensuite utilisé pour préparer un matériau hybride adsorbant-catalyseur et ses performances ont été testées dans le procédé SESR du glycérol. Les résultats ont montré une production d’hydrogène de pureté élevée avec un rendementde 96%. Les résultats obtenus dans ce mémoire peuvent contribuer à l’optimisation du procédé de vaporeformage du glycérol couplé à l’adsorption in-situ duCO2. / Résumé en espagnol / CO2 capture is, nowadays, a widely discussed subject as it helps reducing the greenhouse gas emissions. It can also intensify steam reforming processes through the use of high-temperature sorbents, in order to produce high purity hydrogen in a single step (sorption-enhanced steam reforming, SESR). Among the solid sorbents used in this process, those based on CaO have shown good results. However, the agglomeration of sorbent particles (sintering) during the cyclic operation carbonation/regeneration makes their use difficult at an industrial scale. The addition of inert compounds to the sorbent is one of the strategies used to increase its stability. The main objective of this work is the valorization of a metallurgical waste called UGS oxide (UGSO), in order to develop a hybrid sorbent-catalyst material for application in the production of hydrogen with high purity by SESR of glycerol. Several samples with different UGSO/CaO ratios were synthesized and tested to evaluate the efficiency of UGSO in thesorbent stabilization. The experiments were performed using an intelligent gravimetric analyzer (IGA, Hiden Isochema). For all samples, a better stability was obtained in the presence of UGSO. The results showed that the sorbent containing 10 wt.% UGSO achieved the best stability with a CaO conversion of 76% at the 18th carbonation/regeneration cycle compared to 55% for pure CaO (limestone) tested under the same conditions. This optimal UGSO/CaO ratio was then used to prepare a hybrid sorbent-catalyst material and its performance was tested in the SESR of glycerol. The results showed the production of hydrogen with high purity (97%) and yield (96%). The results obtained in this master thesis can contribute to the optimization of the sorption enhanced steam glycerol reforming process.

L’objectif de la recherche proposée dans cette thèse est d’apporter une meilleure compréhension au mécanisme de la torréfaction de la biomasse et de proposer des méthodes pratiques afin d’améliorer l’efficacité de ce processus. Quant au mécanisme, la torréfaction de deux échantillons de biomasse lignocellulosique des forêts du Québec (le faux-tremble et le bouleau) et leurs constituants principaux tels que la lignine, la cellulose et l’hémicellulose est étudiée en détail en utilisant différentes techniques expérimentales et un modèle cinétique a été développé pour décrire la cinétique de leur torréfaction. Notre étude sur le mécanisme et la cinétique de torréfaction de la biomasse révèle également une faible vitesse de torréfaction de la biomasse, ce qui nous a motivés à proposer et développer une nouvelle méthode de torréfaction impliquant des liquides ioniques dans le but de stimuler la vitesse de torréfaction de la biomasse. Bien que la torréfaction améliore les propriétés physicochimiques de la biomasse en tant que combustible, la production d’hydrocarbures oxygénés (sous forme de volatils) de la biomasse lors de la torréfaction réduit son énergie globale. Dans le but de récupérer l’énergie des volatils, une nouvelle combinaison de la torréfaction de la biomasse et de la combustion des volatils dans une boucle chimique de combustion (Chemical Looping Combustion) a été étudiée dans cette thèse. À cet effet, les minéraux ultramafiques abondants et préalablement broyés, largement disponibles dans la province de Québec, ont été testés en tant que transporteurs solides d’oxygène conduisant à près de 96% de conversion des volatils à 700°C dans un réacteur CLC. Comme travail supplémentaire, nous étions également intéressé à explorer l’application potentielle des résidus miniers contenant une quantité considérable de fer pour le craquage catalytique de goudrons produits pendant les processus de gazéification de la biomasse. À cet effet, le potentiel de deux résidus miniers et des minéraux renfermant du fer obtenus de diverses activités minières au Québec a été comparé à celui de l’olivine (connu comme minéral actif pour le craquage du goudron). / The aim of the proposed research was to provide a better understanding of the mechanisms of biomass torrefaction and to propose practical methods to improve the efficiency of this process. As for the mechanism, torrefaction of two woody biomass samples from Quebec forests (aspen and birch) and their main constituents, i.e., lignin, cellulose and hemicellulose is studied in details using different experimental techniques and a kinetic model is developed for their torrefaction. Our studies on the mechanism and kinetics of biomass torrefaction also revealed the slow rate of biomass torrefaction which motivated us to propose and develop a new ionic-liquid assisted torrefaction process with the aim of increasing the rate of biomass torrefaction. Although torrefaction improves the physicochemical properties of biomass fuel, release of oxygenated hydrocarbons (in the form of volatiles) from biomass reduces its overall energy. To recover volatiles energy, a new combination of biomass torrefaction and chemical looping volatiles combustion was studied. In this regard, the already comminuted, abundant and cheap iron and magnesium bearing silicate minerals found widely in the form of mining residues in the province of Quebec were tested as solid oxygen carrier and up to 96% of volatiles conversion at 700°C was achieved in CLC reactor. As a supplementary work, we were also interested to explore the potential of mining residues containing sizeable quantities of iron for catalytic cracking of tar released during the gasification of biomass. For this purpose, iron-bearing mining residues and minerals obtained from the mining activities in Quebec were evaluated comparatively to olivine (known as an active mineral for tar cracking) for benzene cracking in simulated syngas. It was found that chrysotile showed up to four-fold increase in benzene and methane conversion than olivine.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2023) / Située dans le sud du Québec, la rivière Bécancour prend origine à la sortie du lac Bécancour, puis coule à travers la ville de Thetford Mines et ses anciens sites miniers avant de s'élargir pour former successivement l'étang Stater, le lac à la Truite (d'Irlande), le lac William et le lac Joseph. Ces cinq plans d'eau sont aux prises avec de graves problèmes d'eutrophisation et, dans certains cas, d'ensablement/envasement. Les activités minières d'amiante menées pendant plus d'un siècle dans la région de Thetford Mines (1877-2011 EC) et les immenses haldes minières disposées le long de la rivière Bécancour ont souvent été mises en cause afin d'expliquer leur mauvaise condition. Cependant, plusieurs incertitudes demeurent en raison d'un manque d'évidences scientifiques. L'objectif général de cette thèse de doctorat est de déterminer les impacts des activités minières d'amiante et des effets parallèles et cumulatifs du développement anthropique du territoire sur l'évolution des lacs du bassin de la rivière Bécancour. Afin d'y parvenir, une approche paléolimnologique a été utilisée. Pour chacun des plans d'eau à l'étude (étang Stater et lacs Bécancour, à la Truite, William et Joseph), une carotte de sédiments d'un peu plus de 1 m de longueur a été prélevée et analysée. Plusieurs caractéristiques des couches sédimentaires ont été étudiées, notamment leur âge, densité, susceptibilité magnétique, granulométrie, ainsi que leur contenu en matière organique, carbone, azote, métaux, amiante et diatomées. Les assemblages de diatomées, dominés par des petits taxons fragilarioϊdes, préservés dans les sédiments « naturels » des lacs Bécancour, à la Truite, William et Joseph ont révélé que ces milieux présentaient un état oligotrophe au moment de la colonisation moderne de la Haute-Bécancour vers 1810 EC. Ils avaient aussi de très faibles taux d'accumulation de sédiments (< 0,1 cm an⁻¹; < 0,05 g cm⁻² an⁻¹). Le défrichement des terres et les activités agricoles survenus au cours du XIXᵉ siècle ont cependant stimulé la productivité primaire et les apports de matériel clastique. Le lac William a atteint un état mésotrophe dès ~ 1885 EC en raison de pressions vraisemblablement associées au commerce du bois et à des rejets d'eaux usées. Le niveau de dégradation des plans d'eau situés en aval de Thetford Mines a été grandement amplifié suivant les travaux de drainage et d'excavation du lac Noir (1954-1959 EC), autrefois situé en amont de l'étang Stater, à des fins d'exploitation minière. L'essor important de taxon de diatomées eutrophes (e.g., Cyclostephanos makarovae/invisitatus, Stephanodiscus hantzschii) dans les sédiments des lacs à la Truite, William et Joseph de cette époque, ainsi que plusieurs autres indicateurs tels que l'augmentation des valeurs de phosphore total inféré et de δ¹³C et la diminution du rapport C/N, indiquent que cet évènement a fortement accentué leur eutrophisation. Ceci peut être attribué à l'arrivée plus importante d'eaux usées concentrées en provenance de Thetford Mines suivant la perte du lac Noir qui agissait autrefois comme barrière tampon. La vidange du lac Noir a aussi mené à une explosion des taux d'accumulation de sédiments dans l'étang Stater et les lacs à la Truite et William. Ces plans d'eau ont continué de recevoir des quantités anormalement élevées de matériel sédimentaire (jusqu'à 1,4 cm an⁻¹; 1,0 g cm⁻² an⁻¹) dans les décennies qui ont suivi cet évènement. Les dépôts récents (≥ 1960 EC) présentent une faible teneur en matière organique et des niveaux élevés d'enrichissement en magnésium, chrome et nickel qui sont cohérents avec la signature géochimique des résidus miniers amiantés. Les résultats démontrent ainsi que les haldes situées en bordure de la rivière Bécancour s'érodent massivement vers le milieu aquatique et constituent la source moderne prédominante de sédiments dans les plans d'eau en aval de Thetford Mines. En plus de la pollution métallique, les activités et contaminants miniers ont engendré une hausse importante des taux d'accumulation et des concentrations de fibres d'amiante (atteignant jusqu'à 6,9 % en masse) dans les sédiments de tous les sites d'étude. Cette thèse démontre que les activités minières d'amiante et leurs vestiges peuvent avoir des impacts majeurs sur les écosystèmes aquatiques. La pollution associée aux haldes minières et aux eaux usées de la ville de Thetford Mines doit être mieux contrôlée afin d'assurer la préservation et la restauration des plans d'eau du bassin de la rivière Bécancour. / Located in southern Quebec, the Bécancour River originates at the outflow of lake Bécancour, then flows through the city of Thetford Mines and its old mining sites before enlarging to successively form Stater Pond ("Étang Stater"), Trout Lake ("Lac à la Truite d'Irlande"), Lake William, and Lake Joseph. These five water bodies suffer from serious eutrophication problems and, in some cases, siltation. The asbestos mining activities led over more than a century in the Thetford Mines region (1877-2011 CE) and the huge piles of mining wastes disposed of alongside the Bécancour River have frequently been blamed to explain their poor condition. However, uncertainties remain because of a lack of scientific evidence. The general objective of this doctoral thesis was to determine the impacts of asbestos mining activities and concurrent and cumulative effects of human land development on the evolution of lakes of the Bécancour River Basin. To achieve this goal, a paleolimnological approach was used. For each study site (Stater Pond and lakes Bécancour, Trout, William, and Joseph), a sediment core slightly over 1 m long was collected and analyzed. Several properties of the sediment layers were studied, including their age, density, magnetic susceptibility, grain size, as well as their organic matter, carbon, nitrogen, metal, asbestos, and diatom content. The diatom assemblages, dominated by small fragilarioid taxa, preserved in the "natural" sediments of lakes Bécancour, Trout, William, and Joseph revealed that these water bodies were oligotrophic at the onset of modern colonization in the upper Bécancour River Basin near 1810 CE. They also had very low sediment accumulation rates (< 0.1 cm yr⁻¹; < 0.05 g cm⁻² yr⁻¹). Land clearance and agricultural activities during the XIXth century stimulated primary productivity and clastic material inputs. Lake William reached a mesotrophic state as soon as ca. 1885 CE in response to pressures likely induced by timber trade and wastewater discharges. The degradation level of water bodies located downstream from Thetford Mines was greatly amplified following drainage and excavation works of Black Lake (1954-1959 CE), formerly located upstream from Stater Pond, for mining purposes. The proliferation of eutrophic diatom taxa (e.g., Cyclostephanos makarovae/invisitatus, Stephanodiscus hantzschii) in sediments of lakes Trout, William, and Joseph at this time, as well as other indicators of change such as the increase in values of inferred total phosphorus and δ¹³C, and the decrease in the C/N ratio, indicate that this event has strongly accentuated their eutrophication. This can be attributed to facilitated arrivals of more concentrated wastewater from Thetford Mines following the disappearance of Black Lake which previously had a buffer role. The drainage of Black Lake also caused sediment accumulation rates to explode in Stater Pond and lakes Trout and William. These water bodies continued to receive abnormally high amounts of sedimentary material (up to 1.4 cm yr⁻¹; 1.0 g cm⁻² yr⁻¹) during decades that followed this event. Recent depositions (≥ 1960 CE) have a low organic matter content, and high magnesium, chromium, and nickel enrichment levels consistent with the geochemical signature of asbestos tailings. Results demonstrate that the mining waste piles located alongside the Bécancour River erode massively towards aquatic environments and form the predominant modern source of sediments in water bodies downstream from Thetford Mines. In addition to metallic pollution, mining activities and contaminants led to a pronounced increase in asbestos fiber accumulation rates and concentrations (reaching up to 6.9 wt%) in sediments of all study sites. This doctoral thesis shows that asbestos mining activities and associated wastes may have major impacts on aquatic ecosystems. Pollution related to the mining waste piles and Thetford Mines wastewater must be controlled more efficiently to achieve preservation and restoration of water bodies of the Bécancour River Basin.