Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d'applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d'autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l'adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d'aluminium) et des paramètres réactionnels (l'alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d'intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l'efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d'utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d'applications, en particulier pour de l'adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d'une série d'expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d'adsorption de glycérol un peu plus élevée, l'étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d'adsorption, par rapport à d'autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes. / Zeolites as microporous crystalline materials have shown competence and versatility in a huge number of applications. Their unique properties have persuaded researchers to constantly look for novel pathways to get the most out of these extraordinary substances. Modifying the properties of classical zeolites or combining them synergistically with other materials are found to be two viable techniques to attain efficient zeolitic materials with improved characteristics. In this dissertation, these two approaches were separately used to study, first, the morphological modification of ZSM-12 and second, the formation of mesoporous silica@silicalite-1 core-shell materials. ZSM-12 is a high silica zeolite which has recently attracted much attention owing to its superior performance in adsorption and catalysis. In order to synthesize ZSM-12 with high purity and controlled size and morphology, the crystallization behavior of ZSM-12 zeolite was thoroughly studied by screening different commercially available chemical sources (structure-directing agents, silicon and aluminum source types) and compositions (alkalinity and Na, Al and water contents). The results presented in this study showed that, in contrast to TEAOH organic template, using MTEAOH and Al(o-i-Pr)3 could lead to the formation of mono-sized ZSM-12 single crystals in a shorter time. Alkalinity and Na+ contents were found to be playing the major roles. Following the second approach, zeolitic core-shell composites with a polycrystalline silicalite-1 shell, enclosing a mesoporous silica microsphere core (particle sizes of 1.5, 3 and 20-45 μm) in either pure form or loaded with metal guest species, were synthesized. Seeded growth technique was used as one of the reliable ways for the synthesis of such a material. The quality of the final products in terms of the pore network connectivity and shell integrity, which, together, ensure the shape-selective capability, was studied by varying synthesis parameters, such as core pre-treatments which include surface modification, seeding and calcination steps and the number of secondary hydrothermal crystallization steps. Depending on the core size and the presence of guest species, the quality of the seeding step was found to be influenced by the surface modification technique used, i.e., mesoporous silica microspheres which contain guest species need an additional treatment of chemical functionalization of the external surface with species such as APTES, rather than using a simple surface modification with ionic polymers. It was also shown that depending on the core size, two to four short hydrothermal treatments are required to fully cover the core, with no aggregation and core dissolution. Such materials with a molecular sieve crystalline shell can be used in a wide variety of applications, particularly for shapeselective adsorption and catalysis purposes. Selective adsorption capability of the final product was investigated by conducting a series of batch glycerol adsorption experiments from crude biodiesel with different compositions at different temperatures. Glycerol content of the purified biodiesel by using the core@shell material was compared to those purified by using conventional adsorbents including bare mesoporous silica gel spheres, classical zeolites, e.g., silicalite-1, pure siliceous β-zeolite (Si-BEA) and ZSM-5(H+) crystals as well as a physical mixture of the constitutive materials, i.e., equally mixed silicalite-1 and silica gel spheres. Although mesoporous silica gel spheres showed slightly higher glycerol adsorption capacity, the study revealed that the mesoporous adsorbents tended to trap a significant number of bulkier molecules, such as FAMEs, in their large pore networks (dpore> 6 nm). However, the silicalite-1 shell provided a microporous membrane which hindered the diffusion of FAME into the mesopores while the composite adsorbents benefited from large pore volume of mesoporous silica as core compartment, allowing a multi-layer glycerol adsorption. This feature of the synthesized core@shell material considerably enhanced the dry washing performance in terms of purification yield and adsorption capacity, in comparison to other conventional adsorbents including mesoporous silica gel and classical zeolites.

Dans cette thèse, deux nouvelles méthodes ont été étudiées en vue de synthétiser des nanozéolithes à savoir la synthèse en mono-phase et la synthèse en deux-phases. La méthode en deux-phases consiste à introduire un solvant organique contenant l'organosilane à la solution aqueuse de synthèse de zéolithe donnant lieu à un mélange de deux-phases. Après agitation et traitement hydrothermique de ce mélange, des nanozéolithes organosilane-fonctionnalisées ont été obtenues en phase organique, tandis que de gros cristaux de zéolithe ont été trouvés dans la phase aqueuse. Dans la méthode mono-phasée, une quantité appropriée de gel de zéolithes en solution a été ajoutée à une solution du toluène/n-butanol contenant des organosilanes. Après 12 heures d'agitation à 60°C, on obtient un mélange en une seule phase. Ce mélange a subit ensuite une cristallisation hydrothermique pour donner naissance à des nanozéolithes fonctionnalisées. En principe, les deux méthodes utilisent l'organosilane pour empêcher la croissance de zéolithe. Le solvant organique agit en tant que milieu favorable à la dispersion des nanozéolithes fonctionnalisées par l'organosilane provenant de la phase aqueuse, ce qui mène à un arrêt complet du processus de croissance. On démontre que ces deux méthodes sont applicables à la synthèse des nanozéolithes de silicalite-1 et FAU et peuvent s'appliquer à la synthèse d'autres types de zéolithes. Des techniques de caractérisation comprenant DRX, IR ont été employées pour déterminer la structure zéolithique des échantillons. La taille de cristal a été vérifiée par analyses de MEB et de MET. Adsorption/désorption de l'azote a été effectuée pour évaluer la surface spécifique des échantillons. La fonctionnalisation des nanozéolithes a été étudie par29SiRMN. L'activité catalytique des nanozéolithes synthétisées a été évaluée par la réaction du craquage de TIPB. Les résultats préliminaires ont montré que les nanozéolithes de FAU peuvent être un excellent catalyseur pour la réaction du craquage. / In this thesis, two novel methods e.g. single-phase and two-phase for the synthesis of nanozeohtes were reported. In the single-phase synthesis method, a proper amount of zeolite gel solution was added to toluene/n-butanol solution containing an organosilane. After 12 hours at 60°C, a single phase mixture was obtained. This mixture was then subjected to hydrothermal crystallization to produce uniform functionalized nanozeolites. In contrast, the two-phase synthesis method involved the introduction of an organic solvent containing an organosilane to the aqueous zeolite gel solution, resulting in a two-phase mixture. Upon mixing and hydrothermal treatment of this mixture, organosilane-functionalized nanozeolites were obtained in the organic phase whereas, large zeolite crystals were found in the aqueous phase. In principle, both methods employed the use of an organosilane to inhibit the crystal growth. The organic solvent acted as the medium for dispersion of nanozeolites functionalized with organosilane from the aqueous phase, which led to the complete half of the growth process. These two methods were demonstrated to be applicable to the synthesis of silicalite-1 and FAU nanozeolites and could be applied to the synthesis of other types of zeolites. Characterization techniques including XRD and IR were used to determine the zeolite structure of the samples. The crystal size was verified by SEM and TEM analyses. Nitrogen adsorption/desorption equilibrium isotherms was measured to assess the surface area of the samples. The functionalization of nanozeolites was investigated by 29Si NMR technique. Catalytic activity of the synthesized nanozeolites was evaluated by the cracking reaction of TIPB. Preliminary results showed that FAU nanozeolites can be good catalysts for the cracking reaction.

Le comportement rhéologique des mélanges de polymères non miscibles a été étudié en écoulement élongationnel uniaxial et en cisaillement. Des observations en microscopie électronique sur des échantillons avant et après déformation ont été réalisées afin d'élucider le lien entre la réponse en contrainte et l'évolution de la morphologie des mélanges semi concentrés. La combinaison des résultats obtenus en rhéologie et de l'examen morphologique a permis de comprendre la contribution de l'interface dans la contrainte totale du mélange, notamment pendant la relaxation. Des expériences réalisées sur des échantillons compatibilisés ont montré que la réponse rhéologique des mélanges est considérablement modifiée par la présence des molécules de copolymère adsorbées à l'interface goutte/matrice. L'examen morphologique de ces échantillons a permis de mettre en évidence un comportement morphologique différent de celui des systèmes non compatibilisés. La contribution de l'interface dans la contrainte totale est donc modifiée, ce qui explique le comportement rhéologique particulier des mélanges compatibilisés. Le rôle du copolymère dans l'amélioration de l'adhésion interfaciale a été examiné sous différents types d'écoulement. Les résultats montrent que l'incorporation d'une faible quantité de copolymère s'accompagne d'une augmentation de la viscosité des mélanges témoignant ainsi d'une amélioration des propriétés interfaciales. L'examen morphologique des mélanges montre en effet que la présence du copolymère se traduit par l'obtention d'une morphologie fine et une meilleure adhésion entre les deux phases du mélange. L'évolution de la morphologie a également été étudiée par le moyen de visualisation en temps réel sur des gouttes isolées dans un champ de cisaillement. Ces expériences ont permis de relever certains effets relatifs à l'élasticité des phases sur le mécanisme de déformation et sur les conditions de rupture des gouttes. Des modes de déformation inusités ont été observés pendant la déformation transitoire notamment pour des systèmes formés de gouttes viscoélastiques dans une matrice newtonienne. / Rheological behavior of immiscible polymer blends has been studied in both elongation and shear flow. Scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) observations have been carried out on samples before and after deformation to relate the rheological response to morphology development for semi-concentrated mixtures. The rheological results coupled with morphological analysis allow to clearly identify the contribution of the interface to total stress, especially upon the relaxation step. Experiments carried out on compatibilized samples show that the rheological response of polymer blends is widely affected by the presence of copolymer molecules within the drop/matrix interface. TEM observations show that the morphological behavior is highly affected by the presence of copolymer molecules within the interface, which modifies the interfacial contribution in the total stress and consequently the rheological behavior of copolymer modified blends. The effect of copolymer on interfacial adhesion enhancement has been analyzed during various flow types. The results show that the addition of a small amount of copolymer leads to an enhancement of viscosity of the blends, thus confirming the improvement of interfacial properties. Morphological analysis of deformed and undeformed samples shows that finer morphology and better interfacial adhesion are obtained for compatibilized Systems. The deformation and break-up of isolated liquid drops immersed in a liquid matrix have been studied in simple shear flow via in-situ visualisation experiments. These experiments elucidated some of the effects of phase elasticity on both deformation mechanism and break-up conditions. Moreover, unusual deformation modes have been observed upon transient deformation especially in the case of viscoelastic drops.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Le dioxyde de carbone (CO2) est l'un des plus importants gaz à effet de serre émis par les activités anthropiques. Les émissions de CO2 peuvent être diminuées en le valorisant en plusieurs produits chimiques tels que le méthanol, l'éthanol, le diméthyléther et des hydrocarbures par conversion catalytique du CO2. Cependant, la conversion et le rendement en produit sont faibles en raison de la grande quantité d'eau produite (en tant que sousproduit) qui a un effet négatif sur le catalyseur et limite thermodynamiquement le système réactionnel. L'élimination de l'eau du milieu réactionnel, un exemple d’intensification des procédés par élimination d’un produit à l’aide d’adsorbants, est appelée « sorption enhanced reaction process » (SERP). Peu d'études concernant l'adsorption de l'eau à hautes températures sont disponibles dans la littérature. Ce projet consiste en l'étude de l'efficacité de plusieurs matériaux zéolithiques potentiels (LTA, FAU et SOD) pour l’adsorption de l'eau jusqu’à 250 °C qui est la température moyenne de réaction de tous les produits mentionnés ci-dessus. Les expériences ont été réalisées en utilisant un analyseur gravimétrique intelligent (IGA, Hiden Isochema). L'effet de différents paramètres tels que la température, la granulométrie et la pression partielle de l'eau a été étudié. Pour les zéolithes étudiées, la capacité d’absorption a montré une diminution à des températures élevées, en restant néanmoins significative à 250 °C. Les résultats démontrent que les zéolithes FAU-13X et LTA-4A ont la plus grande capacité d'adsorption. Les zéolithes en poudre ont une capacité d’adsorption plus élevée que celles sous forme de perles. La faible cinétique d'adsorption de la SOD limite son utilisation. Les données expérimentales ont été corrélées par des modèles mathématiques. Une équation de type « double exponentielle étirée » a été utilisée et les constantes cinétiques ont été déterminées pour chaque zéolithe. Ces résultats permettront la modélisation et l’optimisation des procédés SERP. / Carbon dioxide (CO2) is one of the most important greenhouse gases released from anthropic activities. The emissions of CO2 can be reduced by its valorisation into many chemical products like methanol, ethanol, dimethylether and hydrocarbons by catalytic conversion of CO2. However, CO2 conversion and product yield are low because of the large amount of water produced (as by-product) that has a negative effect on the catalyst and thermodynamically limits the system. The removal of water using adsorbents, an example of process intensification by the removal of a product, is called sorption enhanced reaction process (SERP). Few studies concerning adsorption of water at high temperatures were found in the literature. In this work, a comparative study was conducted with various potential water adsorbents. The efficiency of several potential zeolitic materials (LTA, FAU and SOD) was investigated for water adsorption up to 250 °C which is the reaction temperature of all products mentioned above. The experiments were performed using an Intelligent Gravimetric Analyser (IGA, Hiden Isochema). The effect of different parameters like temperature, particle size and partial pressure of water were studied. For all zeolites, the water uptake showed an important decrease at higher temperatures but the capacity at 250 °C was still significant. Zeolites FAU-13X and LTA-4A have the higher adsorption capacities. Zeolites in powder form have a higher adsorption capacity than pearls. Meanwhile, the poor adsorption kinetics of SOD limits its use. The experimental data were correlated by mathematical models. A double stretched exponential equation was found to correlate all data and the kinetic constants were determined for each zeolite. These results will allow the modelling and the optimization of SERP process.

En raison des problèmes environnementaux associés à l'utilisation des combustibles fossiles, qui augmentent les émissions de gaz à effet de serre et causent les changements climatiques, et pour satisfaire le besoin mondial de carburants durables et surmonter une éventuelle crise énergétique, une part important de l'attention de la communauté scientifique est aujourd’hui consacrée à la découverte de sources d’énergie renouvelables. L'une des meilleures alternatives est le diesel vert qui pourrait être produit à partir d'huiles végétales (aucune quantité nette de dioxyde de carbone n'est rejetée dans l'atmosphère). Ces types d'huiles sont convertis en diesel vert par réaction d'hydrotraitement à haute température et pression en présence d'un catalyseur hétérogène qui joue un rôle essentiel dans ce processus. Ces catalyseurs hétérogènes, qui peuvent être bi- ou monométalliques, sont constitués d'un support et d'un composé métallique actif. Les caractéristiques du support telles que la surface spécifique, le volume des pores et le diamètre des pores ont un effet déterminant sur les propriétés finales du catalyseur formé. Ils peuvent déterminer la quantité de la charge de phase active optimale et peuvent être adaptés à la taille moléculaire du réactif. Dans cette thèse, un support d'alumine-γ mésoporeuse a d’abord été synthétisé en utilisant un polymère tensioactif par voie sol-gel et accompagné d'un auto-assemblage induit par évaporation (EISA). L'isopropoxyde d'aluminium (Al(O-i-Pr)₃) et le copolymère tribloc (Pluronic P123) ont été respectivement utilisés comme source d'aluminium et agent directeur de structure. La température de calcination optimale et le rapport massique P123/Al(O-i-Pr)₃ respectivement de 700ºC (avec 3 h de temps de trempage) et 0.98 permettent la production de γ-alumine avec des propriétés texturales appropriées. À l'étape suivante, 15% en poids de MoO₃ et 3% en poids de NiO ou CoO ont été imprégnés sur le support préparé pour former NiMo/γ-alumine et CoMo/γ-alumine respectivement après calcination. Suite à une sulfuration ex-situ, l'hydrotraitement de l'huile de canola a été effectué dans un réacteur continu pour la production de diesel vert. Une plage de température de 325 à 400°C et une de LHSV de 1 à 3 h⁻¹ ont été étudiées tandis que les autres paramètres opérationnels ont été maintenus constants à P: 450 psi et H2/huile: 600 mLmL⁻¹. Les deux catalyseurs ont permis la production de diesel vert (principalement C15-C18) tandis que NiMo a montré une activité légèrement supérieure à un LHSV plus élevé. La température optimale et le LHSV se sont révélés être 325ºC et 1 h⁻¹. Finalement, des catalyseurs Ni/γ-alumine (réduite) respectueux de l'environnement avec structure mésoporeuse ont été synthétisés par des procédés sol-gel (une étape) et d'imprégnation (deux étapes). Une teneur en oxyde de nickel plus faible a été observée dans un catalyseur dérivé du sol-gel par rapport aux produits imprégnés, ce qui est dû à l'incorporation de nickel dans le réseau de l'alumine. Après la réduction, du nickel métallique a été formé dans les deux catalyseurs. L'hydrotraitement de l'huile de canola a été effectué sur les deux catalyseurs (température: 400°C, P: 500 psi, LHSV: 0.5 h⁻¹, H2/huile: 600 mLmL⁻¹) et des hydrocarbures normaux, principalement C15-C18. Il a été observé que la conversion des triglycérides était initialement plus élevée pour le catalyseur imprégné et, après un temps en ligne de 300 min, elle tombe à des valeurs inférieures à celles du catalyseur sol-gel, ce qui montre la plus grande stabilité au fil du temps de ce dernier. / Owing to environmental issues concerning fossil fuels usage which increase the greenhouse gas emissions and cause climate change, and to satisfy the global need for sustainable fuels and overcome possible energy crisis much attention is devoted to the finding of sustainable energy sources. One of the best alternatives is green diesel which could be produced from vegetable oils (no net amount of carbon dioxide is released into the atmosphere). These kinds of oils are converted to green diesel via hydrotreating reaction at high temperature and pressure in the presence of a heterogeneous catalyst which plays an essential role in this process. These heterogeneous catalysts which could be bi- or monometallic, consist of a support and an active metal compound. The characteristics of the support such as specific surface area, pore volume and pore diameter have a determining effect on the final properties of the formed catalyst. They can determine the amount of optimum active phase loading and should be adapted to the reactant molecular size. In this thesis first, the γ-alumina support was one-pot synthesized via polymeric template assisted sol-gel and evaporation-induced self-assembly process. Aluminum isopropoxide (Al(O-i-Pr)₃) and triblock copolymer template (Pluronic P123) were respectively used as aluminum source and structure directing agent. The optimum calcination temperature and P123/Al(O-i-Pr)₃ mass ratio were respectively found to be 700ºC (with 3 h of soaking time) and 0.98 enabling the production of γ-alumina with appropriate textural properties. In the next step, 15% wt. MoO₃ and 3% wt. NiO or CoO were impregnated on the prepared support to respectively form NiMo/γ-alumina and CoMo/γ-alumina after subsequent calcination. Following an ex-situ sulfidation, the hydrotreatment of canola oil was performed in a continuous reactor to result in green diesel production. Temperature range of 325 to 400ºC and LHSV of 1 to 3 h⁻¹ were studied while the other process parameters were kept constant at P: 450 psi and H2/oil: 600 mLmL⁻¹. Both catalysts are promising for green diesel (mainly C15-C18) production while NiMo showed a slightly higher activity at higher LHSV. The optimum temperature and LHSV were found to be 325ºC and 1 h⁻¹. Finally, the environmentally friendly Ni/γ-alumina (reduced) catalysts with mesoporous structure were synthesize through sol-gel (one-step) and impregnation (two-step) methods. Lower bulk nickel oxide content was detected in sol-gel derived catalyst compared to impregnated ones which is due to the incorporation of nickel inside the alumina framework. After the reduction, metallic nickel was formed in both catalysts. Canola oil hydrotreatment was performed over both catalysts (temperature: 400ºC, P: 500 psi, LHSV: 0.5 h-1, H2/oil: 600 mLmL⁻¹) and normal hydrocarbons, mainly C15-C18, were produced. The triglyceride initial conversion was observed to be higher over the impregnated catalyst while after a time on stream of 300 min, it falls to values lower than that of the sol-gel catalyst, showing the higher stability over time of the latter.

Les écoulements à déplacement se produisent fréquemment dans les applications naturelles et industrielles. Bien que les déplacements Newtoniens aient été pris en considération dans une grande variété d’études théoriques et expérimentales dans les dernières décennies, un nombre considérable de fluides pratiques présentent des caractéristiques viscoplastiques, rendant la prévision du comportement des écoulements plus difficile. Les écoulement de déplacement viscoplastiques sont généralement contrôlés par un équilibre entre diverses forces, y compris la force visqueuse, la force de flottabilité, la force d’inertie, contrainte d’écoulement, etc., en plus de caractéristiques miscibles et non miscibles. Une compétition entre ces forces peut conduire à des comportements imprévisibles et exotiques de déplacement. Permettant une compréhension approfondie de ces écoulements, dans cette thèse de doctorat nous avons étudié l’écoulement à déplacement d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien dans une géométrie simple, c.-à-d. un canal étroit et confiné. Dans la première partie de cette thèse (chapitres 1 à 3), nous étudions expérimentalement les écoulements à déplacement non-miscibles d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien. En particulier, nous analysons le mouvement d’air dans un gel de Carbopol, dans une cellule de Hele-Shaw de section rectangulaire. Cette géométrie est composée de deux plaques parallèles rigides. Nous étudions les résultats en termes d’efficacité de déplacement et de morphologie des modèles d’écoulement. Nous démontrons que les comportements complexes du gel Carbopol, c.-à-d. les fortes propriétés viscoplastiques et les faibles propriétés viscoélastiques, affectent les caractéristiques d’écoulement de déplacement. Ensuite, nous étendons cette étude au déplacement d’un gel de Carbopol par une huile de silicone afin de considérer les effets de la mouillabilité sur l’écoulement. Nous observons qu’une combinaison de comportements viscoplastiques et de mouillabilité exerce un impact significatif sur les modèles d’écoulement à déplacement, pour lesquels quatre régimes d’écoulement différents sont identifiés : un régime capillaire, un régime de contrainte d’écoulement, un régime visqueux et un régime élastoinertiel. Enfin, nous étudions les impacts du rapport d’aspect de la section transversale de la cellule sur les caractéristiques de déplacement viscoplastique. Dans la deuxième partie de cette thèse (chapitres 4 à 5), nous étudions numériquement les écoulements à déplacement miscibles d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien dans un long canal plan 2D. Pour un déplacement «heavy-light», l’analyse des modèles d’écoulement en fonction de divers paramètres sans dimension nous permet d’identifier trois régimes d’écoulement distincts : déplacements «center-type»/«slump- type», «back flow»/«no-back flow» et déplacement «stable/instable». Nous décrivons les effets du rapport de viscosité des fluides, de la flottabilité, de la contrainte d’écoulement et de l’inclinaison du canal sur les régimes d’écoulement susmentionnés. / Displacement flows frequently occur in natural and industrial applications. Although Newtonian displacements have been considered in a wide range of theoretical and experimental studies in the recent decades, a considerable number of practical fluids exhibit viscoplastic features, making it hard to predict the flow behaviors. Viscoplastic displacement flows are generally controlled by a balance between a variety of forces, including viscous, buoyant, inertial, yield stress, etc., in addition to miscible and immiscible features. A competition between these forces may lead to exotic, unpredictable displacement flow behaviors. To provide a deep understanding of these flows, in this Ph.D. thesis we investigate the displacement flow of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid in a simple flow geometry, i.e., a narrow confined channel. In the first part of this thesis (Chapters 1-3), we experimentally study immiscible displacement flows of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid. In particular, we analyze the invasion of air into a Carbopol gel in a rectangular cross-section Hele-Shaw cell. This flow geometry is composed of two rigid parallel plates with a small gap. We study the results in terms of the displacement efficiency and morphology of the flow patterns. We demonstrate that the complex behaviors of the Carbopol gel, i.e., strong viscoplastic properties and weak viscoelastic properties, affect the displacement flow features. We then extend this study to the displacement of a Carbopol gel by silicon oil in order to consider the effects of wettability on the flow. We observe that a combination of viscoplastic behaviors and wettability exerts a significant impact on the displacement flow patterns, for which four different flow regimes are identified a capillary regime, a yield stress regime, a viscous regime and an elasto-inertial regime. Finally, we investigate the impacts of the cell cross-section aspect ratio on viscoplastic displacement flow features. In the second part of this thesis (Chapters 4-5), we numerically study miscible displacement flows of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid in a long 2D plane channel. For a heavy-light displacement, analyzing the displacement flow patterns as a function of various dimensionless parameters allows us to identify three distinct flow regimes center/slump-type, back/no-backflow and stable/unstable displacements. We describe the effects of the viscosity ratio of fluids, buoyancy, yield stress and channel inclination on the aforementioned flow regimes.

Dans ce travail, une méthode efficace est présentée pour la production de membranes composites planes à haute performance pour la séparation de gaz en utilisant une quantité limitée de solvant. En particulier, une série de polydiméthylsiloxane/polyéthylène de basse densité (PDMS/LDPE) a été produite en apposant une couche de PDMS active sur un support de LDPE microporeux produit par extrusion continue et lixiviation de sel et immersion dans l'eau chaude. La méthode proposée est simple et de faible coût car elle est basée sur des matériaux peu dispendieux (LDPE et PDMS) et utilise peu de solvant écologique (eau). En vue d'améliorer la performance et les propriétés des membranes composites, des particules de silice fumée traitée avec le triméthylsiloxy (TFS) ont été incorporées dans la couche de PDMS pour produire des membranes nano-composites PDMS-TFS/LDPE. Les membranes ont ensuite été caractérisées en termes de morphologie, de porosité et de distribution de tailles de pores, ainsi que les propriétés thermiques, mécaniques, de sorption et de perméation. Comme les caractéristiques de la membrane dépendent des conditions de mise en oeuvre, la production des membranes composites a été optimisée en fonction de différents revêtements, de la concentration en nanoparticules et de la concentration de la couche de revêtement. Les performances membranaires (perméabilité et sélectivité) ont été étudiées pour différentes conditions opératoires (température et pression) et les résultats ont montré que la membrane nano-composite PDMS-TFS10%/LDPE est appropriée pour différentes applications industrielles dans la séparation d'hydrocarbures supérieurs. / In this work, an efficient method with a limited amount of solvent use is presented to produce high-performance flat sheet composite membranes for gas separation. In particular, a series of polydimethylsiloxane/low-density polyethylene (PDMS/LDPE) membranes were produced by coating an active PDMS layer on a microporous LDPE support via continuous extrusion and salt leaching using immersion in hot water. The proposed method is simple and cost-effective since it is based on inexpensive materials (LDPE and PDMS) and uses a low amount of an environmentally friendly solvent (water). To improve the composite membranes performance and properties, trimethylsiloxy grafted fumed silica (TFS) particles were incorporated into the PDMS layer to produce PDMS-TFS/LDPE nano-composite membranes. The membranes were then characterized in terms of morphology, porosity and pore size distribution, as well as thermal, mechanical, sorption and permeation properties. Since the membrane properties depend on the processing conditions, the composite membranes production was optimized for a different number of coatings, nano-particles loading and coating concentration. Membrane performance (permeability and selectivity) was studied under different operating conditions (temperature and pressure), and the results showed that the PDMSTFS10%/ LDPE nano-composite membrane is highly suitable for different industrial applications of higher hydrocarbon separations.

La présente étude vise principalement à établir l'influence de paramètres comme la température (180-220°C), la vitesse des rotors (60 et 100 RPM), le type et la concentration de différents agents (estolide, ester di-hexa-décyl maléique, huiles paraffinique et aromatique) sur la dévulcanisation de la poudrette d'éthylène-propylènediène-monomère (EPDM) dans un mélangeur batch et dans une extrudeuse bi-vis. Les résultats montrent que les traitements peuvent conduire à un degré de dévulcanisation significatif (allant jusqu'à 88%) même sans l'ajout d'agent de dévulcanisation. Néanmoins, en fonction des conditions opératoires, il est possible aussi d'obtenir de la réticulation (valeur négative du degré de dévulcanisation) explicable par l'addition de l'agent de dévulcanisation à la chaîne principale ou par le bris préférentiel des liens dans les régions à plus faible densité de ponts de réticulation, ce qui a comme effet la formation des fragments à plus forte densité de réticulation. La deuxième étape du travail est l'étude des mélanges de poudrette avec un élastomère thermoplastique (TPO). Les propriétés mécaniques obtenues suggèrent que les interactions poudrette-agent de compatibilisation ou agent de compatibilisation-TPO ne sont pas fortes et peu nombreuses. Les résultats indiquent que l'éthylène-vinyle-acétate copolymère (EVA) est le meilleur agent de compatibilisation car il possède dans sa chaîne de nombreux groupes fonctionnels susceptibles d'interagir avec la poudrette et le TPO.

L'amélioration des propriétés hydrodynamiques des réacteurs chimiques est toujours un grand défi pour les ingénieurs en génie des procèdes. La réalisation d'expériences sur des réacteurs chimiques situés dans un champ magnétique inhomogène peut donner des informations importantes concernant les mécanismes des réactions chimiques ou les propriétés hydrodynamiques du système. Un champ magnétique inhomogène sera généré par un aimant solénoïdal à supraconductivité NbTi et appliqué à un réacteur chimique. Les directions de recherche sont: les propriétés magnéto hydrodynamiques des réacteurs situés dans le champ magnétique généré par le solénoïde (réalisation de conditions d'hypogravité ou de macrogravité), l'effet du champ magnétique sur les réponses catalytiques de certaines réactions sélectionnées et l'effet du champ magnétique sur l'écoulement du fluide pour les réacteurs a lit fixe. Le champ magnétique extérieur inhomogène exerce une force magnétique qui peut modifier la direction et la valeur de la force gravitationnelle.

L'application commerciale du glycérol a attiré l'attention de la communauté scientifique ces dernières années. Le glycérol formal, qui est produit par l'acétalisation du glycérol, est bénéfique en tant qu'additif pour carburant, en particulier pour les propriétés d’écoulement du biodiesel à basse température. Cependant, le processus réversible d'acétalisation est ralenti par la formation d'eau qui cause aussi une désactivation des catalyseurs acides. Dans ce travail une étude comparative de differents catalyseurs résistants à l’eau et incluant, Cs2.5H0.5PW12O40, AS-MES (acide arène sulfonique éthane-silice), zéolithe ZSM-5, H3PW12O40 en tant que modèle homogène et le catalyseur commercial Amberlyst -15 a été effectuée. De plus, une étude cinétique préliminaire a été réalisée dans un réacteur discontinu agité, étudiant l'influence de différents paramètres, tels que la température, la composition de l'alimentation et la charge de catalyseur. Un des isomères du glycérol formal, le 1,3 dioxan-5ol pourrait être transformé en 1,3-propanediol. Par conséquent, la distribution des deux isomères d'acétal de glycérol a été étudiée systématiquement. Pour améliorer d’avantage l'activité du Cs2.5H0.5PW12O40 non-supporté dans l'acétalisation du glycérol, il a été déposé sur de la silice mésoporeuse par une méthode d'imprégnation pour augmenter la surface de contact des réactifs et des sites acides. En outre, le Cs2.5H0.5PW12O40 supporté sur des silice mésoporeuse 2D (SBA-15) et 3D (KIT-6 et SBA-16) ont été comparées puisque le réseau poreux topologiques de le silice mésoporeuse avec une structure 3D facilite l'accès aux sites acides, tandis que les canaux longs 2D de SBA-15 peuvent entraîner des limitations au transport aux points de connexion des particules élémentaires. L'impact du volume de mésopores a également été étudié. Trouver une source d'aldéhyde appropriée est également crucial pour améliorer l'activité du catalyseur employé. Comme la solution de formaldéhyde contient de grandes quantités d'eau qui désactiveraient le catalyseur et favoriserait la réaction inverse, le paraformaldéhyde (une source solide de formaldéhyde sans eau) et l'acétone ont été étudiés afin de remplacer la solution de formaldéhyde. / The commercial application of glycerol has attracted attention of the scientific community in recent years. Glycerol formal, which is produced from glycerol acetalization, is beneficial as fuel additive especially for the low temperature properties of biodiesel. However, the acetalization process is hampered by formation of water which will reverse the reaction and deactivate the acid catalysts. Using water-resistant heterogeneous acid catalyst will be favorable for acetalization of glycerol. In this research work, a comparative study has been carried out using the water-tolerant Cs2.5H0.5PW12O40, AS-MES (arene sulfonic acid ethane-silica), zeolite ZSM-5, H3PW12O40 as a homogeneous model and the commercial catalyst Amberlyst-15. In addition, a preliminary kinetic study was performed in a batch stirred tank reactor, studying the influence of different process parameters including temperature, feed composition and catalyst loading. One of glycerol formal isomers, 1,3 dioxan-5ol may be postsynthetically modified into important chemical products such as 1,3-propanediol. Therefore, the distribution of the two glycerol acetal isomers has also been studied systematically. To further enhance the activity of bulk Cs2.5H0.5PW12O40 for glycerol acetalization, it was supported on mesoporous silica by incipient impregnation method to increase the contact area of reactants and acid sites. Besides, supported Cs2.5H0.5PW12O40 supported on 2D (SBA-15) and 3D (KIT-6 and SBA-16) pore lattice mesoporous silicas have been compared since the topological curvatures of mesoporous silica with 3D structure would reasonably provide good transportation channels to get facilitated access to acid sites, while 2D long channels of SBA-15 may yield transport limitations at the points of connections of elemental particles. The impact of mesopore volume on activity has also been studied. Finding an appropriate aldehyde source is also crucial to improve the activity of the catalyst used. Since formaldehyde solution contains large amount of water which would deactivate the catalyst and favor the reversibility of the reaction, paraformaldehyde (a solid water-free source of formaldehyde) and acetone were studied to replace formaldehyde solution.