Nous avons cherché à améliorer les caractéristiques des résines aminoplastiques et phénoliques utilisées dans la fabrication des panneaux de particules et de contreplaqués. Pour cela nous avons incorporé différents additifs ou charges dans les résines. Il s’agit du polymère de diphénylméthane diisocyanate pMDI, du polyuréthane sous forme de poudre micronisée PUR, de l’albumine, de divers polyéthers fluorés PolyFox et de polycondensats UF à base de propionaldéhyde UFP. L’ensemble des formulations et des méthodes de préparation des résines est présenté dans ce mémoire. Au laboratoire, nous avons synthétisé quatre types de résines : UF (Urée-Formaldéhyde), PF (Phénol-Formaldéhyde), UFP (Urée-Formaldéhyde-Propionaldéhyde) et UP (Urée-Propionaldéhyde). Nous avons également appliqué deux résines commerciales UF. Les résines ont été analysées par RMN 13C, GPC, TMA et IR. Les panneaux de particules et de contreplaqués ont été fabriqués avec les différents mélanges collants, analysés pour certains d’entre eux par microdensitométrie et MEB et tous testés selon les normes européennes. / The work in this thesis has tried to improve the characteristics of aminoplastic and phenolic resins used to make wood particleboard and plywood. To achieve this a number of different additives, active extenders and fillers have been added to the resins. These were polymeric diphenylmethane diisocyanate (pMDI), micronized waste polyurethane (PUR) powders, a protein namely albumin, a number of fluorinated polyethers (PolyFox) and urea-formaldehyde (UF) polycondensates in which part of the formaldehyde was substituted with propionaldehyde to form urea (formaldehyde-propionaldehyde (UFP) resins. The totality of the formulations and methodologies used for the preparation of the resins is presented in this thesis. Four types of laboratory resins have been synthetised: UF (Urea-Formaldehyde), PF (Phenol-Formaldehyde), UFP (Urea-Formaldehyde-Propionaldehyde) and UP (Urea-Propionaldehyde). Two commercial UF resins have also been used. All the resins were analysed by 13C NMR, gel permeation chromatography (GPC), thermomechanical analysis (TMA) and infrared spectrometry (FT-IR). The plywood and wood particleboard were prepared with the different glue-mixes, and tested according to the specifications of the relevant European Norms. Some of the panels were also analysed by X-ray microdensitometry and MEB.

L’analyse et la classification de 31 résines végétales par différentes méthodes analytiques (HPTLC, CPL-UV, CPL-DEDL, CPL-SM, CPG-SM et RMN) a été réalisée dans un but d’établir un lien de parenté entre l’identité chimique d’une résine et son appartenance botanique. Les résines naturelles étant riches en dérivés triterpéniques une étude de leur détection par spectrométrie de masse (SM) a été menée montrant l’intérêt de l’ionisation douce pour cette famille moléculaire et l’avantage des sources APCI et APPI pour une détection sensible en LC-MS e ces composés. Ces métabolites secondaires peu polaires et très riches en isomères, ont nécessité la mise au point des méthodes d’extraction et de séparation efficace pour permettre l’amélioration de leur rendement d’extraction et faciliter leur identification dans leur milieu naturel. Trois dérivés triterpéniques ont été identifiés pour la première fois dans l’une des résines étudiées (Manilkara bidentata) et leur activité biologique a été testée sur des cellules de peau humaine en culture. / The aim of this research was to analyze and classify 31 natural resins using different analytical tools (HPTLC, LC-UV, LC-ELSD, LC-MS, GC-MS and NMR) in order to verify the link between the chemical composition of resins and their botanic belongs. Natural resins are mostly composed from triterpens that is the reason why development of sensitive liquid chromatography method hyphenated to mass spectrometry detection was necessary. APPI and APCI were proved to be the most adequate sources of ionization for triterpens mass spectrometry analysis. Triterpens have low polarity index and contain number of isomers making their extraction and separation difficult in liquid chromatography. To improve their extraction and separation in their natural matrix, different parameters were considered. Finally, three triterpens derivatives were described for the first time in Manilkara bidentata resin and their bio-activity was tested on human skin cells cultures.

L’objectif principal de ce travail de thèse est de modifier chimiquement l’amidon via le greffage de polymères de différentes natures. La finalité est d’obtenir des résines thermoplastiques sur base amylacée pouvant former des films avec des propriétés mécaniques suffisantes pour envisager des applications industrielles. L’étude a été élargie à des dextrines, en supplément de l’amidon natif (fécule), afin de s’affranchir des contraintes de viscosité liées à l’emploi de l’amidon lors des synthèses et d’observer l’influence de la masse molaire du substrat sur l’efficacité de greffage et sur les propriétés structurales, thermiques et mécaniques du produit final isolé. Le greffage de polymères vinyliques sur l’amidon / dextrine par polymérisation radicalaire de l’acrylate de butyle et / ou du styrène a été étudié. Des efficacités de greffage élevées à quantitatives (72 à 98 %) ont été obtenues. Des films ont pu être formés par thermo-compression à partir des copolymères synthétisés dès lors que le pourcentage de greffage est assez élevé (GP > 70 %). Le ratio en monomères permet de moduler les propriétés mécaniques des copolymères greffés étant donné que l’acrylate de butyle permet d’augmenter la déformation tandis que le styrène améliore la contrainte. Enfin, une nouvelle voie de greffage a été développée permettant d’obtenir, après optimisation, des résines thermoplastiques (avec 50 % minimum de matière amylacée) qui présentent des propriétés mécaniques en déformation compétitives par rapport à certains polymères pétrosourcés (polypropylène, polyméthacrylate de butyle). Ces dernières font l’objet d’une demande de brevet. / The main objective of this thesis is to modify starch by grafting of polymers of various nature. The final aim of this work is to obtain thermoplastic resins which can form films with interesting mechanical properties to envisage industrial applications. The study was extended to dextrins, in addition to native starch, to avoid the viscosity problems associated with the use of starch during syntheses and to observe the influence of the molar mass of the substrate on the grafting efficiency and on the structural, thermal and mechanical properties of the final product. The grafting of vinyl polymers onto starch / dextrin by radical polymerization of butyl acrylate and / or styrene was studied. Important to quantitative grafting efficiencies (72-98 %) were obtained. Films were formed by thermo-compression when the percentage of grafting is quite high (GP> 70%). The monomers ratio can modulate the mechanical properties of the grafted copolymers. Adding butyl acrylate increases the deformation whereas styrene increases the stress. Then, a new strategie to graft polymers on starch was developed allowing to obtain, after optimization, thermoplastic resins (with a minimum of 50 % starch content) which display competitive mechanical deformation properties compared to oil-based polymers such as polypropylene, poly(butyl methacrylate). These resins are the subject of a patent application.

Des résines « vertes » à base de lignine, tanins et protéines de soja ont été étudiées. La faisabilité et le mécanisme de l’utilisation du glyoxal à différents taux en substitution du formaldéhyde ont été analysés. Une optimisation dans la préparation des panneaux de particules à été réalisée. Les résultats issus de ces travaux confirment les quelques aspects: Des colles à base de lignine et de soja glyoxalé mélangé à la pMDI et au tanin de mimosa satisfaisant les exigences données par les normes internationales pour la fabrication des panneaux de particules ont été obtenues. Aucun formaldéhyde n’a été utilisé dans les formulations. La performance a été déterminée en majeure partie en fonction de la proportion de pMDI ajoutée. Les résultats obtenus prouvent l’existence de réactions entre lignine et glyoxal, protéines de soja et glyoxal. Mais pour la formulation de protéines de soja, les groupes hydroxyles qui en résultent n’ont pas pu réticuler. Des études ont été effectuées sur l’influence de la nano-montimorillonite (MMT) sur des résines à base d’urée et de phénol-formaldéhyde. Le taux d’exfoliation de la MMT mélangée avec ces résines était déterminé. Des études thermiques et mécaniques de ces systèmes ont été réalisées. Les conclusions obtenues sont les suivantes : L’étude que la Na-MMT est intégralement exfoliée quand elle est mélangée avec des résines UF, alors qu’elle n’a que quelques degrés d’intercalation lorsqu’elle est ajoutée à des résines PF ou PUF. L’ajout d’un faible pourcentage de Na-MMT ne semble pas modifier significativement la performance des résines sèches mais la résistance à l’eau des panneaux contenant des résines UF ou phénolique s’est vue augmenter. / Environment-friendly tannin/lignin and soy protein-based wood adhesive were studied. The feasibility and mechanism to use glyoxal to substitute formaldehyde in relevant formulations was analyzed. The suitable addition percentage was determined. The lab-prepared particleboard procedure was optimized too. The results shown in this work confirmed few aspects: Lignin-based adhesives and glyoxalated soy-based wood adhesives mixed with pMDI and mimosa tannin satisfying the requirements of relevant international standards for the manufacture of wood particleboard were obtained. These lignin-based or soy-based wood adhesives did not use any formaldehyde in their formulation. The performance of these formulations is determined to a great degree by the amount or proportion of the pMDI used. The results proved that the reaction between lignin and glyoxal, soy protein and glyoxal. But for the latter, the hydroxy groups that resulted couldn’t condense to a cross-linked structure. Some work has been done on the study of the influence of nano-montmorillonite (MMT) on urea-formaldehyde resin and phenolic resin adhesives. The level of exfoliation of the MMT being mixed with these resins was determined. Some conclusions can be drawn: Na-MMT is completely exfoliated when mixed with UF resins, while it only has some degree of intercalation when added to PF and PUF resins. The addition of small percentages of Na-MMT does not appear to improve much the resins dry performance, while it seems to increase the water resistance of the UF-bonded and phenolic-bond panels.

Les tannins sont des produits issus de la chimie végétale qui possèdent une bonne réactivité et qui peuvent remplacer des produits similaires dérivés du pétrole. C’est le cas des tannins condensés qui présentent des caractéristiques de réactivité proches de celles du phénol. Utilisées depuis plusieurs années dans des colles pour les produits à base de bois, les résines de tannin n’ont pas fait l’objet de recherches approfondies pour la fabrication de matériaux composites. Le travail présenté ici est axé sur trois projets visant à développer des matériaux composites de hautes performances en utilisant à la fois des résines à base de tannins condensés et des renforts de fibres végétales. 1. Le premier projet a pour but de développer un composite thermodurcissable à base de la résine tannin/hexamine déjà employée comme colle pour panneaux de particules. Une étude avait démontré la faisabilité du principe mais de nombreux problèmes pratiques restaient à résoudre pour obtenir un processus de fabrication fiable et compétitif. 2. Le but du deuxième projet est l’étude et le développement de composites dont la matrice est constituée d’un copolymère de tannins et d’alcool furfurylique. Les propriétés des résines furaniques et la possibilité de les faire réagir avec des composés phénoliques en font des candidates potentielles à la fabrication de composites de haute performances. 3. Le dernier projet vise à produire des tannins acétylés en suivant les méthodes utilisées pour la lignine, à vérifier s’ils présentent le même caractère thermoplastique et le cas échéant à les tester pour la fabrication de matériaux composites. / Tannins are plant chemicals that show a good reactivity and so they can replace similar products from oil chemistry. This is the case for condensed tannins that have reactivity mechanism similar to that of the phenol. They have been used for several years in wood glues, but no in depth study have been carried out on their potential in composite manufacturing. The work presented here can be split into three projects aiming at the development of composite materials of high performances using both tannin based resins and natural fibers reinforcement. 1. The first project aims to develop a thermosetting composite based on the same tannin/hexamine resin already as glue for particleboards. A previous study shown that it was feasible but numerous problems needed to be solved in order to obtain a reliable and competitive manufacturing process. 2. The goal of the second project is the study and the development of composites which matrix is based on a copolymer of tannin and furfuryl alcohol. Furanic resins show good properties and their capability to react with phenolic compounds makes them potential candidates for the manufacturing of high performances composites. 3. The last project’s objective is the production of acetylated tannins by using similar methods than that used for lignin, to check if they present the same thermoplastic behavior and if yes, to test them in composite manufacturing.

La technique des goujons collés dans les structures bois allie performances mécaniques et esthétisme. Elle répond au besoin de conservation du bâti pour le domaine de la rénovation et au besoin d’assemblages de plus en plus rigides et résistants en construction neuve avec l’avènement des structures bois de grandes ampleurs et l’arrivée de nouveaux produits tels que le bois lamellé croisé (CLT). De nombreuses études de caractérisation mécanique ont été menées au cours de ces 35 dernières années. L’enquête menée auprès des professionnels et experts en vue de l’introduction de cette technique dans l’Eurocode 5 a néanmoins révélé des attentes et lacunes particulières vis-à-vis des connaissances sur le comportement des assemblages multi-tiges, le choix des adhésifs, le comportement à long terme du collage et les techniques de contrôle qualité. Les travaux de cette thèse, menés en collaboration entre l’université de Bordeaux et l’Université Laval (Québec, Canada), ont pour objectif d’apporter des réponses sur le comportement mécanique des adhésifs, et assemblages sous sollicitation thermique et d’initier les développements sur le comportement à long terme et les assemblages multi-tiges. Les principaux résultats sont issus de travaux expérimentaux et numériques valorisés sous la forme d’articles scientifiques. Les essais mécaniques dynamiques menés sur une colle polyuréthane (PUR) et une résine époxy (EPX) entre 30°C et 120°C mettent en avant des différences importantes de raideur et de dégradations entre les deux adhésifs. Exposés à la chaleur, les assemblages sont eux aussi affectés avec des pertes de raideur et de résistance dès 40°C, en amont de la température de transition vitreuse et de la dégradation des adhésifs. Amené à suivre le régime de température extérieur, l’assemblage doit par sa conception être isolé afin de prévenir les risques aux états limites de service (ELS) et aux états limites ultimes (ELU). Très peu de données sont disponibles dans la littérature sur le comportement à long terme des assemblages goujons collés. L’étude du fluage ajoute une dimension temporelle aux problématiques de raideur. La base de données expérimentales collectée dans ces travaux repose sur 12 campagnes d’essais de 1 à 2 mois en conditions climatiques régulées en température et humidité relative, ou variables (service classe 1). Chargement et climat influent sur le glissement, mais aussi sur la durée de vie. Si des disparités sont présentes entre EPX et PUR, les études menées à 20°C et 50°C révèlent à nouveau l’importance de prendre en considération la température, notamment aux ELS. L’étude en régime variable illustre de son côté la sensibilité du système aux variations de température et d’humidité. L’étude de la répartition des efforts en fonction de la raideur des goujons est choisie comme fil conducteur pour investiguer le passage vers des éléments multi-tiges. Un modèle 3D mono-tige aux éléments finis est tout d’abord développé pour prendre en compte l’orthotropie du bois et regarder l’influence du centre de moelle jusqu’à présent négligée. Par la suite ce modèle est étendu aux configurations multi-tiges afin de simuler différentes configurations d’essais. Un prototype d’essai de caractérisation mécanique des assemblages multi-tiges est finalement présenté. / Glued-in rods have successfully been used for connections or reinforcement of timber structures. With the development of tall and large timber buildings and new products such as Cross Laminated Timber (CLT), there is an increasing need for connections that provide high stiffness and strength. Timber connections using glued-in rods have a general aesthetic appeal, and take advantage of the structural adhesives that provide a high stiffness and load capacity. During the last 30 years, multiple applications have been developed for renovation and new construction. In parallel, numerous investigations have characterized the mechanical performance of these connections, but harmonized design rules are not available. A lack of knowledge on the multiple-rod connections, on the choice of adhesives, on long-term effects and on the control of quality is identified by a recent study and must be investigated before a new submission to Eurocode 5. This thesis is performed in the framework of collaboration between Université de Bordeaux (France) and Université Laval (Canada). Objectives are focused on the mechanical performance of adhesives and glued-in rod connections under elevated temperature, on the development of creep tests and the investigations of multiple-rod connections. This study combines experimental and finite element modelling results, which are presented in the form of scientific articles. A Dynamic Mechanical Analysis (DMA) on one polyurethane (PUR) and one epoxy (EPX) adhesives followed by static tensile tests on the connections with small-diameter steel glued-in rods have been conducted at different temperatures. High differences in stiffness are observed between the two adhesives. Glued-in rod connections with the EPX and PUR adhesives demonstrate significant losses of stiffness and resistance beyond 40°C, before the glass transition temperature of the adhesive. Following the outside temperature, connections must be insulated to prevent excessive slip and risk of failure at the Serviceability Limits State (SLS) and at the Ultimate Limit States (ULS). Few data on the long-term effects are available in the literature. In this work, 12 campaigns of creep tests, adding time effects to previous work, have been performed. Glued-in rod connections were tested during one to two months in a conditioning room where temperature and relative humidity were controlled or in a room with a variable climate representative of service class 1. Disparities were observed between EXP and PUR. Creep tests conducted at 20°C and 50°C revealed an important role of the temperature, particularly for SLS. Creep tests in variable climate illustrated the sensibility of connections to the temperature and humidity variations. The stiffness and stress distribution in multiple-rod connections were investigated. First, a 3D model was developed to observe the influence of the wood orthotropy on the stiffness and stress distribution in a connection with a single rod. Then, the model was extended to multiple-rod connections to simulate different loads and boundary conditions. Finally, a prototype of a connection with multiple glued-in rods was tested.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 juin 2023) / Le polydiméthylsiloxane (PDMS) est un matériau polyvalent en raison de sa biocompatibilité, de son inertie, de sa durabilité, de son élasticité, de sa transparence, de son faible coût, de sa grande disponibilité et de sa facilité de fabrication. Ce matériau a prouvé son importance dans de nombreux domaines en agissant comme matériau hôte pour les nanoparticules et le milieu de gain pour produire un système laser aléatoire largement ajustable. La photosensibilité des matériaux est un paramètre clé pour la fabrication de dispositifs pour une variété d'applications telles que les télécommunications, la détection et les lasers. Par conséquent, cette thèse porte sur une méthodologie expérimentale de fabrication de nouveaux matériaux photosensibles à base de PDMS ainsi que sur l'élaboration d'un laser aléatoire élastomère stable (SERL) composé en combinaison avec un matériau inorganique, Nd:YAB (NdxY1-xAl₃B₄O₁₂), les intégrer dans des guides d'ondes photoniques en silicone et explorer leurs applications. Tout d'abord, des stratégies ont été développées pour rendre le PDMS photosensible pour l'écriture femtoseconde (fs). Nous avons utilisé un laser femtoseconde pour écrire directement dans les PDMS, ainsi que de matériaux vitreux photosensibles sous la forme de PDMS chargés de nouveaux dérivés de germanium (Ge) et d'autres initiateurs pouvant agir en tant que photosensibilisateurs, afin d'obtenir le changement d'indice de réfraction le plus élevé sans compromettre de manière significative, conduisant à une écriture optimale de guides d'ondes ou de dispositifs photoniques dans un tel hôte souple. De plus, des réseaux de diffraction de Bragg hautement accordables ont été intégrés à l'intérieur des PDMS. Pour le développement de futurs dispositifs, nous avons exploré l'effet de l'écriture laser fs sur la structure du polymère ainsi que de leurs propriétés mécaniques et optiques. Ensuite, dans la deuxième approche de cette étude de doctorat, un système de laser aléatoire élastomère (SERL) très stable composé de deux matériaux stables : nanoparticules inorganiques Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓ Al₃(BO₃)₄) et polydiméthylsiloxane (PDMS) a été fabriqué. Ce RL très stable est le premier système élastomère, donc accordable, qui permet l'étude systématique de la stabilité. Nous avons pu explorer les aspects d'adaptabilité du système RL en étirant le composite PDMS et en explorant l'aspect multidirectionnel du laser. En tant qu'application nécessitant un fonctionnement à long terme, un comportement statistique de type Lévy a également été démontré. / Polydimethylsiloxane (PDMS) is a versatile material due to its biocompatibility, inertness, durability, elasticity, transparency, low cost, wide availability, and ease of manufacture. This material has proved its importance in many fields by acting as a host material for nanoparticles and gain medium to produce a widely tunable random lasing system. Photosensitivity of materials has been shown to be a key parameter for the fabrication of devices for a variety of applications such as in telecommunications, sensing and lasers. Hence, this thesis involves the experimental methodology for fabricating novel photosensitive materials based on PDMS as well as the realization of a Stable Elastomeric Random Laser (SERL) composed in combination with an inorganic material, Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓAl₃B₄O₁₂), for integration into silicone photonic waveguides and exploration of potential applications. Firstly, a strategy has been developed to render PDMS photosensitive for femtosecond (fs) writing. We then used a femtosecond laser to write directly into PDMS, as well as into a new photosensitive glassy material in the form of PDMS loaded with novel germanium (Ge)-derivatives and other initiators as photosensitizers. This combination yielded a higher refractive index material for optimal writing of waveguides or photonic devices in a very soft host. In addition, for the first time to the best of our knowledge, highly tunable Bragg diffraction gratings were embedded inside the bulk PDMS. For future device engineering, the effect of fs laser writing on the polymer structure, mechanical and optical properties has been explored. Then, in the second approach of a very stable elastomeric random laser (SERL) system composed of two stable materials: inorganic Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓ Al₃(BO₃)₄)-nanoparticles and polydimethylsiloxane (PDMS) has been fabricated. This very stable RL is the first elastomeric system, hence tunable, which allows the systematic investigation of stability. The tunability aspects of the RL system has been investigated by stretching the PDMS composite and explored the multi-directionality of lasing. As an application which requires long term operation, Levy-like statistical behavior were also demonstrated.

Les travaux de recherche de ce mémoire portent sur l’utilisation de résines échangeuses d’ions afin de séparer les actinides (thorium et uranium) des lanthanides (éléments de terre rare). Puisque cette méthode est versatile,elle a été employée dans deux domaines distincts : le domaine minier ainsi que le domaine nucléaire.La problématique visée dans le contexte minier consiste en la séparation du thorium de lixiviats de minerais d’éléments de terre rare (ÉTR). En raison de leurs propriétés physiques similaires aux ÉTR, le thorium et l’uranium sont retrouvés à l’intérieur de la maille cristalline de divers minerais d’ÉTR. N’étant pas désiré dans la production d’ÉTR, ces métaux radioactifs doivent être retirés du lixiviat. De ce fait, la séparation du thorium parrésines échangeuses d’ions a été étudiée sur des lixiviats de minerais d’ÉTR. Un lixiviat en milieu sulfurique provenant de Search Minerals a été utilisé ainsi qu’un lixiviat en milieu nitrique issu d’essais en laboratoire. Deux procédés préliminaires ont émergé des résultats obtenus : l’un permettant la séparation successive des différents éléments et l’autre l’extraction sélective du thorium en mode continu.La problématique visée par le domaine nucléaire traite de la récupération de l’uranium hautement enrichi contenu dans divers déchets nucléaires. Ces déchets proviennent de la production d’isotopes médicaux des Laboratoires de Chalk River (LCR). Lors de la production, près de 90% de l’uranium n’est pas consommé.L’uranium se retrouve alors dans les déchets cimentés ou liquides. Afin de récupérer l’uranium contenu dans les déchets cimentés, l’échange ionique a été testé sur différents lixiviats sulfuriques de déchets solides synthétiques imitant les déchets cimentés réels. En ce qui a trait aux déchets liquides, les expériences d’échange ionique ont été faites sur une solution synthétique imitant la solution réelle. Deux procédés ont été développés pour chaque type de déchet. / This thesis investigates the use of ion exchange resins to separate actinides (thorium and uranium) from lanthanides (rare earth elements). This versatile method was used in two distinct areas : the mining sector and the nuclear field. The problem encountered in the mining sector consists in the separation of thorium from leachates of rare earth elements (REE) ores. Due to their physical properties similar to REE, thorium and uranium are found within themineral lattice of various REE ores. These radioactive metals are considered by the REE producers as impuritiesand must therefore be removed from the leachate. As a result, the separation of thorium by ion exchange resinshas been studied on REE leachates. A sulfuric acid leachate provided by Search Minerals and a nitric leachate produced from laboratory tests were used. Two preliminary processes emerged from the results : a process allowing the successive separation of thorium, heavy REE, and light REE in sulfuric leachate and a process allowing the selective and continuous extraction of thorium in nitric leachate.The problem encountered by the nuclear field deals with the recovery of highly enriched uranium contained indifferent nuclear waste. This waste comes from the production of medical isotopes from Chalk River Laboratories(LCR). During production, almost 90% of the uranium is not consumed. The unused uranium is then found in the cemented and liquid wastes. In order to recover the uranium contained in the cemented waste, the ionexchange methods has been tested on various sulfuric leachates of synthetic cemented waste simulating the radioactive cemented waste. For the liquid waste, the ion exchange experiments were done on a synthetic solution mimicking the nitric solution contained in the fissile solution storage tank. Two processes have been developed for each type of waste.

L’augmentation rapide de la population mondiale et des pratiques industrielles et agricoles ont exacerbé l’épuisement des nutriments essentiels pour la croissance des plantes, phosphore en particulier, étant lui-même une ressource nonrenouvelable. Après des années d’exploitation agricoles et miniers écologiquement laxistes, la société se trouve coincée entre une pénurie croissante d'éléments nutritifs et la fréquence croissante de proliférations d'algues nuisibles (HAB) causées par la lixiviation de phosphore dans les systèmes aquatiques. Toutefois, ceci présente une opportunité de développer des nouvelles technologies permettant d'éliminer, de récupérer et de réutiliser le phosphore provenant de cours d'eau pollués. L'une de ces technologies est l'adsorption nano-renforcée. Cette étude a évalué le potentiel de désorber le phosphore d'une résine échangeuse d'ions hybridée avec des nanoparticules d'oxyde de fer pour quatre solutions de régénérations différentes en utilisant une approche de plan d’expériences. Des nouvelles solutions de régénération utilisant un mélange KOH / K2SO4 et une solution alcaline de NH4OH se sont révélées comparables à la solution "témoin" de KOH et de H2SO4. Parmi les 4 méthodes de régénération étudiées, la solution de NH4OH présente le potentiel le plus élevé car il s’agit d’un déchet valorisé. Son efficacité de désorption est comparable à celle de la solution de contrôle et elle n’a démontré aucune perte de la longévité de la résine après cinq cycles d’adsorption et de désorption. Sur la base des données du plan d’expériences, une série de modèles de régression a été développée pour permettre de mieux comprendre la concentration de phosphore attendue d'un processus de régénération, en tenant compte de la chimie de régénération, du volume de traitement, de la vitesse de rinçage et de la résistance de la solution alcaline. Les solutions de post-désorption de régénération riches en nutriments semblent prometteuses pour une utilisation ultérieure. Les travaux futurs devraient inclure le développement de modèles de procédé afin de mieux comprendre les mécanismes de cette désorption. Dans l’ensemble, la technologie d’adsorption nano-améliorée offre une solution rentable et durable au problème du phosphore dans les applications de traitement des eaux usées à travers le monde. / Rapid increases in the world’s population and to-date industrial and agricultural practices have exacerbated the depletion of essential nutrients in today’s society. After years of environmentally lax agricultural and mining processes, society finds itself trapped between increasing nutrient shortage and the increased frequency of harmful algal blooms (HABs) caused by phosphorus leaching into water systems. New technologies that allow for removal and subsequent recovery and reuse of phosphorus from polluted streams is imperative. One such technology is nanoenhanced adsorption, which may allow to produce a valuable nutrient-rich solution upon desorption of the saturated media. This study evaluated the potential of four regeneration chemistries to desorb phosphorus from a commercially available ion exchange resin hybridized with iron-oxide nanoparticles using a Design of Experiments (DoE) approach. Novel regeneration solutions using a KOH/K2SO4 blend and a recovered NH4OH alkaline solution proved to be comparable to the "control" solution of KOH and H2SO4. Among the four regeneration methods studied, using the NH4OH solution shows the highest potential because: i) it is a valorized waste stream, ii) it showed a desorption efficiency comparable to the control solution, and iii) it did not demonstrate any dampening of the resin longevity after five adsorption and desorption cycles. Based on the DoE data, a series of regression models was developed to generate understanding with regard to expected phosphorus concentration from a regeneration process considering the regeneration chemistry, the treatment volume, the rinse speed, and the strength of the alkaline solution. Nutrient-rich regeneration solutions post-desorption show promising for subsequent use as hydroponic fertilizers or precursors for the P fertilizer industry. Future work should include the development of mechanistic process models to gain an even better understanding of the mechanics behind the desorption. Overall, the nano-enhanced adsorptive technology proposes a cost-effective and sustainable solution to the phosphorus problem in wastewater treatment applications across the globe.

Les résines phénoliques, sont entre autres utilisées dans l’industrie du bois pour la fabrication de panneaux de particules ou de contreplaqués, après des étapes d'encollage, d'imprégnation et/ou de pressage à chaud. Elles sont principalement obtenues par polymérisation par étapes (polycondensation) à partir de formaldéhyde et de phénol. Ces deux matières premières de base sont actuellement des produits issus de la pétrochimie.Ce travail de thèse Cifre, en partenariat avec la société Rolkem, spécialisée dans la conception et la fabrication de résines phénoliques de type résol, a pour objectif la réduction de l’utilisation de matières pétrochimiques via la substitution du phénol par une bioressource telle que la lignine. Cette dernière a une structure phénolique et une similarité structurelle avec le réseau des résines phénoliques, elle est abondante dans la nature et disponible. Pour atteindre l’industrialisation de ces nouvelles résines biosourcées, une étude sur la compréhension des mécanismes réactionnels qui gouvernent le procédé a été menée avant d’optimiser le protocole permettant l’incorporation de la lignine dans les résines.Il a été possible de remplacer jusqu’à 50%m du phénol par de la lignine organosolve et de réduire la concentration initiale en formaldéhyde. En utilisant une lignine Kraft il a été possible de remplacer jusqu’à 75%m du phénol et de réduire jusqu’à 30%m du formaldéhyde utilisé, par rapport aux résines classiques de référence, tout en respectant le cahier des charges imposé par Rolkem. Ces résultats ont été possibles grâce à des suivis cinétiques des procédés et des études de réactivité de la lignine. Grâce à ces travaux de thèse, le transfert d’échelle des résines biosourcées du laboratoire au pilote industriel a été possible, tout en respectant les contraintes industrielles telles que la productivité, la qualité, la sécurité et l’environnement. De plus, les essais industriels de collage de contreplaqués réalisés sont conformes aux prérequis.En complément des objectifs fixés par le projet, et de manière plus académique, la réactivité de la lignine vis-à-vis du formaldéhyde a été étudiée en chauffage conventionnel et sous irradiation microonde. Cette étude complémentaire permet de corréler la réactivité lignine-formaldéhyde et mode de chauffage et d’atteindre spécifiquement des produits issus de réactions d’addition ou de condensation. / Phenolic resins, may be used in the wood industry for the manufacture of particle boards or plywood, after gluing, impregnation and/or hot-pressing steps. They are mainly obtained by step polymerization (polycondensation) from formaldehyde and phenol. These two raw materials are currently petrochemicals.This thesis work, supported by Rolkem, a company specialized in the design and manufacture of resol type phenolic resins, aims to reduce the use of non-biobased materials by replacing phenol with lignin exhibiting a phenolic structure and a structural similarity with the network of phenolic resins. Lignin is abundant in the environment and easily available. To achieve the industrialization of these new biobased resins, a study on the understanding of the reaction mechanisms has been carried out to favor the incorporation of lignin within the resins. It has been possible to replace up to 50wt.% of the phenol with organosolve lignin and to reduce the initial concentration of formaldehyde at the same time. 75wt.% substitution has been achieved using a Kraft lignin by reducing up to 30wt.% of the formaldehyde concentration as compared to conventional resins. The new biobased resins respect the Rolkem specifications. Thanks to this work results, the scale transfer of biobased resins from the laboratory scale to the industrial pilot was possible, while respecting industrial constraints such as productivity, quality, safety and environment. In addition, the industrial plywood bonding tests were in accordance with the prerequisite.In addition to the above objectives the reactivity of BiolignineTM with formaldehyde has been studied under conventional heating and microwave irradiation. This complementary study allows the correlation of the lignine-formaldehyde reactivity and the heating modes to specifically reach products resulting from addition or condensation reactions.