L’objectif du présent projet est de développer une méthodologie pour la modélisation fondamentale de procédés de polymérisation en émulsion sans tensioactif stabilisés par des particules inorganiques, dénommées "polymérisation en émulsion Pickering". La modélisation des systèmes de polymérisation en émulsion nécessite la modélisation de la distribution de taille des particules (PSD), qui est une propriété importante d'utilisation finale du latex. Cette PSD comprend des sous-modèles dédiés à la nucléation des particules, le transfert de masse entre les différentes phases (monomère, radicaux, stabilisant) et la coagulation des particules. Ces modèles devraient de préférence être validés expérimentalement de manière individuelle. La première partie principale du travail est consacrée à l'étude expérimentale. Cette partie peut être divisée en trois parties. La première partie décrit l'adsorption de particules inorganiques sur le polymère sans réaction. Une adsorption multicouche a été observée et l’isotherme B.E.T. a été capable de décrire cette adsorption. L'adsorption se révèle être plus importante pour une force ionique plus élevée. La dynamique d'adsorption semple être rapide et par conséquent le partage peut être considéré à l'équilibre pendant la polymérisation. La deuxième partie concerne l'étude de différents paramètres de réaction sur le nombre de particules et la vitesse de réaction dans des polymérisations ab initio. L'effet du mélange, de la concentration initiale des monomères et de la concentration de l'initiateur a été étudié. L'optimisation de ces conditions a été utile pour la partie de modélisation. La dernière partie décrit les différences entre plusieurs Laponite® à travers la polymérisation en émulsion ab initio du styrène.La deuxième partie principale du manuscrit a porté sur la modélisation de la polymérisation en émulsion Pickering. Le modèle de bilan de population et le nombre moyen de radicaux par particule ont été calculés en fonction de l'effet des particules organiques. La croissance des particules de polymère a été optimisée en ajustant les modèles d'entrée et de désorption des radicaux décrits dans la littérature aux données expérimentales. Aucune modification n'a été nécessaire, ce qui nous a permis de conclure que l'argile n'avait aucune influence sur l'échange radical. Cependant, la stabilisation joue un rôle important dans la production de particules de polymère. Le modèle de nucléation coagulante a été capable de décrire le taux de nucléation et de prédire le nombre total de particules / The aim of the present project is to develop a methodology for fundamental modeling of surfactant-free emulsion polymerization processes stabilized by inorganic particles, referred to as “Pickering emulsion polymerization”. Modeling emulsion polymerization systems requires modeling the particle size distribution (PSD), which is an important end-use property of the latex. This PSD includes submodels dedicated to particle nucleation, mass transfer between the different phases (monomer, radicals, stabilizer), and particle coagulation. These models should preferably be individually identified and validated experimentally. The first main part of the work is dedicated to the experimental study. This part can be divided in three parts. The first part describes the adsorption of inorganic particles on polymer without reaction. Multilayer adsorption was observed and B.E.T. isotherm was able to describe this adsorption. The adsorption was found to be enhanced at higher ionic strength. The adsorption dynamics were found fast and therefore clay partitioning can be considered at equilibrium during polymerization. The second part concerned the investigation of different reaction parameters on the particles number and reaction rate in ab initio polymerizations. The effect of mixing, initial monomer concentration and initiator concentration were considered. Optimization of these conditions was useful for the modeling part. The last part described the differences between several LaponiteR_ grades through the ab initio emulsion polymerization of styrene. The second main part of the manuscript focused on the modeling of the Pickering emulsion polymerization. The population balance model and average number of radicals balance were adapted regarding the effect of inxi organic particles. The growth of the polymer particles was optimized by fitting the models of radicals’ entry and desorption described available in literature to the experimental data. No modification was needed, which allowed us to conclude that the clay had no influence on radical exchange. However, LaponiteR_ stabilization played an important role in polymer particles production. Coagulative nucleation model was able to describe the nucleation rate and predict the total number of particles

L'objectif de ce travail est d'optimiser le prétraitement de boues par des ultrasons de puissance (US) à basses fréquences, et en particulier d‘étudier pour la première fois des améliorations possibles en modifiant la pression hydrostatique, et la fréquence jusqu’à l’audible. Après un examen préliminaire des conditions du procédé (conditionnement des boues, type de boues, alcalinisation préalable, contrôle de la température), les effets des paramètres ultrasonores (puissance, intensité, énergie spécifique, fréquence) et de la pression hydrostatique ont été spécifiquement étudiés, séparément et simultanément, d’abord à température constante (28°C), puis sans refroidissement. On a ainsi vérifié que l’énergie spécifique joue un rôle clé dans la désintégration des boues sous US (i.e. solubilisation de la matière organique) et que l'élévation de température pendant la sonication adiabatique est bénéfique grâce aux effets combinés d’hydrolyse thermique et de cavitation. Pour une énergie spécifique donnée, une faible fréquence (12 kHz contre 20 kHz) et une haute puissance améliorent la solubilisation de la matière organique grâce à une cavitation plus violente, tandis qu’on observe un optimum de pression hydrostatique en raison de ses effets opposés sur le seuil et l'intensité de la cavitation. Un résultat important est que la pression optimale dépend de l’intensité ultrasonore et du profil de température, mais pas de l’énergie spécifique, ni de la fréquence, ni du type de boues. Après avoir fixé les conditions les plus favorables (soit 12 kHz, 360 W, 28 gTS/L et conditions adiabatiques), l‘optimisation finale a fourni la pression de travail (3,25 bar) et les paramètres du mode séquentiel (US ON/OFF, permettant d‘éviter de hautes températures qui amortissement l‘intensité de la cavitation et peuvent endommager le transducteur). Ces conditions ont permis d‘atteindre un rendement d’extraction de la DCO très élevé, mais n’améliorent que faiblement le rendement ultérieur de méthanisation. / The objective of this work is to optimize high-power low-frequency sonication (US) pretreatment of sludge, and especially to investigate for the first time possible improvements by higher pressure and audible frequency. After a preliminary examination of regular process conditions (sludge conditioning, sludge type, prior alkalization, temperature control, etc.), effects of US parameters (power -PUS, intensity -IUS, specific energy input -ES, frequency -FS, etc.) and of hydrostatic pressure (Ph) were specifically looked into, separately and in combination, first under cooling at constant temperature (28°C), then under the progressive temperature rise provoked by sonication. First, it was confirmed that specific energy input (ES) plays a key role in sludge US disintegration (i.e. solubilisation of organic matter) and that temperature rise during adiabatic-like sonication is beneficial through additional effects of thermal hydrolysis and cavitation. At a given ES value, low FS (12 kHz vs. 20 kHz) and high PUS enhance soluble chemical oxygen demand (SCOD) due to more violent cavitation, while hydrostatic pressure gives rise to an optimum value due to its opposite effects on cavitation threshold and intensity. One major result is that optimal pressure depends on IUS (PUS) as well as temperature profile, but not on ES, FS, nor sludge type. Setting the other parameters at the most favorable conditions expected, i.e. 12 kHz, 360 W , 28 gTS/L, and adiabatic conditions, final optimization was achieved by searching for this pressure optimum and examining sequential procedure to avoid too high temperature dampening cavitation intensity and damaging the transducer. Such conditions with sequential mode and Ph of 3.25 bar being selected succeeded in achieving very high SCOD, but only marginally improved subsequent methanization yield.

Cette thèse se positionne dans le domaine des batteries lithium-ion. Elle a pourobjectif de mieux comprendre le fonctionnement de l’électrode négative de graphiteen étudiant le processus de formation du film de passivation, couramment appeléSEI (Solid Electrolyte Interface) créé à l’interface avec l’électrolyte. Ce travail nousa conduit à proposer des modèles pouvant expliquer comment se forme la SEI et àidentifier les phénomènes qui entrent en jeu dans le fonctionnement de la batterie.La SEI résulte de la réaction entre l’électrode de graphite, les ions lithium et les moléculesorganiques de l’électrolyte qui survient lors du premier processus d’insertion.Elle est principalement composée des produits de décomposition de l’électrolyte etles ions lithium consommés ne sont plus échangeables. Elle est donc responsable dela capacité irréversible observée lors du premier cycle de formation, correspondantà la différence de capacité entre le processus d’insertion et le processus de désinsertion.Il est donc essentiel de mieux comprendre les paramètres qui l’influencentpour pouvoir ainsi la contrôler et limiter la perte irréversible de capacité. Les performancesen capacité de l’élément lithium-ion sont directement liées à cette valeurde capacité irréversible, elle doit être limitée afin de maximiser la quantité d’ionslithium échangée entre l’électrode négative et l’électrode positive. La stabilité dela SEI conditionne ensuite le comportement en cyclage de l’électrode au cours dutemps.Dans ce mémoire de thèse, nous avons choisi de caractériser le comportement del’électrode de graphite en faisant varier la nature de l’électrolyte et la taille desparticules de graphite tout en restant le plus proche possible du fonctionnementd’une vraie batterie. Au travers des techniques de caractérisations électrochimiques(cyclage galvanostatique, spectroscopie d’impédance) associées à des techniques decaractérisation de surface (spectroscopie de photoélectrons X, microscopie électroniqueà balayage), les résultats obtenus ont permis de proposer un nouveau modèlede formation de la SEI.Pour l’électrolyte, nous avons choisi de ne regarder que l’effet du solvant (le carbonatede propylène) et de l’additif (le carbonate de vinylène). Ces deux composésentrent dans la composition des électrolytes utilisés dans les éléments lithium-ioncommerciaux. Pour l’électrode de graphite, le choix des particules s’avère primordialpuisque chaque type de particules possède une chimie de surface spécifique (plans223basaux ou plans prismatiques) susceptible de réagir différemment vis-à-vis de l’électrolyte.Deux particules de graphite, de taille et de morphologie différentes, ont étéétudiées. Elles sont utilisées séparément en tant que matière active dans les électrodesnégatives des batteries lithium-ion. Notre spécificité est d’avoir préparé desélectrodes constituées par un mélange de ces deux particules et de les avoir ensuitecaractérisées en formation. L’application de conditions de fonctionnement différentescomme le régime de cyclage et la température d’essai ont mis en évidence les valeursidéales conduisant à minimiser la dégradation de l’électrolyte et à optimiser laqualité du film.Nous avons abouti, au travers de l’ensemble des méthodes de caractérisations misesen oeuvre, à une meilleure compréhension des mécanismes de formation du film depassivation permettant ainsi d’améliorer cette étape essentielle à la pérennité desperformances de l’électrode dans le temps. Ce travail a donc un réel impact auniveau industriel. Le modèle de formation proposé apporte un éclairage nouveau auprocessus de formation et peut permettre également d’aider en amont à la fabricationdes particules de graphite. / This work relates to the lithium ion battery field. The purpose of this study is tobetter understand the behavior of graphite electrodes by focusing on the formationof a passive layer named Solid Electolyte Interface (SEI) which is formed at thegraphite/electrolyte interface. This work has led us to put forward models whichcan explain the SEI formation and identify the reactions which take place in alithium ion battery.The SEI results from reactions between graphite electrode, lithium ions and organicmolecules from the electrolyte during the first charge of the lithium ion battery. It ismainly composed of decomposition products from the electrolyte. Consumed lithiumions can no longer be used in the next cycle. The SEI is therefore responsible for theirreversible capacity during the first formation cycle which is the charge loss betweenthe intercalation process and the deintercalation process. It is necessary to betterunderstand the impact of the formation conditions and other parameters in orderto control and limit the irreversible charge loss. Lithium ion battery performancesdepend on this irreversible capacity, this value has to be reduced in order to maximizethe amount of exchanged lithium ions between negative and positive electrodes. TheSEI stability will determine the electrode behavior upon cycling.In this thesis, we chose to study the graphite behavior by testing several electrolytecompositions and graphite particle sizes in electrochemical cells similar to areal battery. Electrochemical techniques (galvanostatic cycling and electrochemicalimpedance spectroscopy) and surface analyses (X-ray photoelectron spectroscopy,scanning electron microscopy) will be combined. These results helped us to developa new model of the SEI formation.For the electrolyte, we chose to study the effect of the solvent (propylene carbonate)and the additive (vinylene carbonate). Both components are commonly used inthe electrolyte for commercial lithium ion batteries. For the graphite electrode, thechoice of graphite particles is essential because each graphite family has its ownsurface chemistry (basal and prismatic surfaces) which can react in many wayswith the electrolyte. Two graphite particles, with specific sizes and morphologiesare studied. They are separately used as active materials for negative electrodes inlithium ion batteries. Our unique approach is to prepare graphite electrodes basedon a mix of both particles with various compositions and then test the electrode225performances. After testing several formation conditions such as the cycling rateand the temperature, we found the ideal formation conditions for minimizing theelectrolyte decomposition and optimizing the film quality.Finally, based on all the characterization methods, we came to a better understandingof the film formation process. In this way, we have improved this essentialpreliminary step which can now lead to more durable cycling performances overtime. This study can have a major impact on the industrial level. The formationmodel cast a new light on the formation process and can therefore help to makeefficient graphite electrodes.