<p>Cape Town includes two vegetable farming areas within the city limits, the Joostenbergvlakte/Kraaifontein area and the Philippi area. Both areas supply produce to local markets and further afield. Sporadically, high levels of cadmium, copper, lead and zinc have been found to occur in some of the soils, irrigation water resources and crops. To find the sources of specifically Cd, Pb and Zn to these agricultural systems, extensive analysis of several heavy metals in inputs such as fertilizers, agrochemicals and supplementary water resources to these farming areas was undertaken. Heavy metal concentrations in soils, irrigation water resources and crops were also determined. Two mitigation techniques that could be used to remediate Cd, Pb and Zn contamination were investigated. The first mitigation method included immobilization of heavy metals as phosphate complexes by using a triple super phosphate fertilizer, while the second method involved mobilisation and thus leaching of heavy metals away from plant roots using EDTA. These mitigation methods were tested in a pot experiment using cabbage as the experimental crop and soil from these areas as growth medium. A survey of common farming practices in these two areas and farmers willingness to use remediation methods was conducted.</p>

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Plus d'un millier d'exoplanètes ont été découvertes depuis une dizaine d'années. Plus incroyable encore, nous pouvons maintenant caractériser les atmosphères de ces mondes lointains. Des spectres de Jupiter-chauds tels que HD 189733b et HD 209458b et de planètes similaires à Neptune telles que GJ1214b sont déjà disponibles et ceux de planètes plus petites le seront bientôt. La plupart des observations caractérisent l'état moyen de l'atmosphère. Pour les cas les plus favorables, l'observation des courbes de phase et la technique de cartographie par éclipse secondaire permettent d'obtenir une résolution en longitude et en latitude. Les planètes les plus proches de leurs étoiles sont aussi les plus faciles à observer. Ces mondes chauds sont radicalement différents des exemples que nous avons dans le système solaire. Modéliser correctement leurs atmosphères est un défi à relever pour comprendre les observations présentes et à venir. Durant cette thèse, j'ai développé des modèles de différente complexité pour comprendre les interactions entre la structure thermique, la composition, la circulation atmosphérique et l'évolution à long terme des exoplanètes irradiées. La forte luminosité de leur étoile hôte détermine le climat de ces planètes. Elle engendre une circulation atmosphérique qui maintient l'atmosphère dans un état de déséquilibre thermique et chimique, affectant son évolution. Avec les futurs instruments de nombreuses autres planètes vont être découvertes et caractérisées. Nos modèles seront testés sur une large diversité de planètes, ouvrant les portes de la climatologie aux exoplanètes.

Cette thèse vise à améliorer le fonctionnement de la boîte à eau d'un véhicule automobile, organe destiné à évacuer l'eau de pluie et à alimenter l'habitacle en air propre et sec. Elle se concentre plus particulièrement sur le phénomène de tourbillon de vidange qui a pour effet de limiter le débit d'évacuation et d'augmenter le niveau d'eau dans la boîte. Cette hausse de niveau peut être source de problèmes allant de l'inconfort pour les occupants du véhicule jusqu'à une panne du boîtier de ventilation, chauffage et climatisation. Une étude expérimentale de l'écoulement est d'abord réalisée sur une géométrie simplifiée. La vélocimétrie par images de particules (PIV) et des mesures de niveau par sonde capacitive sont mises en oeuvre. A partir d'images obtenues par caméra rapide, un algorithme d'analyse d'images est développé pour mesurer le diamètre du noyau d'air au coeur du tourbillon. Ces techniques de mesure permettent d'étudier la structure du tourbillon et montrent qu'il existe une interaction entre le tourbillon et l'écoulement d'air destiné à la ventilation de l'habitacle. Cette interaction est liée à la dépression générée par l'écoulement d'air : elle modifie temporairement la structure du tourbillon et conduit à un nouvel état d'équilibre à un niveau inférieur au niveau initial. Un dispositif permettant de réduire efficacement le niveau d'eau en modifiant l'écoulement en amont du tourbillon est aussi étudié et a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Des simulations numériques sont ensuite réalisées à l'aide du code de calcul OpenFOAM et reproduisent qualitativement l'écoulement observé expérimentalement. Bien que des différences existent sur la valeur du niveau d'eau, les dimensions et la position du noyau d'air sont correctement simulées. Enfin, les résultats expérimentaux et numériques sont comparés aux modèles de tourbillon de la littérature.

La crise du pétrole et les contraintes écologiques obligent de nombreux constructeurs automobiles à développer des programmes de recherche importants dans le développement des véhicules électriques et hybrides électriques. Dans ce contexte, cette thèse a pour but de vérifier la faisabilité d'une chaine de traction hybride innovante consistant à partir d'un véhicule thermique existant et à réduire la puissance du moteur thermique tout en ajoutant des moteurs intégrés dans les roues du train arrière. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'un projet financé par l'ADEME et en collaboration notamment avec le constructeur automobile AIXAM-MEGA. Plus précisément, le travail de thèse a donc porté sur le dimensionnement des sources énergétiques, la modélisation énergétique et fonctionnelle du véhicule et enfin la réalisation et la caractérisation expérimentale du véhicule. Dans le premier chapitre, l'auteur développe une revue bibliographique relative aux véhicules hybrides électriques existants. Cela permet ensuite d'introduire le concept innovant de chaine de traction hybride décrit ci-dessus, reposant en quelque sorte sur un couplage par la route des puissances de propulsion thermiques et électriques. Dans le deuxième chapitre l'auteur aborde le dimensionnement des sources énergétiques en se focalisant sur les super-condensateurs. Il propose une approche analytique simple de calcul reposant sur les missions définies par le constructeur AIXAM-MEGA. Les modules de super-condensateurs retenus sont ensuite caractérisés expérimentalement (capacité, résistance interne, rendement de stockage...) en prenant en compte l'effet de la température. Les troisième et quatrième chapitres sont consacrés à la modélisation du véhicule. En premier lieu, le troisième chapitre aborde la modélisation énergétique du véhicule. Le véhicule a entièrement été modélisé en utilisant le formalisme de représentation énergétique macroscopique développée initialement au Laboratoire d'Électrotechnique et d'Électronique de Puissance de Lille. Ce modèle a permis de développer le contrôle du véhicule. Ensuite, dans le quatrième chapitre, l'auteur présente la modélisation fonctionnelle du véhicule par machine d'état. Cela permet de prévoir le comportement du véhicule dans ses différentes phases de vie et de définir les transitions entre ces différentes phases. Cette étape de prototypage virtuel est essentielle afin de vérifier en amont la fonctionnalité du véhicule et sa sécurité. Enfin, le cinquième et dernier chapitre est entièrement consacré à la caractérisation expérimentale du véhicule. Les différents fonctionnements thermiques, électriques et hybrides sont testés lors de vrais essais de roulage. En conclusion, le travail de thèse a abouti à la réalisation d'un véhicule hybride. Les approches de dimensionnement des sources et de modélisation sont ainsi validées, tout en faisant également la preuve de la faisabilité d'une chaine cinématique hybride électrique avec couplage par la route.

The focus of this thesis has been to determine the usable voltage range of carbon-based supercapacitors (SC). Supercapacitors are a relatively new type of capacitors with a vast increase in capacitance compared to capacitors which utilize a dielectric as charge separator. A SC consists of two electrodes and an electrolyte separating the electrodes. The charges are stored by electrostatic forces in the interface between the electrode and the electrolyte, forming the so called electrochemical double-layer (EDL). With porous electrodes the effective surface area of the interfacial zone can be made very large, giving SCs a large storage capacity. The limiting factors of a SC is the decomposition potential of the electrolyte and the decomposition of the electrodes. For commercially manufactured SCs the electrolyte is usually an organic solvent, which has a decomposition potential of up to 2.7-2.8 V. Compared to aqueous electrolytes with a thermodynamic limit of 1.23 V. The drawback of using non-aqueous electrolytes is that they are not environmentally friendly, and they increase the production cost. It is claimed that the voltage range can be up to 1.9 V using aqueous electrolytes. Some researchers have focused on aqueous electrolytes for these reasons. In this thesis two different electrolytes were tested to determine if the voltage range could be extended. The experiments were conducted using a three electrode cell and performing cyclic voltammogram measurements (CV). The carbon electrodes were made of  two different sources of grahite, battery graphite or exfoliated graphite, and nano fibrilated cellulose was added to increase the mechanical stability. The results show that the oxidation potential of the carbon electrode was the positive limit. A usable potential of about 1 V was shown. However, when cycling the electrodes to potentials below the decomposition limit, for hydrogen evolution, interesting effects were seen. A decrease in reaction kinetics, indicating a type of conditioning of the electrode was observed. An increase in charge storage capacitance was also observed when comparing the initial measurements with the final, probably corresponding to an increase in porosity. / KEPS projekt Sundsvall Mitt Universitet

The cell nucleus is a chemical reactor. Nuclear components interact with each other to express genes, duplicate the chromosomes for cell division, and protect DNA from alteration. These reactions are regulated along the cell cycle and in response to stress. One of the fundamental nuclear processes, transcription, enables the production of a messenger RNA from a template DNA sequence. While mandatory for the cell, transcription nevertheless may involve a very small number of molecules. Indeed, a single gene would have only few copies in the genome. During my PhD, I studied nuclear processes in human cells nuclei at the single molecule level with novel imaging techniques. I developed new statistical tools to quantify nuclear components movement that revealed a dynamic nuclear architecture. Since the 90s, simple methods have been developed for the observation of single molecules in the cell. These experiments can be conducted in an ordinary inverted microscope. We used these methods to monitor nuclear molecules called transcription factors (TF) that regulate transcription. From TF dynamics, we concluded that nuclear exploration by transcription factors is regulated by their chemical interactions with partners. The organization of the components of the nucleus guide transcription factors in their search of a gene. As an example of this organization, we then studied chromatin, the de-condensed form of nuclear DNA, proving that it displays the characteristics of a self-organized fractal structure. This structure changes in response to cellular fate and stress. In yeast, we showed that the interminglement of chromatin constrained DNA locus movement in a reptation regime. All these results show the interdependence of the structure of the nucleus and of its chemical reactions. With combination of realistic modeling and high resolution microscopy, we have enlightened the specificity of the nucleus as a chemical reactor. This thesis has also enabled the development of accurate methods for the statistical analysis of single molecule data.

The cell nucleus is a chemical reactor. Nuclear components interact with each other to express genes, duplicate the chromosomes for cell division, and protect DNA from alteration. These reactions are regulated along the cell cycle and in response to stress. One of the fundamental nuclear processes, transcription, enables the production of a messenger RNA from a template DNA sequence. While mandatory for the cell, transcription nevertheless may involve a very small number of molecules. Indeed, a single gene would have only few copies in the genome. During my PhD, I studied nuclear processes in human cells nuclei at the single molecule level with novel imaging techniques. I developed new statistical tools to quantify nuclear components movement that revealed a dynamic nuclear architecture. Since the 90s, simple methods have been developed for the observation of single molecules in the cell. These experiments can be conducted in an ordinary inverted microscope. We used these methods to monitor nuclear molecules called transcription factors (TF) that regulate transcription. From TF dynamics, we concluded that nuclear exploration by transcription factors is regulated by their chemical interactions with partners. The organization of the components of the nucleus guide transcription factors in their search of a gene. As an example of this organization, we then studied chromatin, the de-condensed form of nuclear DNA, proving that it displays the characteristics of a self-organized fractal structure. This structure changes in response to cellular fate and stress. In yeast, we showed that the interminglement of chromatin constrained DNA locus movement in a reptation regime. All these results show the interdependence of the structure of the nucleus and of its chemical reactions. With combination of realistic modeling and high resolution microscopy, we have enlightened the specificity of the nucleus as a chemical reactor. This thesis has also enabled the development of accurate methods for the statistical analysis of single molecule data.

Mature fine tailings (MFT), as a mixture of residual bitumen, sand, silt, fine clay particles and water, are a byproduct of oil sands extraction. The large volume, and poor consolidation and water release ability of MFT have been causing significant economic and environmental concerns. Therefore, several studies have been implemented on finding innovative dewatering/disposal techniques. As a result, different methods have been introduced and tested at a laboratory or a field scale, yet very few of these are commercially used in the oil sands industries. Despite the extensive research, an optimal solution has not been found due to the lack of technical or economic feasibility. In the present study, a novel approach that consists of the rapid dewatering of MFT by using a super absorbent polymer (SAP) to produce dense MFT is proposed. A comprehensive laboratory investigation on the geotechnical characteristics and behavior before and after treatment of MFT is conducted. The effects of SAP based dewatering and freeze/thaw cycles on the undrained shear strength of dewatered MFT by using a vane shear apparatus are studied. Furthermore, the ability of recycled SAP to dewater and densify MFT is assessed. Finally, this study provides the results of consolidation and hydraulic conductivity testing to evaluate the void ratio versus effective stress and hydraulic conductivity of MFT. The effects on the behavior and characteristics of MFT after amendment with usage of recycled SAP are also investigated. The results indicate that SAP has the ability to significantly dewater, densify and increase the undrained shear strength of MFT. Furthermore, when subjected to freeze/thaw cycles, the MFT dewatered with SAP shows an additional increase in strength and solid content. It is also found to be possible to regenerate the polymer (still within sachets) through light thermal drying, and the regenerated SAP can still significantly dewater and thus increase the shear strength and solid content of the MFT. In addition, the obtained high solid content affects and improves the compressibility of the material, thus resulting in low initial void ratios. On the other hand, low hydraulic permeability that is derived from low initial void ratios and consolidation is improved by the freeze/thaw process due to the interconnected voids created during the freezing process.

A surface reconstruction and image enhancement non-linear finite element technique based on minimization of L1 norm of the total variation of the gradient is introduced. Since minimization in the L1 norm is computationally expensive, we seek to improve the performance of this algorithm in two fronts: first, local L1- minimization, which allows parallel implementation; second, application of the Augmented Lagrangian method to solve the minimization problem. We show that local solution of the minimization problem is feasible. Furthermore, the Augmented Lagrangian method can successfully be used to solve the L1 minimization problem. This result is expected to be useful for improving algorithms computing digital elevation maps for natural and urban terrain, fitting surfaces to point-cloud data, and image super-resolution.