Ce projet porte sur la production et la caractérisation de composites hybrides basés sur un polymère thermoplastique (polyéthylène linéaire de basse densité, LLDPE) avec des fibres de polyester de pneus recyclés (RTF) mélangées avec le caoutchouc des pneus usés (GTR) avec et sans styrène-éthylène-butylène-styrène greffé d’anhydride maléique (SEBS-g-MA) comme compatibilisant. L'étude vise à améliorer les propriétés du LLDPE avec le RTF, GTR et SEBS-g-MA. La première étape de l'étude est composée de deux parties principales. La première partie porte sur la caractérisation des RTF par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), spectroscopie des photoélectrons X (XPS), analyse thermogravimétrique (TGA), calorimétrie différentielle à balayage (DSC), microscopie électronique (SEM) et densité; tandis que la deuxième partie rapporte la morphologie des composites fabriqués à partir de différentes conditions. En particulier, l'effet de la concentration de RTF (10, 25 et 50% en poids) avec et sans 10% poids de SEBS-g-MA à différentes vitesses de vis (110, 180 et 250 rpm) en-dessous (LT) et au-dessus (HT) de la température de fusion du RTF (253°C) est étudié par extrusion double-vis suivie du moulage par injection. Les résultats montrent une meilleure distribution des particules GTR (intégrées au RTF) dans la matrice (LLDPE) avec l'augmentation du contenu en RTF dans les mélanges compatibilisés. En outre, l’augmentation de la vitesse des vis entraîne une réduction de la longueur des RTF et de la taille des GTR. Cependant, un profil HT mène à la dégradation de la matrice et du GTR. Dans la deuxième étape du travail, une série complète de caractérisation physique (densité et dureté) et mécanique (tension, flexion et impact) des échantillons produits dans la première partie est présentée. Malgré la diminution des modules et des contraintes maximales, la résistance au choc Charpy augmente de 50% avec 50% de FTR compatibilisées et une amélioration supplémentaire de 56% à haute vitesse de rotation des vis (250 rpm). Cependant, le profil HT diminue toutes les propriétés physico-mécaniques des mélanges. Finalement, les propriétés rhéologiques des échantillons produits lors de la première partie ont été rhéologiquement caractérisés à l’état fondu (cisaillement oscillatoire de faible amplitude, SAOS) et solide (analyse mécanique dynamique, DMA) afin de déterminer les relations entre la mise en œuvre, la morphologie et les propriétés macroscopiques. Les résultats montrent une augmentation de l'élasticité des mélanges avec l’augmentation du contenu en RTF en présence de SEBS-g-MA surtout à des vitesses de vis élevées. Néanmoins, le profil HT présente une diminution de l'élasticité à l’état fondu, tandis que la DMA montre une augmentation de l’élasticité pour le profil LT. / This project focuses on the production and characterization of hybrid composites based on a thermoplastic polymer (linear low-density polyethylene, LLDPE) and polyester recycled tire fibers (RTF) mixed with ground tire rubber (GTR) with and without styrene-ethylenebutylene-styrene grafted maleic anhydride (SEBS-g-MA) as a compatibilizer. The study aims at improving the properties of LLDPE using RTF, GTR and SEBS-g-MA. The first step is composed of two main parts. The first part is the characterization of RTF via Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), and density; while the second part is to report on the morphology from different processing parameters. In particular, the effect of RTF concentration (10, 25 and 50 wt.%) with and without 10 wt.% SEBS-g-MA at different screw speeds (110, 180 and 250 rpm) processed below (LT) and above (HT) the RTF melting temperature (253°C) are investigated for samples produced via twin-screw extrusion followed by injection molding. The results show better GTR particles distribution (imbedded in RTF) in the matrix (LLDPE) with increasing RTF content in the compatibilized compounds. Also, increasing the screw speed leads to a reduction of RTF length and GTR sizes. However, HT profiles produced degradation of the matrix and GTR particles. In the second step, a complete series of physical (density and hardness) and mechanical (tension, flexion and impact) characterization was performed on the samples produced in the first step. Despite lower moduli and strength, Charpy impact strength increases by 50% for compatibilized 50% RTF compounds with an additional 56% improvement at higher screw speed (250 rpm). However, HT profiles decrease all physico-mechanical properties of the samples. Finally, the rheological properties of the samples produced in the first step are investigated in both the melt (small amplitude oscillatory shear, SAOS) and solid (dynamic mechanical analysis, DMA) states to understand the relations between processing, morphology and macroscopic properties. The results show increased elasticity with increasing RTF content with SEBS-g-MA, especially at higher extrusion screw speeds. HT profiles lead to lower elasticity in the melt state, while DMA results show higher elasticity for LT profiles.

Dans ce travail, du polyéthylène linéaire de densité moyenne (LMDPE) et des microcapsules Expancel ont été utilisés pour produire des mousses polymères avec un gradient de densité. En contrôlant indépendamment les plaques supérieure et inférieure d'un moule de compression à des températures différentes et en contrôlant le temps de moulage, des mousses symétriques et asymétriques ont été produites. Aussi, l’effet du type et de la concentration des agents gonflants sur le profil de densité et la morphologie (taille des bulles et la densité des bulles) des mousses a été étudié. Finalement, on rapporte et on discute les propriétés mécaniques en flexion et en tension en relation avec le profil de densité et la morphologie. / In this work, linear medium density polyethylene (LMDPE) and Expancel microbeads were used to produce density graded polymer foams using compression molding. By controlling independently the top and bottom plate temperatures in the mold, different temperatures and molding times were used to produce symmetric and asymmetric foams. The effect of blowing agent type and content were also studied to control the density profile and foam morphology (cell size and cell density) across thickness. Finally, the mechanical behavior in flexion and tension is reported and discussed in relation with foam morphology and structure.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015 / La séparation des gaz dans des contacteurs à membrane (MC) est une technologie de pointe qui offre plusieurs avantages par rapport aux contacteurs traditionnels (colonnes garnies), mais très peu d'efforts ont été consacrés pour développer de nouvelles solutions absorbantes spécialement optimisées pour les applications dans les MC. Actuellement, aucun absorbant disponible ne répond complètement aux exigences pour la mise en œuvre de la séparation industrielle des gaz acides, le CO2 en particulier, dans les contacteurs à membranes. L'objectif principal de ce travail a été de développer un absorbant à base d’alcanolamine à encombrement stérique (SHA), présentant les caractéristiques spécifiques exigées pour application dans les MC (bonnes capacité et cinétique d’absorption, régénération facile et plus économique, résistance à la dégradation, compatibilité avec les membranes et haute tension superficielle) et d’étudier son efficacité pour la capture du CO2 dans différentes configurations de contacteurs à membrane et conditions opératoires. Bien que les alcanolamine fortement encombrées stériquement sont caractérisées par une faible cinétique d’absorption du CO2, le fait qu’elles possèdent un grand potentiel pour réduire la consommation d'énergie lors de la régénération des solutions riches en CO2 a été l’un des paramètres clés dans le choix de l’AHPD (2-amino-2-hydroxyméthyle-1,3-propanediol). Pour améliorer le taux d'absorption, la pipérazine (Pz) s'est avérée un activateur très efficace; l'addition de petites quantités de Pz aux solutions aqueuses d’AHPD améliore significativement la cinétique d'absorption du CO2. Il a été aussi trouvé que le mélange AHPD-Pz a également une très bonne capacité d’absorption. L'étude de la régénération des solutions d’amines usées (contenant du CO2) a révélé que des solutions à base d’alcanolamines fortement encombrées stériquement (AHPD en particulier), sont beaucoup plus facilement régénérables par rapport à la MEA, l'amine de référence utilisée industriellement dans la séparation des gaz acides. De plus, l'ajout d'une petite quantité de Pz dans une solution aqueuse d’AHPD permet d’obtenir presque la même capacité cyclique et efficacité de régénération que les solutions non-activées par la Pz, mais pour la moitié de la durée du processus d'absorption. Outre les propriétés absorbantes des liquides, les performances des MC pour la séparation du CO2 dépendent fortement de la compatibilité entre la membrane et l’absorbant. Sur la base des propriétés liées au mouillage des membranes, comme la tension superficielle du liquide, l’angle de contact, la pression de percée et la stabilité chimique, une nouvelle méthode graphique d’estimation de la tension superficielle des solutions aqueuses d'amines, d'alcools ou d’alcanolamines a été développée pour permettre la sélection des meilleures conditions pour éviter le mouillage des membranes. Il a été trouvé que les solutions à base d’AHPD (comme AHPD + Pz) ont un fort potentiel d'utilisation dans les MC en raison de leur tension superficielle élevée. La méthode développée a aussi permis d'identifier de nouvelles amines potentielles pouvant être utilisées dans les MC. Une bonne stabilité et résistance à la dégradation est une autre caractéristique importante des solutions absorbantes. L'étude de la stabilité de différentes solutions aqueuses d’amines à la dégradation thermique et oxydative, en absence et en présence de CO2, a révélé que les SHA sont plus résistantes à la dégradation thermique que les amines conventionnelles, mais que la présence d'oxygène les dégrade plus significativement en absence de CO2. Toutefois, la présence de CO2 dans les solutions à base de SHA est bénéfique, car la formation préférentielle du bicarbonate conduit à une réduction significative du taux de dégradation oxydative. Le faible degré de dégradation de la solution aqueuse AHPD + Pz confirme son potentiel comme absorbant pour le CO2. Finalement, la performance des solutions aqueuses AHPD + Pz pour la capture du CO2 dans des MC a été étudiée dans différentes conditions opératoires et configurations des modules (fibres creuses et membranes plates, membranes en PTFE, PP et laminées PTFE/PP, différents débits du liquide, compositions de gaz et orientations des flux gazeux et liquide (co- et contre-courant)). Les solutions AHPD + Pz ont montré une excellente performance. Sur la base des données expérimentales, une étude de modélisation de la capture du CO2 dans des MC à fibres creuses PTFE a démontré l'effet positif des solutions présentant une tension superficielle élevée sur la réduction du mouillage de la membrane. En conclusion, les résultats de cette thèse ont montré que les solutions aqueuses AHPD + Pz possèdent une bonne capacité et cinétique d’absorption, régénération plus facile et moins énergivore, résistance à la dégradation, haute tension superficielle et démontre d'excellentes performances pour la capture du CO2 dans les MC, en représentant une alternative intéressante à la MEA. / Gas separation in membrane contactors (MC) is a forefront technology offering several advantages over traditional packed columns, but very few efforts have been made to develop new absorbent solutions optimized specifically for application in MC. Currently, no available absorbent meets all required characteristics for the implementation of membrane contactors for acid gas separation (CO2 in particular) in industrial units. The main objective of this work was to develop a dedicated sterically hindered alkanolamine (SHA) based absorbent with improved characteristics for application in MC (good absorption capacity and reaction kinetics, regeneration facility, resistance to degradation, compatibility with membranes and high surface tension) and to investigate its efficiency for CO2 capture in different membrane contactor configurations and operation conditions. Although low kinetics characterizes highly sterically hindered alkanolamines, their potential to reduce the energy consumption during the regeneration step brings us to focus on AHPD (2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol). To improve the absorption rate, piperazine (Pz) was found to be a very effective activator; the addition of small amounts of Pz to aqueous AHPD solutions has significant effect on the enhancement of the CO2 absorption rate. The blend AHPD-Pz was also found to present very good absorption capacity. The investigation of the regeneration of loaded (CO2 containing) amine solutions revealed that highly hindered SHA based solutions (AHPD in particular) are much easier to regenerate compared to MEA, the benchmark amine industrially used in acid gas separations. Moreover, the addition of small amount of Pz into AHPD aqueous solution allowed to obtain almost the same cyclic capacity and regeneration efficiency as non-activated solutions, but for half of the absorption time. Besides the liquid absorbent properties, the performances of MC for CO2 separation strongly depend on the compatibility between absorbent and membrane. Based on wetting-related properties like liquid surface tension, contact angle, membrane breakthrough pressure and chemical stability, a new graphical surface tension estimation method for aqueous amine, alcohol or alkanolamine solutions was developed to select the best conditions to elude the unwanted membrane wetting phenomenon. AHPD-based solutions (like the AHPD + Pz solution) were found to have a strong potential for use in MC because of their very high surface tension. In addition, the developed method allowed to identify new potential amines for use in MC. A good stability and resistance to degradation is another important feature of CO2 absorbents. The investigation of the stability of different aqueous amine solutions to thermal and oxidative degradation, in the absence and the presence of CO2, revealed that SHA are more resistant to thermal degradation than conventional amines, but the presence of oxygen degraded them more significantly in the absence of CO2. However, the presence of CO2 is beneficial to SHA as the preferential bicarbonate formation in solutions reduces by a large extent the oxidative degradation rate. The low degradation degree of the AHPD + Pz aqueous solution reaffirms its potential as CO2 absorbent. Finally, the performance of the AHPD + Pz aqueous solution for CO2 capture in MC was investigated in different operational conditions and module configurations (hollow fibers and flat sheets membranes, PTFE, PP and laminated PTFE/PP membranes, various liquid flow rates, gas compositions and flow orientation (co- and counter-current)). Excellent performance was found for AHPD + Pz solutions. Based on experimental data, a modeling study of CO2 capture in PTFE hollow fiber MC revealed the positive effect of solutions presenting high surface tension on the reduction of membrane wetting. In summary, the results of this thesis showed that AHPD + Pz aqueous solution possess good absorption capacity, reaction kinetics, regenerative potential, and degradation resistance, as well as high surface tension and showed excellent performance for CO2 capture in MC, representing an interesting alternative to MEA.

L’acrylonitrile est une matière première importaite de l’industrie des polymères, produite à grande échelle à partir de matériaux d’origine fossile. Les tendances de recherche actuelles pour une industrie chimique plus écologique favorisent l’utilisation de molécules plateformes d’origine biologique telles que le glycérol. De plus, la conception de catalyseurs est un élément essentiel pour développer ces produits. Les catalyseurs hétérogènes, en particulier les catalyseurs à base d’oxydes métalliques mésoporeux jouent un rôle majeur dans l’industrie pétrochimique. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est de développer des catalyseurs nouveaux, efficaces et utiles, à base d’oxydes métalliques mixtes pour l’ammoxydation de l’acroléine ex-glycérol en acrylonitrile. Sur la base des catalyseurs traditionnels pour l’ammoxydation du propène/propane en acrylonitrile, une série de catalyseurs à base de molybdates et d’antimonates supportés sur une silice mésoporeuse a été développée. Tout d’abord, les molybdates de bismuth ont été supportés sur la silice mésoporeuse KIT-6 en utilisant une méthode de gabarit solide (hard template). Différentes phases de molybdates de bismuth ont été synthétisées, caractérisées et testées pour l’ammoxydation de l’acroléine en acrylonitrile. Les conditions réactionnelles ont été soigneusement optimisées à différentes températures, débits et rapports molaires de réactifs. Les catalyseurs obtenus ont montré une bonne activité catalytique, une sélectivité et une stabilité, en particulier les échantillons contenant des phases mixtes de molybdates de bismuth. Deuxièmement, une série de mélanges de molybdates et d’antimonates supportés sur une silice mésoporeuse à l’aide d’une méthode de gabarit flexible (soft-template) a également été étudiée. Cette nouvelle méthode de soft template a été développée en utilisant la technique d’auto-assemblage induite par évaporation (EISA) et de tensioactifs comme agents structurants. Les catalyseurs obtenus présentaient une surface spécifique élevée et un grand volume de pores. De plus, les résultats catalytiques indiquent que les molybdates mixtes jouent un rôle majeur dans l’ammoxydation de l’acroléine. Certains des catalyseurs ont été choisis pour étudier le mécanisme de réaction de l’ammoxydation de l’acroléine en acrylonitrile. Parce que l’oxygène (l’air) et l’ammoniac sont des réactifs dans ce procédé, les effets des lacunes d’oxygène et de la réduction par l’ammoniac sur l’activité catalytique ont ensuite été étudiés. Les résultats obtenus ont démontré que les catalyseurs ayant plus de lacunes d’oxygène et qui étaient facilement réduits par l’ammoniac présentaient une activité catalytique plus élevée. Tous les catalyseurs contenant des molybdates ont montré une bonne activité catalytique et une bonne sélectivité pour l’ammoxydation de l’acroléine. Ainsi, un nouveau mécanisme de réaction a été proposé pour l’ammoxydation de l’acroléine sur les catalyseurs à base de molybdates. / Acrylonitrile is a raw material in polymer industry with a large scale demand and it has been produced from fossil origin. Current research trends for a greener chemical industry are promoted by using platform molecules of biological origin such as glycerol. Designing catalysts becomes an essential part to develop these products. Heterogeneous catalysts, especially mesoporous metal oxide catalysts, play a major role in petrochemical industry. Therefore, the scope of this thesis is to develop new, effective and useful mesoporous catalysts for ammoxidation of ex-glycerol acrolein to acrylonitrile. Based on the traditional catalysts for propene/propane ammoxidation to acrylonitrile, a series of molybdates and antimonates based catalysts supported in mesoporous silica was developed. First, bismuth molybdate oxides were supported in mesoporous silica KIT-6 using the hard-templating method. Different phases of bismuth molybdates were synthesized, characterized and tested for ammoxidation of acrolein to acrylonitrile. The reaction conditions were carefully optimized at different temperatures, flow rates and reactant ratios. The obtained catalysts showed good catalytic activity, selectivity and stability, especially, the samples containing mixed phases of bismuth molybdates. Second, a series of molybdate and antimonate mixtures supported on mesoporous silica using a soft-templating method was also studied. This new soft-templating method was developed based on the evaporation induced self-assembly (EISA) technique and dual surfactants as structure directing agents. The obtained catalysts exhibited high specific surface area and large pore volume. In addition, the catalytic results indicated that molybdates in mixture state play a major role in acrolein ammoxidation. Some of the above catalysts were chosen to study the reaction mechanism of acrolein ammoxidation to acrylonitrile. Because oxygen (air) and ammonia are reactants in this process, the effects of oxygen vacancies and ammonia reduction on catalytic activity were then investigated. The obtained results demonstrated that the catalysts having more oxygen vacancies and being readily reduced by ammonia showed higher catalytic activity. All catalysts containing molybdates showed good catalytic activity and selectivity for acrolein ammoxidation. Thus, a new reaction mechanism was proposed over molybdates oxides as catalysts.

Les énormes quantités de résidus miniers ultramafiques (ultrabasiques), RMU, produites par les activités minières à travers le monde et accumulées sous forme d’amas plurikilométriques suscitent un vif intérêt quant à leur possible virtuosité à séquestrer de manière stable et durable le CO2. Accessibles à coût quasi nul et très souvent sous forme concassés et/ou broyés, les RMU facilitent leur propre mise en œuvre dans diverses technologies et procédés de séquestration minérale du CO2. Conséquemment, les RMU se sont retrouvés au cœur de plusieurs procédés de capture du CO2 de post/précombustion, jumelés à divers actifs accélérateurs tels que les réactifs chimiques, les hautes températures et/ou les hautes pressions. La vitesse de la réaction de carbonatation des RMU étant relativement plus faible que la vitesse d’émission du CO2 des échappements des usines, beaucoup d’études autour de cette alternative de capture du CO2 ont été progressivement abandonnées. La nécessité d’une recherche plus approfondie et plus systématique de la réactivité des RMU s’est donc imposée afin de déceler et de décoder les divers intervenants de la réaction et éventuellement proposer des conditions optimales pour améliorer leur réactivité dans des conditions moins contraignantes. Le présent travail de thèse explore par conséquent le potentiel des RMU disponibles dans la province de Québec (Thetford Mines, Asbestos, Nunavik, Amos, Mont Otish) dans les conditions ambiantes, en tant qu’alternative économiquement rentable pour soutirer directement le CO2 de l’atmosphère et atténuer les conséquences associées à sa hausse, notamment le réchauffement planétaire et les problèmes qui en découlent. Toutes les expériences ont été réalisées à l’échelle laboratoire sur des lits fixes de RMU de plusieurs grammes (3-200 g) avec pour objectif de reproduire, le plus fidèlement possible, les tas de résidus naturellement entreposés sur les sites miniers. Les caractéristiques du volume gazeux (teneur en CO2, teneur en oxygène, humidité relative et température) et des lits fixes de RMU (saturation liquide, conductivité ionique, perte de charge et température) sont continuellement examinées afin de déchiffrer les mécanismes sous-jacents de la réaction. Afin de mener à bien nos études, plusieurs réacteurs ont été spécifiquement construits pour simuler les divers aléas climatiques. L’impact des conditions environnementales auxquelles sont assujetties les résidus dans leur lieu de stockage telles que les fluctuations de température, la précipitation liquide, la submersion, l’assèchement, le gradient d’oxygène et la diffusion du CO2 a été minutieusement étudié. Les périodes sèches et les périodes de fortes pluies ont été catégorisées comme étant non propices à la séquestration du CO2. Une faible saturation liquide des pores des RMU est par contre adéquate à la carbonatation car combinant la dissémination rapide des espèces dissoutes du CO2 et la création dans tout le tas de résidus de zones super-réactives. Les périodes chaudes accélèrent substantiellement la capture du CO2 comparativement aux périodes froides. Ces dernières sont toutefois caractérisées par une génération perceptible de chaleur potentiellement récupérable par des systèmes géothermiques fonctionnant à de basses températures. Le pouvoir oxydant de l’oxygène de l’air génère une passivation précoce des particules de RMU, inhibant la réaction par la précipitation des hydroxydes de fer (III). La mise en œuvre de techniques de chélation, de drainage et d’aération a également été étudiée et proposée dans le but d’améliorer et de faire perdurer la réaction de carbonatation dans les conditions ambiantes. / The huge amounts of ultramafic (ultrabasic) mining residues (UMR) produced by mining activities around the world, which accumulate as multi-square kilometer stockpiles, are leading to a growing interest regarding their possible use as stable and permanent sinks for atmospheric CO2. Virtually costless and often found crushed and / or ground, UMR can be exploited in various technologies and methods for CO2 mineral sequestration. Consequently, UMR is ubiquitous at the heart of several post / pre-combustion CO2 capture processes, often paired with various enhancers/accelerators such as chemical reagents, high temperatures and / or high pressures. The carbonation reaction rate using UMR is relatively lower than the rate of CO2 emission from plant exhaust and therefore, many studies revolving around this CO2 capture alternative were gradually abandoned. The necessity of more thorough and systematic investigation of the reactivity of UMR obliges us to identify and decode the various bottlenecks of the carbonation reaction and eventually provide the best possible conditions to improve their reactivity under less constraining conditions. This thesis, therefore, explores the potential of UMR sources available in Quebec (Thetford Mines, Asbestos, Nunavik, Amos, Otish Mountain), under ambient conditions, as a cost-effective alternative to remove CO2 from the atmosphere and mitigate the consequences directly associated to its increase, such as global warming and its associated problems. All experiments were performed on a laboratory scale fixed bed using a small samples (3-200 g) of UMR with the goal to mimic as closely as possible, mining residue piles existing or abandoned on mine sites. The gas volume characteristics (CO2 and oxygen contents, relative humidity and temperature) and UMR fixed-bed characteristics (liquid saturation, ionic conductivity, pressure drop and temperature) were continually monitored in order to unveil the underlying mechanisms of the reaction. In order to carry out our studies, several reactors were built specifically to simulate various modes of climatic change. The impact of various environmental conditions to which the residues are subjected in their storage location, such as temperature fluctuations, precipitation, flooding, drought, oxygen gradients and CO2 diffusion has been thoroughly studied. Dry and heavy rain periods were categorized as unsuitable for CO2 sequestration. Conversely, low liquid saturation within the UMR pores is suitable for carbonation by combining a fast dissemination of CO2 dissolved species and creation of highly reactive sites throughout the mining residue pile. Warm periods substantially accelerate the rate of CO2 uptake as compared to cold periods, which in contrast, are characterized by a substantial heat generation possibly retrievable by low temperature geothermal systems. The presence of oxygen in the reaction medium induces rapid UMR particle passivation by iron (III) hydroxide, promptly inhibiting the reaction. The implementation of techniques such as chelation, draining and venting was also investigated with the aim of improving and sustaining the carbonation reaction under ambient conditions.

Les huiles végétales ont été identifiées depuis longtemps comme première ressource naturelle à fort potentiel permettant de remplacer le pétrole. Les acides gras insaturés obtenus à partir des huiles végétales constituent une alternative pour la production de biopolymères. La scission oxydative de l’acide oléique (C18:1) conduit aux acides azélaïque et pélargonique. Ces acides gras possèdent de nombreuses applications industrielles : en particulier l’acide azélaïque qui est le premier précurseur dans la fabrication du polymère (nylon-6: 9) utilisé dans l’industrie textile pour la production de vêtements. Actuellement, cette réaction est réalisée dans l’industrie via l’ozonolyse. Cependant, cette réaction pose de nombreux problèmes, l’ozone est un produit dangereux qui comporte un risque élevé d’explosion. L’objectif est donc de mettre au point un procédé de clivage oxydatif performant, moins couteux et moins polluant que l’ozonolyse. C’est ainsi que pour répondre aux principes de chimie durable, nous avons choisi de travailler avec les ultrasons et un système oxydant à base d’eau oxygénée, associée à des nanocatalyseurs sous forme de nanoparticules magnétisables de façon à pouvoir les séparer par application d’un champ magnétique. Ce travail aborde le sujet du développement d’un système permettant la production des monoacides et diacides sous ultrasons dans un réacteur soit discontinu (batch) ou soit à alimentation continue. L’aspect original des conclusions du travail est la vision par laquelle les ondes ultrasonores affectent la vitesse des réactions de clivage oxydatif qui passe de 5 h à 15 min pour des conversions très élevées supérieures à 98 %. En utilisant ce processus, le temps et l’énergie sont sauvés. La cavitation par ultrason est rapide et génère de fines émulsions du système biphasique dans tout le volume du réacteur qui affectent le transfert de matière interphase. Celui-ci est accéléré, ce qui permet de hautes conversions de l’huile de canola en mono et diacides gras (azélaïque et pélargonique) avec un temps de résidence aussi bas que 6 min dans le cas d’un réacteur continu et 15 min dans un réacteur discontinu, sans avoir recours à un solvant organique. La technique de production des acides carboxyliques sous ultrasons est une nouvelle technologie prometteuse pour la fabrication de biopolymères. / Vegetable oils have long been identified as a natural resource with high potential to replace petroleum. Unsaturated fatty acids obtained from vegetable oils are an alternative for the production of biopolymers. The oxidative cleavage of oleic acid (C18: 1) leads to azelaic and pelargonic acids. These fatty acids have many industrial applications: in particular azelaic acid which is a precursor in the manufacture of the polymer (nylon-6: 9) used in the textile industry for the production of clothing. Currently, this reaction is carried out in the industry via ozonolysis. However, this reaction poses many problems, since ozone is a dangerous product with a high risk of explosion. The objective is to develop an efficient oxidative cleavage process, less expensive and less polluting than ozonolysis. Thus, to meet the principles of sustainable chemistry, we chose to work with ultrasound and an oxidizing system based on hydrogen peroxide, associated with nanocatalysts in the form of magnetizable nanoparticles to separate them by a magnetic field. This work deals with the development of a system allowing the production of monoacids and diacids under ultrasound in a batch reactor or a continuous feed reactor. The original aspect of this work is the vision by which the ultrasonic waves affect the speed of the oxidative cleavage reactions which goes from 5 h to 15 min with conversions higher than 98%. Using this process, time and energy are saved. Ultrasonic cavitation is rapid and generates fine biphasic system emulsions throughout the reactor volume that affect interphase material transfer. The latter is accelerated which allows high conversions of canola oil into mono and di-fatty acids (azelaic and pelargonic) with a residence time as low as 6 min in the case of a continuous reactor and 15 min in a batch reactor, without the use of an organic solvent. The technique of producing carboxylic acids under ultrasound is a promising new technology for the manufacture of biopolymers. / Résumé en espagnol

La pile à combustible a suscité une attention croissante en tant que solution de rechange écologique aux carburants fossiles. Les membranes échangeuses d’ions (PEM)s sont utilisées dans des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible directes au méthanol (DMFC) comme composant séparateur pour fournir une barrière au transfert de carburant entre les électrodes et pour transférer des protons de l'anode à La cathode. Les PEMFC et les DMFC suscitent des intérêts plus particuliers pour l'utilisation dans les applications automobiles, stationnaires et électroniques portables. En tant que composante clé d’une PEMFC, une PEM est nécessaire pour effectuer des fonctions multiples telles que la séparation de gaz, l'isolation électrique et le transfert ionique pour transporter des protons de l'anode à la cathode. La présence d'eau dans une PEM est essentielle pour que les polymères traditionnels sulfonés transfèrent les protons et facilitent la conductivité protonique. Comme le Nafion, la conduction protonique des polymères de type PEM sulfonés dépend de le teneur en eau dans les membranes. Cependant, une absorption excessive d'eau dans une PEM conduit à un changement dimensionnel inacceptable, à une mésadaptation dimensionnelle avec les électrodes, à une délamination des couches de catalyseur de la PEM et à une perte des propriétés mécaniques, ce qui pourrait conduire à une mauvaise performance ou un manque de durabilité de l'assemblage membrane – électrode (MEA). En tant que systèmes hautement intégrés, les piles à combustible sont faites de matériaux hétérogènes comportant contenant du gaz, du liquide et du solide. Les MEA sont typiquement fabriqués par collage d'électrodes de catalyseur de platine supporté sur du carbone sur l'électrolyte PEM, en utilisant un ionomère de type Nafion liant du catalyseur, quel que soit la PEM utilisée. La structure et l'activité des différentes interfaces, l'adhérence et la compatibilité entre les différentes couches ainsi que les caractéristigues du carburant jouent des rôles clés sur la performance globale de la pile à combustible. Parmi ces questions diverses, le transfert inévitable de méthanol dans une PEM, telle que le Nafion, limite les applications en DEMFC. Malgré le développement de nombreuses PEM à base d'hydrocarbures en tant que substituts au Nafion, le comportement de surface et l'adaptation / compatibilité interfaciale entre ce type de PEM et les autres couches est moins bien compris. Dans cette thèse, nous... / The fuel cell has received attention as a promising eco-friendly alternative energy source to fossil fuels. Polymer exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs) have attracted increasing interest for use in motor vehicles and electronic applications including stationary and portable devices. As a key component of PEMFC and DMFC, PEM is required to perform multiple functions such as fuel separator, electrical insulator and ionic path to transport protons from the anode to the cathode. The presence of water in PEM is essential for traditional, sulfonated polymers to transfer protons and to facilitate proton conductivity. As Nafion, the proton conduction of the sulfonated PEM-type polymers depends upon the water content in the membranes. However, excessive water uptake in a PEM results in unacceptable dimensional change, dimensional mismatch with the electrodes, delaminating of catalyst layers from the PEM and loss of mechanical properties, which could result in poor membrane electrode assembly (MEA) performance or durability. As a highly integrated system, fuel cells are used in a heterogeneous environment containing gas, liquid, and solid. Typically, MEAs are constructed by bonding carbonsupported platinum catalyst electrodes onto the PEM electrolyte. Regardless of the PEM used, a Nafion-type ionomer is usually employed as a catalyst support. The structure and activity at the different interfaces, the adhesion and compatibility among various layers, as well as fuel property on PEM play key roles on the fuel cell universal performance as vital as the individual components. Among these heterogeneous concerns, crossover of methanol in PEM, such as Nafion, limits DEMFC applications. In spite of the development of numerous hydrocarbon PEMs as substitutes to Nafion, the surface behavior and interfacial match between a PEM and the other layers, such as, the interface between a PEM and gas diffusion layer/catalyst layer/methanol layer are less understood. In this thesis, the surface/interface behavior of a representative selection of hydrocarbon-based proton exchange membranes (PEMs) was investigated. These PEMs are: copolymerized sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK-HQ), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone) (Ph-SPEEK), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone ketone) (Ph-m-SPEEKK), and sulfonated poly (aryl ether ether nitrile) (SPAEEN-B).

Dans ce travail du polyéthylène de basse densité et de l'azodicarbonamide ont été utilisé afin de produire des mousses structurales par un procédé de moulage par compression. En particulier, l'étude a porté sur la fabrication et la caractérisation de sandwichs symétriques et asymétriques. Les résultats ont été caractérisés en termes de densité, morphologie (épaisseurs des peaux de chaque côté, densité de bulles, tailles de bulles) et propriétés mécaniques (tension, flexion et torsion). En général, la densité de la mousse diminue avec l'augmentation de la concentration d'agent gonflant tandis que le diamètre et la densité des bulles augmentent. Le résultat important de ce travail est de démontrer clairement que la connaissance de la structure complète de la mousse est nécessaire pour bien comprendre son comportement mécanique. De plus, les modules en flexion ont été supérieurs si la force était appliquée sur le côté ayant la peau la plus épaisse en comparaison avec la force appliquée sur le côté le plus mince.

Dans un contexte de crise environnementale et d'épuisement des ressources énergétiques conventionnelles, le modèle énergétique obsolète fondé sur les combustibles fossiles doit être redéfini et redessiné. Malgré plusieurs types d'énergies alternatives renouvelable en développé et en cours de développé, en sachant qu'elles jouent un rôle important à moyen et long terme, l'utilisation de l'énergie solaire présente actuellement un grand intérêt aux scientifiques. La production d'hydrogène par la dissociation de l'eau et le dispositif photovoltaïque en convertit directement la lumière solaire en électricité devient plus compétitifs mais son coût ne cesse de diminuer en parallèle du progrès de la technologie. En conséquence, cette thèse concentre sur la synthèse et la modification de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) et aussi parlant de la fabrication et de l'optimisation des dispositifs basés sur ces nanoparticules pour des applications photovoltaïque et de la photo-catalyse par la dissociation de l’eau. La synthèse et la modification des nanoparticules de TiO2 ont été optimisées pour contrôler la morphologie des particules, spécialement leur taille et leur forme, en utilisant différents types de surfactants. Ceci nous a permis de développer des nanoparticules de TiO2 avec différentes formes, telles que les nanosphères, les nanotiges, les nanorhombiques, et différentes tailles allant de 3 x 40 nm à 3 x 20 nm. L’effet du surfactant sur la morphologie des nanoparticules de TiO2 a été soigneusement caractérisé et analysé. La modification de la surface des nanoparticules de TiO2 ainsi développées par du sulfure de cadmium (CdS) a été optimisée dans le but de les utiliser dans les cellules solaires hybrides à hétérojonction volumique (BHJs) et aussi pour la production d’hydrogène via la dissociation de l’eau. Il a été démontré que l’efficacité de conversion de la puissance énergétique des BHJs a été augmentée de l'ordre de 17 fois en utilisant les nanotiges modifiées TiO2/CdS comparativement au nanotiges TiO2 non modifiées. Finalement, il a été démontré que la modification en surface des nanoparticules de TiO2 par du CdS et du Nickel menait à une nette amélioration dans la performance production d’hydrogène via la dissociation de l’eau. Cette réaction de dissociation présentait une stabilité. / In a context of environmental crisis and depletion of conventional energy resources, the current energy model based on fossil fuels is obsolete and needs to be redefined and redesigned. Even though, there are many different renewable alternatives developed or under developing, which are expected to take a main role in the middle and long term. The use of energy from the sun is currently attracting much attention from the scientists. For example, hydrogen generation via water splitting and photovoltaic devices that convert directly sunlight into electricity become more competitive as the cost continues to decrease with the technology advancement. Taking this into account, this thesis is focused on the synthesis and modification of titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) and the development and optimization of devices based on these nanoparticles for photovoltaic applications and photocatalyst water splitting. The synthesis of TiO2 NPs was mainly emphasized on controlling the morphologies, especially their shape and size, by using different types of capping agents. TiO2 NPs with various shapes, such as nanosphere, nanorod, nanorhombic, and various sizes from 3 x 40 nm to 3 x 20 nm were achieved. The effects of capping agent on TiO2 NPs morphologies were characterized and analyzed carefully. Based on the developed TiO2 NPs, cadmium sulfide (CdS) was deposited on the surface of TiO2 NPs, and then was optimized for the hybrid bulk heterojunction solar cells (BHJs) and photocatalytic hydrogen production via water splitting. Especially, with the use of TiO2-based nanocomposites in BHJs systems, it showed improvement of around 17 times in power efficiency conversion compared to the system used unmodified TiO2 NPs. On the other hands, with the use of a new non-noble metal-nanocomposites composed of CdS/TiO2, and Nikel clusters, the performance of the photocatalytic hydrogen production via water splitting system was enhanced and it showed that the reaction is stable up to 15h.

Le développement de bioprocédés pour la culture des cellules animales est d'une grande importance pour la biotechnologie, dû aux nombreuses applications biomédicales de ces cellules. Dans ce travail, la mise au point d'un système de contrôle ainsi que la conception, la caractérisation et l'utilisation de minibioréacteurs à échelle réduite (30-100 mL), entièrement équipés et automatisés pour la culture cellulaire, sont présentées. Les paramètres des contrôleurs ont de plus été optimisés pour des bioréacteurs de différentes tailles (500 mL et 15 L) avec différents volumes de travail (0,3, 0,5, 5, 10 et 15 L). Les temps de réponse de chaque sonde ainsi que le kLa dans les bioréacteurs ont aussi été évalués. Un système de contrôle en langage LABVIEW National Instruments, incluant une interface-usager numérique a été finalisé. Ce programme est capable de saisir, contrôler et surveiller les paramètres d'opération (pH, DO, pCO2, T) de huit bioréacteurs de façon simultanée et indépendante par le biais des modules de conversion Numériques/Analogues Field Point National Instruments. Finalement, le système a été testé par trois cultures de cellules HEK 293S dans les minibioréacteurs (100 et 300 mL). Les résultats ont été comparés à une culture statique dans un T-Flask de 25 cm2 . On a ainsi démontré que le système développé est robuste, précis et efficace.