Une biopile convertit l'énergie disponible dans un substrat biodégradable directement en électricité tout en diminuant sa demande chimique en oxygène (DCO). Ce projet de doctorat a évalué, à une échelle laboratoire, comment cette technologie pouvait être adaptée au traitement du lisier de porc. La construction d'une première génération de biopiles à compartiment unique a été réalisée. Différents supports de croissance bactérienne ont été essayés à l’intérieur du compartiment anodique pour augmenter la superficie sur laquelle les bactéries peuvent se développer et ainsi favoriser la production d’électricité. Parmi les différents supports bactériens utilisés au cours de ce projet, des granules de charbon activé se sont révélés être le meilleur choix. L’analyse des communautés microbiennes extraites des supports de croissance a révélé que seulement quelques genres bactériens provenant du lisier, notamment le genre Desulfuromonas, sont responsables des activités électriques d’une biopile alimentée avec cet effluent d’élevage. Les mécanismes de transfert des électrons entre les bactéries et l’anode s’expliquent essentiellement par la formation d’un cycle de soufre interne dans les biopiles. Après avoir constaté l’empoisonnement de la cathode dans les biopiles à compartiment unique, les travaux se sont poursuivis en réalisant des biopiles à compartiment double. Par souci de rentabilité pour les futures biopiles commerciales, des cathodes maisons à base d’acier inoxydable plaqué par galvanoplastie avec du platine ont été développées. De même, pour augmenter le potentiel des biopiles, du peroxyde d’hydrogène a été retenu comme milieu oxydant dans le compartiment cathodique. Ces biopiles ont fourni en service continu une sortie de puissance volumique moyenne de 63 W•m-3, ce qui figure parmi les meilleurs résultats présentés à date dans la littérature avec une eau usée comme carburant. Les essais réalisés avec ces biopiles ont permis d'observer un abattement de la DCO de 60 %. De plus, les odeurs dégagées par un lisier traité dans une biopile sont, en moyenne, huit fois moins intenses que celles émises par un lisier brut et on note qu’un lisier traité contient dix fois moins de bactéries pathogènes qu’un lisier brut. / Microbial fuel cell (MFC) is a new green technology that converts energy available in a bio-convertible substrate directly into electricity while decreasing its chemical oxygen demand (COD). As MFC seemed to be very promising, this Ph.D. project was devoted to investigate, at laboratory scale, how this technology could perform if swine liquid manure was used as fuel. A first generation, single chamber MFC (SCMFC), has been designed. Various support media were brought into SCMFCs anodic chamber to increase surface area on which bacteria may grow. Through this project, best electrical results were achieved using activated coal pellets as bacterium support medium. Bacterial communities extracted from selected support media were analyzed. These analyzes revealed that only few bacterium genera coming from raw liquid manure are responsible for electrical activities and Desulfuromonas genera was particularly involved in the process. With these bacteria, an internal sulphur cycle is involved to explain electron transfer mechanisms. While platinum based electrode was used as cathode in SCMFC, electrode poisoning yielded only weak power outputs. To overcome this problem, dual-chamber MFCs (DCMFC) were designed. Economical concerns for future commercial DCMFCs led to development of cathodes built around stainless steel wire meshes electro-plated with platinum. In addition, to increase DCMFC potential, hydrogen peroxide solution was retained as oxidizing medium in cathodic chamber. In continuous operation, 63 W•m-3 power output was provided with these 350 mL capacity DCMFCs, which appears to be among best results presented so far in literature with waste water as fuel. Tests carried out with these DCMFCs showed COD reduction of 60 %. Moreover, treated liquid manure odour emissions are, on average, 8 times weaker than those released by raw liquid manure. Finally, it was noted that treated liquid manure contained 10 times less pathogenic bacteria than raw liquid manure.

Pour déchiffrer le rôle de minerais sulfureux sur la cyanuration de l’or, une étude détaillée sur l’importance relative des phénomènes de passivation (PP) et d’interactions galvaniques (IG) a été menée dans le présent travail de thèse. Une électrode tournante à disque (RDE) Au/Ag plongée successivement dans une série de pulpes préparées à partir d’une large gamme de sulfures métalliques a révélé l’impact négatif de ces derniers sur la lixiviation de l’or. Puisque les contacts galvaniques permanents entre électrode tournante à disque d’or (RDE) et suspensions de minerais sulfureux sont difficiles à mettre en œuvre, les tests standards de cyanuration réalisés en mode RDE/slurry ont plutôt tendance à surestimer l’importance des PP sur l’effet aidant des IG, intrinsèquement présents dans les particules minérales. Ainsi, un nouveau réacteur électrochimique à lit fixe (PBER) a été développé et testé pour découpler et quantifier les contributions individuelles des PP et d’IG sur la lixiviation de métaux précieux (or et argent, PM) lors de la cyanuration de minerais riches en sulfures. Le réacteur a été chargé de mélanges homogénéisés, de sulfures et de poudres d’or et d’argent, où y sont établis les contacts galvaniques permanents à l’échelle inter-particulaire entre tous les constituants. Les IG améliorent, à des degrés variables, la lixiviation des métaux précieux, particulièrement celles dues à la pyrite, à la chalcopyrite et à un minerai industriel ont été tellement positives qu’elles l’emportent largement sur les effets négatifs dus aux PP. L’extension de la nouvelle approche du PBER pour prendre en considération les caractéristiques minéralogiques de plusieurs systèmes multi-minéraux a montré que les IG Au- sulfures ont été le paramètre le plus important contrôlant la lixiviation de l’or. Finalement, plusieurs stratégies ont été testées pour améliorer la cinétique de cyanuration de l’or en présence de sulfures inhibiteurs. La galène neutralise largement l’effet négatif de la dissolution des minéraux sulfureux sur la lixiviation de l’or. Des tests de pré-oxydation menés sur des sulfures individuels puis sur leurs mélanges associés ont montré que les IG sulfure-sulfure se produisant lors de l’étape de pré-oxydation au sien du mélange peuvent donner lieu à des résultats totalement différents pendant la cyanuration. / To elucidate the role of sulfide ores on gold cyanidation, a detailed study on the relative importance of passivation phenomena (PP) and galvanic interactions (GI) was carried out in the present thesis work. A Rotating Disc Electrode (RDE) Au/Ag disc immersed successively in slurries of a wide range of sulfide rich ores emphasized the negative impact of sulfide minerals on the gold leaching rate. Because permanent GI between gold RDE and slurried sulfide-rich ores are uneasy to achieve, the standard gold RDE/slurry cyanidation arrangement has a tendency to inflate overly the importance of PP over the corrective trend of GI inherently present within the ore grains. A new packed-bed electrochemical reactor (PBER) was thus developed and tested to decouple and quantify the individual contributions of PP and GI on precious metal (gold and silver, PM) leaching rates during cyanidation of sulfidic ores. The PBER was filled with mixtures of sulfide minerals, gold and silver powders, where permanent (inter)particle-particle electrical contacts were ensured among all constituents. GI were found to ameliorate, to various degrees, the leaching of PM, particularly those due to pyrite, chalcopyrite and an industrial ore were so positive that they largely outweighed the negative impact of PM passivation. Extending the new PBER approach to consider the mineralogical characteristics of several multi-mineral systems indicated that GI between gold and sulfide mineral particles were the most important parameters affecting gold leaching. Several leveraging strategies were tested to increase gold cyanidation kinetics in the presence of PM-leaching inhibiting sulfide minerals. Galena was found to largely neutralize the negative effect of sulfide minerals dissolution on gold leaching. Pre-oxidation tested on individual sulfide minerals and on their associated mixtures revealed that GI occurring between conducting phases present in the ore may give rise to totally different cyanidation responses.

Une alternative intéressante pour la capture du dioxyde de carbone réside dans l'utilisation de l'anhydrase carbonique pour produire du bicarbonate. Un des goulots d'étranglement du procédé se situe au niveau de la quantité élevée d'enzyme nécessaire. Pour résoudre ce problème, un système d'expression inductible d'anhydrase carbonique humaine de type II utilisant Pichia pastoris (P. pastoris) a été développé, ce qui permettrait éventuellement une production intégrée à moindre coût de l'enzyme. Les cinétiques de croissance et de production du nouveau système d'expression ont été caractérisées par le moyen de cultures en bioréacteur complètement automatisé. Deux constructions ont été sélectionnées et comparées dans cette étude. Une production de l'ordre du gramme d'enzyme par litre, purifiée selon deux étapes simples (clarification et concentration) a été obtenue. Le coût du milligramme de protéine obtenue est estimé à moins d'un dollar.

Le contrôle de la taille et de la morphologie de nanocristaux d’oxydes métalliques simples, d’oxydes mixtes et d’oxydes métalliques hybrides est un sujet de grand intérêt. La dépendance de leur propriétés physio-chimiques avec leurs taille et morphologies, génèrent une variété de leur applications dans plusieurs domaines. Cependant, le dévellopement des nanocristaux en controllant la taille, la forme, l’assemblage et l’homogénéité de la composition chimique pour l’optimisation de propriété spécifiques demandent la combinaison de nombreux parametres de synthèse. Les trois différentes approches ont été développées dans le cadre de la thèse pour la synthèse d’une variété de nouveaux nanomatériaux d’oxydes simples, d’oxydes mixtes et d’oxydes métalliques hybrides dont la taille et la forme ont été bien controllées. Ces méthodes ont été nommées comme des méthodes solvo-hydrothermiques assistées par des molécules structurantes à l’état monophasique (eau ou eau/éthanol) et à l’état biphasique (eau-toluène). Nos approches de synthèse ont permi de préparer des nanocristaux des oxydes de métaux de transition (V, Cr, Mn, Co, Ni, In), et des terres rares (Sm, Ce, La, Gd, Er, Ti, Y, Zr), ainsi que des oxydes métalliques mixtes (tungstate, orthovanadate, molybdate). Ces nanomatériaux sont sous forme colloïdale mono-dispersée qui présente une cristallinité élevée. La taille et la forme de tels nanocristaux peuvent facilement être contrôlées par une simple variation des paramètres de synthèse telle que la concentration de précurseurs, la nature de la molécule structurante, la température et le temps de réaction. A large variété de techniques a été utilisée pour la caracterisation de ces nanomatériaux telles que TEM/HRTEM, SEM, SAED, EDS, XRD, XPS, FTIR, TGA-DTA, UV-vis, photoluminescence, BET. Les propriétés catalytiques de ces matériaux ont aussi été étudiées. Dans ce travail, le contrôle de la cinétique de croissance des nucléides ainsi que le mécanisme gouvernant la forme qui conduit à la taille et la morphologie finale du nanocrystal ont été proposé. L’effet de la taille et de la forme des nanoparticules d’oxyde métallique hybrides sur les propriétés catalytiques pour la réaction d’oxydation du CO et la photo-dégradation du bleue de méthylène a été aussi étudié. Car les catalyseurs existant actuellement à base de métaux nobles sont très couteux et en plus très sensibles à l’empoisonnement par le gas H2S ou les émissions polluantes de SOx. L’activité catalytique des nanocristaux d’oxydes métallique hybrides Cu@CeO2 de formes cubiques dans l’oxydation de CO et de Ag@TiO2 de formes de ceinture dans la photo dégradation du bleue de méthylène ont montré la dépendance de la taille et la forme des nanocristaux avec leur propriétés catalytiques. / The ability to finely control the size and shape of metal oxide, mixed metal oxide, hybrid metal/oxide nanocrystals has become an area of great interest, as many of their physical and chemical properties are highly dependent on morphology, and the more technological applications will be possible for their use. Large-scale synthesis of such high-quality nanocrystals is the first and key step to this area of science. A tremendous effort has recently been spent in attempt to control these novel properties through manipulation of size, shape, structure, and composition. Flexibly nanocrystal size/shape control for both monodisperse single and multiple-oxide nanomaterial systems, however, remains largely empirical and still presents a great challenge. In this dissertation, new synthetic approaches have been developed and described for the synthetic design of a series of colloidal monodisperse metal oxide, mixed metal oxide, hybrid metal-oxide nanocrystals with controlled size and shape. These materials were generally characterized using TEM/HRTEM, SEM, SAED, EDS, XRD, XPS, FTIR, TGA-DTA, UV-vis, photoluminescence, BET techniques. Effect of the size and shape of these obtained hybrid metal-oxide nanocrystals on the catalytic properties is illustrated. We have developed three different new surfactant-assistant pathways for the large-scale synthesis of three types of nanomaterials including metal oxide, mixed metal oxide, hybrid noble-metal-oxide colloidal monodisperse nanocrystals. Namely, the solvo-hydrothermal surfactant-assisted methods in one-phase (water or water/ethanol) and two-phase (water-toluene) systems were used for the synthesis of metal oxide (transition metal-V, Cr, Mn, Co, Ni, In and rare earth-Sm, Ce, La, Gd, Er, Ti, Y, Zr) and mixed metal oxide (tungstate, orthovanadate, molybdate). The seed-media growth with the assistant of bifunctional surfactant was used for the synthesis of hybrid noble metal@oxide (Ag@TiO2, (Cu or Ag)@CeO2, Au/tungstate, Ag/molybdate, etc.) nanocrystals. A significant feature of our synthetic approaches was pointed out that most resulting nanocrystal products are monodisperse, high crystallinity, uniform shape, and narrow distribution. The size and shape of such nanocrystals can be controlled easily by simple tuning the reaction parameters such as the concentration of precursors and surfactants, the nature of surfactant, the temperature and time of synthetic reaction. The prepared nanocrystals with the functional surface were used as the building blocks for the self-assembly into hierarchical mesocrystal microspheres. The effective ways how to control the growth kinetics of the nuclei and the shape-guiding mechanisms leading to the manipulation of morphology of final products were proposed. Our current approaches have several conveniences including used nontoxic and inexpensive reagents (most using inorganic metal salts as starting precursors instead of expensive and toxic metallic alkoxides or organometallics), relatively mild conditions, high-yield, and large-scale production; in some causes, water or ethanol was used as environmentally benign reaction solvent. Catalytic activity and selectivity are governed by the nature of the catalyst surface, making shaped nanocrystals ideal substrates for understanding the influence of surface structure on heterogeneous catalysis at the nanoscale. Finally, this work was concentrated on demonstration of heterogeneous catalytic activity of hybrid metal-oxide nanomaterials (Cu@CeO2, Ag@TiO2) as a typical example. We synthesized the high-crystalline titanium oxide and cerium oxide nanocrystals with control over their shape and surface chemistry in high yield via the aqueous surfactant-assist method. The novel hybrid metal-oxide nanocrystals were produced by the depositing noble metal ion (Cu, Ag, Au) precursors on the pre-synthesized oxide seeds via seed-mediated growth. The catalytic activity of these metal-oxide nanohybrids of Cu@CeO2 nanocubes for CO oxidation conversion and Ag@TiO2 nanobelts for Methylene Blue photodegradation with size/shape-dependent properties were verified.

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.

L'aluminium est fabriqué par un procédé électrolytique. La réaction consomme des anodes de carbone dont la qualité a une grande influence sur l’opération optimale du procédé. Cependant, leurs propriétés sont mesurées hebdomadairement sur moins de 1% de la production. L'objectif de ce projet est d'améliorer le contrôle de la qualité du procédé de fabrication des anodes par la prédiction de leurs propriétés. Une méthode de régression multivariée appelée projection sur structures latentes est utilisée pour relier les propriétés des matières premières et les paramètres d’opération du procédé aux propriétés des anodes cuites recueillies à l'Aluminerie Alcoa de Deschambault. Plusieurs modèles sont étudiés pour les propriétés physiques et la réactivité aux gaz qui expliquent 20% à 68% des variations de celles-ci. Considérant le niveau de bruit élevé des données industrielles, il est jugé qu’une portion significative de la variabilité est modélisée. De plus, l’interprétation de ces modèles est cohérente par rapport aux connaissances du procédé. / Aluminum is manufactured by an electrolytic process. The reaction consumes carbon anodes. Anode quality has a great influence on the optimal operation of the reduction process. However, their properties are poorly characterized by weekly averages of anode sample laboratory analyses. The goal of this thesis is to improve quality control at the baked anode manufacturing plant by predicting anode properties. A multivariate latent variable regression method called Projection to Latent Structure (PLS) is used to relate the raw material and the manufacturing process data to the baked anode properties collected at the Alcoa Deschambault smelter. Several models are investigated for physical properties and gas reactivity. From 27% to 68% of the physical properties variance and 20% to 49% of the reactivity variations are captured. The models explained a significant amount of variability, considering that industrial data is typically very noisy. The interpretation of the models was found in agreement with process knowledge.

Une des solutions à la capture verte du CO2 pour les gaz de précombustion (H2/CO2) consiste à les faire réagir avec des roches reconnues pour leur haute teneur en oxyde de magnésium. Le chrysotile contenant 43%m. de MgO est donc un candidat de choix pour ce type de réaction. Toutefois, la carbonatation de ce silicate magnésien est faible à pression atmosphérique en raison de sa structure cristalline exiguë pour le CO2. Les expérimentations effectuées dans ce mémoire visent à comparer la carbonatation du chrysotile de la région de Thetford Mines et de sa forme déshydroxylée (métachrysotile). Ces deux formes seront étudiées dans des gaz de CO2 pur, de CO2 humide (CO2, H2O) et de précombustion (CO2, H2O, H2). Les expérimentations de carbonatation ont été conduites dans un réacteur à lit fixe à des températures allant de 100°C à 200°C et à 32 bar de pression dans le but de rappeler les conditions de précombustion. La quantité de CO2 fixée a été analysée par détection infrarouge du CO2 suite à la calcination des échantillons. Pour confirmer ces résultats, des calcinations sous thermogravimètre couplé à un QMS et un détecteur IR de CO2 ont été effectuées. Ces résultats montrent un optimum à 1 bar de vapeur et 30 bar de CO2 à 130°C pour le métachrysotile, à cette condition un taux de carbonatation de 70% a été enregistré. Toujours pour le métachrysotile, la carbonatation en condition de précombustion (7 bar de vapeur, 15 bar d'hydrogène et 10 bar de CO2 à 200°C) montre un taux de carbonatation de 23%. Les taux de carbonatation pour le chrysotile ne dépassent guère 9% dans ces mêmes conditions. Des analyses XRPD et XPS ont également été effectuées pour identifier la nature des carbonates formés. Finalement, les impacts de la vapeur et de l'hydrogène sur la structure du chrysotile et du métachrysotile ont été étudiés en détail.

Ce travail doctoral présente différentes voies de recherches pour l'élaboration d'un catalyseur hétérogène bifonctionnel favorisant la production des acides linoléiques conjugués (ALC) bénéfiques pour la santé humaine, aux dépens des acides gras trans (AG/) et saturés (AGs) néfastes, au cours du procédé d'hydrogénation/isomérisation de l'huile de carthame. De tous les catalyseurs à base de cristallites de métaux très dispersées sur la silice mesoporeuse SBA-15, modifiée ou non avec l'aluminium, qui ont été synthétisés et testés pour l'hydrogénation/isomérisation de l'huile de carthame, le catalyseur 1%Rh/SBA-15 s'avère être le plus actif et optimise la production des ALC sous des conditions opératoires douces de transfert de matière gaz/liquide/solide. L'huile partiellement hydrogénée contient 73 mg ALC/g huile et moins de 2% AGt mono-insaturés. L'addition de 1 ppm de soufre permet de doubler la production à 131 mg ALC/g huile avec 8% AGr mono-insaturés. Un mécanisme réactionnel est proposé pour décrire les effets positifs du soufre sur l'activité d'isomérisation de conjugaison de 1%Rh/SBA-15.

L'étude expérimentale développée dans ce travail s'articule autour de deux phases principales. La première est la conception d'un système nanocomposite dont les éléments constituants ont été choisis judicieusement en vue d'améliorer ses performances. Le système proposé appartient à la famille des matériaux nanocomposites. Ce système est constitué d'une matrice polymère renforcée par des éléments argileux. Une étude expérimentale a été menée afin d'optimiser le choix de la matrice polymère. En effet, il a été trouvé démontré que lorsque le PDMS est greffé par des radicaux époxydes, sa compatibilité avec la Cloisite C30B devient nettement meilleure. Au niveau de cette même phase, une autre étude expérimentale a été entreprise afin de suivre l'évolution de la structure du mélange en fonction du taux de renfort. En effet, un taux de 2% de la C30B a été jugé approprié pour améliorer les performances du système étudié. Cette première phase du projet a donc abouti à la conception d'un système nanocomposite dit PDMS-Epoxyde/2%C30B. La deuxième phase du présent travail porte sur l'évaluation de l'effet des différents facteurs de cisaillement sur les phénomènes de dispersion-distribution des nanoparticules de Cloisite C30B au sein su polydiméthylsiloxane-epoxyde. Trois facteurs ont été retenus pour cette étude. Le premier étant l'effet du taux de cisaillement "la contrainte de cisaillement" sur l'efficacité du processus d'exfoliation des nanoparticules d'argile dans la matrice polymère. Selon les résultats obtenus, un taux de cisaillement adéquat favorise F intercalation et l'exfoliation mais à un degré assez limité. Cependant, sous l'effet de la déformation, il a été démontré que la qualité de la dispersion /distribution des lamelles d'argile dans la matrice polymère est meilleure que celle obtenue dans le premier cas. Le dernier élément de l'étude expérimentale développée dans le cadre de cette thèse stipule que l'effet de la diffusion moléculaire des chaînes du polymère sur la dispersion-distribution des lamelles d'argile d'une façon individuelle au sein du volume matriciel, sans apport du cisaillement, permet également d'atteindre un niveau avancé d'exfoliation-percolation.

Dans ce travail, on développe plusieurs méthodes de mesure en ligne et non-intrusives basées sur l'utilisation de la méthode de traitement d'images et qui visent à quantifier la qualité du mélange: matrices de co-occurrence des niveaux de gris (GLCM), méthode de seuillage (tons de gris) et la méthode de couleur RGB. Cette qualité de mélange peut être atteinte en jouant sur des aspects dynamiques liés aux mécanismes qui président la mise en mouvement des particules. Ces mécanismes sont le fait, non seulement des propriétés d'écoulement des particules, mais aussi des conditions d'opération du mélangeur. Ceci a été confirmé par une étude comparative de l'état de mélange de plusieurs milieux granulaires (polymère, verre et bois) tout en se basant sur l'effet de la taille des particules, du nombre de Froude, de la charge de remplissage du mélangeur, de la concentration des constituants et par l'effet de la forme et de l'état de surface des particules selon le coefficient de frottement et la densité des particules. La ségrégation axiale a aussi été abordée en déterminant l'effet du rapport des diamètres des particules, la concentration des petites particules, la longueur du cylindre et son diamètre. Finalement, des modèles sont proposés afin de suivre le comportement du mélange en fonction du temps.