Im Gegensatz zu „festen Säuren“ sind „feste Basen“ wesentlich seltener Untersuchungsgegenstand in ihrer Anwendung als Katalysatoren in der heterogenen Katalyse. In der vorliegenden Promotionsarbeit wurden entgegen diesem Trend die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung basischer Oxide sowie modifizierter Oxide in ihrer Eignung als feste Basen in der Katalyse untersucht. Zu diesen Katalysatoren gehören MgO, hergestellt nach unterschiedlichen Methoden, Kalium modifiziertes ZrO2, calcinierte Mg-Al Hydrotalcite und ein neuartiges Katalysatorsystem auf der Basis von Mg(O,F)-Kompositionen, die zum ersten Mal nach einem Sol-Gel-Fluorierungsverfahren hergestellt wurden. Die Katalysatoren wurden mittels N2 Adsorptions/Desorptionsuntersuchungen (BET), XRD, FTIR, XPS, TG-DTA-DTG und MAS NMR untersucht. Die Säure-Basen-Eigenschaften der Katalysatoren wurden durch TPD, FTIR Spektroskopie und Mikrokalorimetrie charakterisiert und mit den katalytischen Eigenschaften korreliert. Calcinierte Mg-Al Hydrotalcite und Mg(O,F) waren in diesem Zusammenhang am stärksten aktiv und auch selektiv wie für die Flüssigphasenreaktion der Michael-Addition von CH aciden Verbindungen mit Methylvinylketon gezeigt wurde. / In contrast to solid acid catalysts, much fewer efforts have been made to study solid base catalysts. In this thesis, preparation, characterization and application of oxides and modified oxide as solid base catalysts were studied. The catalysts include MgO prepared by different methods, potassium-modified ZrO2, calcined Mg-Al hydrotalcites, and a novel catalyst system Mg(O,F), which was prepared by sol-gel method for the first time. The catalysts were studied by N2 adsorption/desorption measurement, XRD, FTIR, XPS, TG-DTA-DTG and NMR. Acid-base properties of the catalysts were investigated by TPD, FTIR spectroscopy and microcalorimetry to correlate with the catalytic behavior. Calcined Mg-Al hydrotalcite and Mg(O,F) are found to be highly active and selective catalysts for liquid-phase Michael additions of CH-acid compounds with methyl vinyl ketone.

Ao ser excitado do estado fundamental para o estado singlete excitado, o Pka do equilíbrio ácido-base das antocianinas apresenta um deslocamento de ca. 4 para ca. -1. Esta característica de superfotoácido, aliado à técnica de fotólise por pulso de laser, permite a perturbação da posição do equilíbrio ácido-base no estado fundamental. O acompanhamento da cinética de reestabelecimento do equilíbrio inicial, existente antes do pulso do laser, permite a determinação das constantes de desprotonação kd e protonação kp no estado fundamental. Este método foi aplicado para a determinação das constantes de protonação e desprotonação das seguintes antocianinas sintéticas e naturais: 4-metil-7-hidroxiflavílio (HMF), 4\', 7-dihidroxiflavílio (DHF), malvidina-3-glucosídeo (Oenina), malvidina-3,5-diglucosídeo (Malvina), pelargonidina-3,5-diglucosídeo (Pelargonina) e cianidina-3 ,5-diglucosídeo (Cianina). Assim, as constantes de desprotonação do estado fundamental são: kd = 1,4 x 106 s-1 (HMF), 3,1 x 106 s-1 (DHF), 5, 1 x 106 s-1 (Oenina), 3,8 x 106 s-1 (Malvina), 1,3 x 106 s-1 (Pelargonina) e 1,8 x 106 s-1 (Cianina). As constantes de protonação do estado fundamental são:kp = 3,56 x 1010 L mol-1 s-1 (HMF), 3,06 x 1010 L mol-1s-1 (DHF), 2,51 x 1010 L mol-1s-1 (Oenina), 2,9 x 1010 L mol-1s-1 (Malvina), 3,6 x 1010 L mol-1s-1 (Pelargonina) e 2,2 x 1010 L mol-1s-1 (Cianina). Nosso método é a única técnica que permite a determinação direta destas constantes. Este método também permite a determinação de kd e kp em meios micro-heterogêneos. Através de medidas de kd , foi possível provar que ocorre a estabilização do cátion flavílio de HMF em micelas aniônicas de SOS (dodecilsulfato de sódio). Em micelas não iônicas e catiônicas, por outro lado, ocorre a desestabilização do cátion flavílio, que se manifesta através do aparecimento de reatividade ausente em solução aquosa. Os resultados da aplicação deste método revelam ainda que o principal processo de dissipação da energia da luz, absorvida pelas antocianinas, é a transferência de próton no estado excitado e não a fluorescência. / Upon excitation from the ground state to the first excited singlet state, the pKa of the acid-base equilibrium of anthocyanins exhibits a large shift, from ca. 4 to ca. -1. This characteristic of super-photoacidity, coupled with the technique of laser flash photolysis, can be employed to perturb the position of the acid-base equilibrium in the ground state. Monitoring the kinetics of relaxation back to the initial equilibrium position that existed prior to the laser pulse permits determination of the rate constants for protonation (kp) and deprotonation (kd) in the ground state. This method was applied to the following natural and synthetic anthocyanins: 4-methyl-7-hydroxyflavylium (HMF); 4\', 7-dihydroxyflavylium (DHF); malvidine-3-glucoside (Oenin); malvidine-3,5-diglucoside (Malvin); Pelargonidine-3,5-diglucoside (Pelargonin); and. cyanidine-3,5-diglucoside (Cyanin). Thus, the ground state deprotonation rate constants (kd) for the acid form were found to be: 1.4 x 106 s-1 (HMF); 3.1 x 106 s-1 (DHF); 5.1 x 106 s-1 (Oenin); 3.8 x 106 s-1 (Malvin); 1.3 x 106 s-1 (Pelargonin); 1.8 x 106 s-1 (Cyanin). The corresponding rate constants for protonation of the ground state of the base (kp) were: 3.6 x 1010 M-1s-1 (HMF); 3.1 x 1010 M-1s-1 (DHF); 2.5 x 1010 M-1s-1 (Oenin); 2.9 x 1010M-1s-1 (Malvin); 3.6 x 1010 M-1s-1 (Pelargonin); 2.2 x 1010 s-1 (Cyanin). Our method is currently the only one that permits direct determination of these rate constants. This method also allows the determination of kpand kd in microheterogeneous media. Thus, employing measurements of kd, it was possible to demonstrate that anionic SDS (sodium dodecyl sulfate) micelles stabilize the flavylium cation form of HMF. In cationic and nonionic micelles, however, the flavylium cation is destabilized, which manifests itself via the appearance of reactivity that is absent in aqueous solution in the absence of these surfactants. Finally, the results of the application of this method show that the primary energy wasting process for radiant energy absorbed by anthocyanins is excited state proton transfer rather than fluorescence.

Ao ser excitado do estado fundamental para o estado singlete excitado, o Pka do equilíbrio ácido-base das antocianinas apresenta um deslocamento de ca. 4 para ca. -1. Esta característica de superfotoácido, aliado à técnica de fotólise por pulso de laser, permite a perturbação da posição do equilíbrio ácido-base no estado fundamental. O acompanhamento da cinética de reestabelecimento do equilíbrio inicial, existente antes do pulso do laser, permite a determinação das constantes de desprotonação kd e protonação kp no estado fundamental. Este método foi aplicado para a determinação das constantes de protonação e desprotonação das seguintes antocianinas sintéticas e naturais: 4-metil-7-hidroxiflavílio (HMF), 4\', 7-dihidroxiflavílio (DHF), malvidina-3-glucosídeo (Oenina), malvidina-3,5-diglucosídeo (Malvina), pelargonidina-3,5-diglucosídeo (Pelargonina) e cianidina-3 ,5-diglucosídeo (Cianina). Assim, as constantes de desprotonação do estado fundamental são: kd = 1,4 x 106 s-1 (HMF), 3,1 x 106 s-1 (DHF), 5, 1 x 106 s-1 (Oenina), 3,8 x 106 s-1 (Malvina), 1,3 x 106 s-1 (Pelargonina) e 1,8 x 106 s-1 (Cianina). As constantes de protonação do estado fundamental são:kp = 3,56 x 1010 L mol-1 s-1 (HMF), 3,06 x 1010 L mol-1s-1 (DHF), 2,51 x 1010 L mol-1s-1 (Oenina), 2,9 x 1010 L mol-1s-1 (Malvina), 3,6 x 1010 L mol-1s-1 (Pelargonina) e 2,2 x 1010 L mol-1s-1 (Cianina). Nosso método é a única técnica que permite a determinação direta destas constantes. Este método também permite a determinação de kd e kp em meios micro-heterogêneos. Através de medidas de kd , foi possível provar que ocorre a estabilização do cátion flavílio de HMF em micelas aniônicas de SOS (dodecilsulfato de sódio). Em micelas não iônicas e catiônicas, por outro lado, ocorre a desestabilização do cátion flavílio, que se manifesta através do aparecimento de reatividade ausente em solução aquosa. Os resultados da aplicação deste método revelam ainda que o principal processo de dissipação da energia da luz, absorvida pelas antocianinas, é a transferência de próton no estado excitado e não a fluorescência. / Upon excitation from the ground state to the first excited singlet state, the pKa of the acid-base equilibrium of anthocyanins exhibits a large shift, from ca. 4 to ca. -1. This characteristic of super-photoacidity, coupled with the technique of laser flash photolysis, can be employed to perturb the position of the acid-base equilibrium in the ground state. Monitoring the kinetics of relaxation back to the initial equilibrium position that existed prior to the laser pulse permits determination of the rate constants for protonation (kp) and deprotonation (kd) in the ground state. This method was applied to the following natural and synthetic anthocyanins: 4-methyl-7-hydroxyflavylium (HMF); 4\', 7-dihydroxyflavylium (DHF); malvidine-3-glucoside (Oenin); malvidine-3,5-diglucoside (Malvin); Pelargonidine-3,5-diglucoside (Pelargonin); and. cyanidine-3,5-diglucoside (Cyanin). Thus, the ground state deprotonation rate constants (kd) for the acid form were found to be: 1.4 x 106 s-1 (HMF); 3.1 x 106 s-1 (DHF); 5.1 x 106 s-1 (Oenin); 3.8 x 106 s-1 (Malvin); 1.3 x 106 s-1 (Pelargonin); 1.8 x 106 s-1 (Cyanin). The corresponding rate constants for protonation of the ground state of the base (kp) were: 3.6 x 1010 M-1s-1 (HMF); 3.1 x 1010 M-1s-1 (DHF); 2.5 x 1010 M-1s-1 (Oenin); 2.9 x 1010M-1s-1 (Malvin); 3.6 x 1010 M-1s-1 (Pelargonin); 2.2 x 1010 s-1 (Cyanin). Our method is currently the only one that permits direct determination of these rate constants. This method also allows the determination of kpand kd in microheterogeneous media. Thus, employing measurements of kd, it was possible to demonstrate that anionic SDS (sodium dodecyl sulfate) micelles stabilize the flavylium cation form of HMF. In cationic and nonionic micelles, however, the flavylium cation is destabilized, which manifests itself via the appearance of reactivity that is absent in aqueous solution in the absence of these surfactants. Finally, the results of the application of this method show that the primary energy wasting process for radiant energy absorbed by anthocyanins is excited state proton transfer rather than fluorescence.

Depuis le début de la période industrielle, les activités humaines ont généré une augmentation importante de la concentration atmosphérique en CO2. Une partie de ce CO2 s’accumule dans l’atmosphère, entraînant une augmentation de l’effet de serre naturel et de la température à la surface du globe. Ce processus est plus connu sous le terme réchauffement climatique ou global. De plus, environ 25 % du CO2 produit sont absorbés par les océans. La dissolution du CO2 dans l’eau de mer, entraîne une augmentation de la concentration en protons et en ions bicarbonates (HCO3-) et une diminution de la concentration en ions carbonates (CO32-). Il en résulte une diminution du pH et du taux de saturation de l’eau de mer vis-à-vis du carbonate de calcium. L’ensemble de ces processus est appelé acidification des océans (AO). Le pH des eaux de surface océaniques a déjà diminué de 0,1 unité depuis le début de l’ère industrielle. Ce phénomène devrait s’intensifier au cours du siècle. Selon les prévisions moyennes d’émissions futures de gaz à effet de serre de l’IPCC, la température moyenne des eaux de surface devrait augmenter de 2 à 4 °C et son pH devrait diminuer de 0,3 à 0,4 unité d’ici 2100.<p>Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses études ont mis en évidence l’impact négatif de l’AO sur les organismes marins. Les premières études ont été menées principalement en milieu artificiel et ont mis en évidence des conséquences majeures sur la physiologie des organismes, principalement au niveau individuel. Cependant, les dernières études menées dans le domaine ont souligné l'importance de mettre en place des expériences à long terme, à l'échelle de l'écosystème, et dans des conditions plus proches du milieu naturel. Ce type d’étude permet de prendre en compte les interactions écosystémiques et les processus d’acclimatation afin de mieux prévoir les effets directs mais aussi indirects de la diminution du pH dans les océans. <p>L’existence des récifs coralliens tropicaux dépend de la vitesse de formation du socle récifal qui les façonnent (principalement via la calcification des coraux hermatypiques) qui doit rester supérieure à sa (bio)érosion. D’une part, plusieurs études ont montré que le taux de calcification des coraux hermatypiques diminue lorsque la pCO2 augmente. D’autre part, les oursins sont d’importants bioérodeurs des récifs et contribuent donc à la perte de masse calcaire récifale. Cependant, les oursins empêchent également, par leur broutage, le recouvrement des coraux par les algues favorisées par l’AO. Dès lors l’effet de l’élévation de la pCO2 sur les oursins et leur capacité bioérosive peut être déterminant pour l'avenir des récifs coralliens tropicaux au cours du siècle, particulièrement ceux où la densité de ces bioérodeurs est importante. Une telle prédiction est d’autant plus complexe si l’on prend en compte la possible acclimatation des différents acteurs à long terme.<p>Dès lors, le but du présent travail fut d'évaluer l'effet à long terme de l’élévation de la pCO2 prévue en 2100 sur la physiologie et l’activité érosive d’un oursin clé de certains récifs coralliens, Echinometra mathaei, dans un dispositif artificiel reproduisant l’écosystème corallien.<p>La première étape a été la mise en place un outil expérimental permettant de maintenir à long terme un écosystème de récifs coralliens simplifié en condition contrôle et au pH prévu en 2100 tout en maintenant les autres paramètres physico-chimiques identiques et proches du milieu naturel (y compris dans leurs variations journalières). Le système mis en place est composé de scléractiniaires hermatypiques comme constructeurs de récif, d’oursins (E. mathaei) comme bioérodeurs et brouteurs et un substrat calcaire de récif avec ses communautés d’algues, bactéries, archae, champignons et méiofaune. Les variations journalières de pH et de température reproduisent celles mesurées in situ dans le site de La Saline, Ile de La Réunion, d’où proviennent une partie des organismes. Le pH moyen des aquariums contrôles a été maintenu avec succès à une moyenne de 8,09 ± 0,04, celui des aquariums à pCO2 élevée à 7,63 ± 0,02. L’alcalinité totale du système a pu être maintenue entre 2350 et 2450 µmol.kg-1. <p>L’impact de l’AO prévue en 2100 (pH 7,7) sur la physiologie d’E. mathaei été étudié à court terme (sept semaines). La principale source de nourriture des oursins fut la communauté algale se développant sur le substrat, comme en conditions naturelles. Cette étude a permis de mettre en évidence, à court terme, la capacité de résistance de cet oursin à une AO modérée. En effet, la croissance et le métabolisme ne furent pas affectés significativement. Ces observations ont été associées au maintien de la balance acide-base du fluide extracellulaire, le liquide cœlomique, par accumulation de bicarbonates dans celui-ci.<p>Une même expérience a ensuite été réalisée à long terme. La diminution du pH a été induite progressivement durant six mois jusqu'à atteindre un pH moyen de 7,65 qui fut ensuite maintenu à cette valeur pendant sept mois supplémentaires. La capacité de régulation de la balance acide-base du liquide cœlomique et la résistance d’E. mathaei à l’AO a été confirmée à long terme. Tant la croissance que le métabolisme et les propriétés mécaniques du squelette ne furent pas affectés. Cette résistance apparaît liée aux capacités de régulation acide-base d’E. mathaei, un trait apparemment d’origine génétique. Cette résistance pourrait également dépendre de la quantité et de la qualité de la nourriture disponible (calcaire ou non). Il est suggéré que les ions bicarbonates impliqués dans la régulation acide-base proviendraient en partie de la nourriture. <p>Parallèlement à ces mesures physiologiques, l’activité érosive d’E. mathaei a été mesurée. Les résultats indiquent que le taux de bioérosion triple en conditions acidifiées (pH 7,65). Cette augmentation serait liée à l’augmentation de l'activité de broutage des oursins et à la dissolution biologique du substrat, les propriétés mécaniques des dents des oursins et du squelette des coraux ne semblant pas affectés significativement. Nous suggérons que cette activité érosive accrue pourrait avoir un impact sur l'équilibre dynamique entre bioerosion et bioaccrétion des coraux et pourrait déterminer l'avenir des récifs coralliens où E. mathaei est le principal bioérodeur. Il faut toutefois noter que l’activité érosive de cet oursin est liée à une consommation accrue des macro-algues en compétition avec les coraux et algues corallines, favorisant ainsi ces derniers.<p>Les résultats obtenus, associés à ceux provenant de la littérature, indiquent que les changements globaux pourraient provoquer un changement profond des écosystèmes coralliens tropicaux. En effet, l’ensemble des bioérodeurs principaux étudiés jusqu’à présent semblent résistants aux changements climatiques globaux et montrent une augmentation de leur activité érosive. Dans le cas des récifs ayant déjà à l’heure actuelle une faible calcification nette, l’augmentation de la bioérosion pourrait mener à l’érosion nette et à la réduction puis à la disparition du récif. La prédiction du devenir des récifs coralliens tropicaux à l’échelle planétaire doit toutefois prendre en compte de nombreux paramètres :acclimatation, résistance/sensibilité et interactions des différents acteurs des récifs. D’autres études comparables à celles menées dans le présent travail devraient être mises en place afin de tester ces différents facteurs. Les données obtenues pourraient dès lors être utilisées dans la construction d’un modèle mécanistique permettant de mettre en place localement des mesures de conservation du récif, en complément de l’indispensable réduction massive de l’émission de CO2 atmosphérique à l’échelle mondiale.<p><p><p><p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les carbones poreux ont été largement utilisés et étudiés ces dernières années. Ce travail de recherche porte sur la préparation de matériaux carbonés mésoporeux modifiés ou non par de l'azote. Tout d'abord, un carbone mésoporeux pur a été synthétisé. Puis des atomes d'azote ont été introduits dans ce carbone mésoporeux par deux méthodes de dopage ("in situ" et "post-synthèse" respectivement). La comparaison des propriétés acido-basiques dans des conditions différentes pour les trois types de matériaux mésoporeux carbonés, avec ou sans diazote, a été faite grâce à des techniques calorimétriques. Ces carbones mésoporeux ont aussi été utilisés dans l'adsorption de polluants, le stockage de l'hydrogène et en tant que supports pour les métaux précieux et l'oxyde de fer en catalyse. Les différentes performances dans ces applications ont été mises en relation avec les différentes propriétés structurelles et surfaciques causées par le dopage au diazote / Porous carbon materials are widely used and studied in recent years. In this work, three kinds of mesoporous carbon materials were prepared. Firstly, cost-effective pure mesoporous carbon was synthesized. Then nitrogen atoms were introduced into the mesoporous carbon by “in situ” and “post” doping methods respectively. The comparisons of the acid-base properties in different conditions of the three kinds of mesoporous carbon materials with or without nitrogen were studied and revealed by different calorimetric techniques. The three kinds of mesoporous carbons were also applied in pollutants adsorption, hydrogen storage and as supports of precious metals and iron oxide in catalysis. The different performances in applications were related to the different structural and surface properties caused by the N-doping

MESMEG / Department of Mining and Environmental Geology / This study entails geochemical and mineralogical characterization of gold tailings of Nestor Mine and Glynn’s Lydenberg Mine of the Sabie-Pilgrim’s Rest goldfields. A total of 35 samples were collected and were analysed for chemical composition (XRF and ICP-MS), mineralogical composition (XRD). In addition, acid-base accounting (ABA) techniques had been conducted to predict the potential for acid mine drainage. Seepage from Nestor tailings dump and water samples from the adjacent Sabie River were also collected and analysed by means of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and immediate constituent (IC) -analytical techniques. The study revealed that Sabie-pilgrim’s rest goldfield is characterized by both acid generating and non-acid producing tailings, and this is attributed to variations in the mineralogy of source rocks. Gold occurred within the Black Reef Quartzite Formation in the Nestor Mine and within the Malmani Dolomite in the case of Glynn’s Lydenburg Mine. Mineralogy and bulk geochemical analyses performed in this study showed a clear variation in the chemistry of Nestor Mine and Glynn’s Lydenburg Mine tailings. Predominant oxides in Nestor mine tailings samples are SiO2 (ranging from 66.7-91.25 wt. %; followed by Fe2O3 and Al2O3 (in range of 0.82-15.63 wt. %; 3.21-12.50 wt. % respectively); TiO2 (0.18-10.18 wt. %) and CaO (0.005-3.2 wt. %). Also occurring in small amounts is CaO (0.005-3.2 wt. %), K2O (0.51-2.27 wt. %), MgO (0.005-1.46 wt. %), P2O5 (0.029-0.248), Cr2O3 (0.013-0.042 wt. %) and Na2O (0.005-0.05 wt. %). The samples also contain significant concentrations of As (137-1599 ppm), Cu (34-571 ppm), Cr (43-273 ppm), Pb (12-276 ppm), Ni (16-157 ppm), V (29-255 ppm), and Zn 7-485 ppm). In the Glynn’s Lydenburg Mine tailings SiO2 is also the most dominant oxide ranging between 47.95 and 65.89 w%; followed by Al2O3 (4.31 to 16.19 wt. %), Fe2O3 (8.48 to 11.70 wt %), CaO (2.18 to 7.10 wt. %), MgO (2.74 to 4.7 wt. %). Occurring in small amounts is K2O (1.12-1.70 wt. %), MnO (0.089-0.175 wt. %), P2O5 (0.058-0.144 wt. %) and Cr2O3 (0.015-0.027 wt. %). Arsenic (As), is also occurring in significant amounts (807-2502 ppm), followed by Cr (117-238 ppm), Cu (10-104 ppm), V (56-235 ppm), Ni (45-132 ppm), Pb (13-63 ppm) and Zn (90-240 ppm). Nestor Mine tailings associated with Black Reef Formation mineralization have net neutralizing potential (NPR) <2, hence more likely to generate acid; and their acid potential (AP) ranges 1.56 to 140.31 CaCO3/ton and neutralizing potential (NP) range from -57.75 to -0.3 CaCO3/ton. Glynn’s Lydenburg Mine tailings dump which is vi associated with dolomite mineralization, however, was not leaching acid. Based on acid-base accounting results, these tailings have more neutralizing potential (ranging between 57.6 and 207.88 CaCO3/ton) than acid potential (ranging between 7.5 and 72.1 CaCO3/ton); and their NPR>2, hence unlikely to produce acid. This is confirmed by paste pH which was in the ranges between 7.35 and 8.17. Tailings eroded from Nestor Mine tailings dump were also found to be characterized by high content of metals and oxides, namely, As, Cu, Ni, Pb, V, and Zn with SiO2, Fe2O3 and TiO2. The tailings were observed eroded into the Sabie River where AMD related precipitate (yellow boy) was also observed, indicating further oxidation downstream. Field observations, onsite analyses of water samples and laboratory results revealed that Nestor Mine tailings storage facility discharges acid mine drainage with considerable amounts of Al, As, Cu, Fe, Mn, Zn and SO4 and very low pH exceeding the limit as per South African water quality standards. High concentrations of these metals have toxicity potential on plants, animals and humans. Upon exposure to oxygen and water, tailings from Nestor Mine are more likely to generate acid mine drainage that can cause detrimental effect to the environment and the surrounding communities. Potential pollutants are Fe, Mn, Al, As, Cr, Cu, Ni and Pb. Tailings from Glynn’s Lydenberg showed no potential for acid mine drainage formation. / NRF

Les détails du mécanisme d’une réaction acidobasique sont encore nébuleux au sein de la communauté scientifique. Les résultats présentés dans cet ouvrage suggèrent un modèle mécanistique général basé sur la théorie de l’état de transition pour une réaction acidobasique en milieu aqueux. Ce modèle est proposé après l’analyse méticuleuse de 56 simulations mettant en avant-plan une réaction de transfert de proton entre le phénol et l’acétate dans l’eau. Cette réaction passe par différents nombres d’acteurs, incluant l’acide, la base et le nombre de molécules d’eau impliquées dans le transfert. Ce modèle général regroupe de nombreux mécanismes par lesquels le transfert de proton survient. Il s’agit notamment de procédés impliquant différents nombres de molécules d’eau intermédiaires (1, 2, 3, 4 ou 5), mais aussi des cas où l’acide entre en contact direct avec la base et des cas où la déprotonation de l’acide semble indépendante de la base. Cette proposition présente aussi une nouvelle définition quantitative des mécanismes concerté et séquentiel jusqu’ici différenciés qualitativement dans la littérature. / The details of the acid-base reaction mechanism are still rather vague among the scientific community. The results shown in this document suggest a general mechanism predicated on the transition state theory for the acid-base reaction in an aqueous environment. This model is offered after a meticulous analysis of 56 computational simulations presenting a proton transfer reaction between a phenol derivative and the acetate ion in water. The number of actors greatly varies from one reaction to another, including the acid, the base and the numerous water molecules engaged in the transfer. This general model encompasses many sub-mechanisms leading to the proton transfer completion. Mostly, the processes involve different amounts of bridging water molecules (1, 2, 3, 4 or 5). Yet, it also showcases scenarios where the acid interacts directly with the base and some situations where the acid deprotonation seems to behave independently from the base. This proposal further offers a new, quantitative distinction between the concerted and sequential mechanisms rather than the until-now qualitative description in the literature.

In the present work, novel dewatering aids and a novel centrifuge configuration were developed and applied for the purpose of dewatering fine particles. Three different types dewatering reagents were tested in different filtration and centrifugation units. These chemicals included low-HLB surfactants, naturally occurring lipids, and modified lipids. Most of these reagents are insoluble in water; therefore, they were used in solutions of appropriate solvents, such as light hydrocarbon oils and short-chain alcohols. The role of these reagents was to increase the hydrophobicity of the coal and selected mineral particles (chalcopyrite, sphalerite, galena, talc, clay, phosphate, PCC and silica) for the dewatering. In the presence of these reagents, the water contact angles on the coal samples were increased up to 90o. According to the Laplace equation, an increase in contact angle with the surfactant addition should decrease the capillary pressure in a filter cake, which should in turn increase the rate of dewatering and help reduce the cake moisture. The use of the novel dewatering aids causes a decrease in the surface tension of water and an increase in the porosity of the cake, both of which also contribute to improved dewatering. A series of batch-scale dewatering tests were conducted on a variety of the coal and mineral samples using the novel dewatering aids. The results obtained with a Buchner funnel and air pressure filters showed that cake moistures could be reduced substantially, the extent of which depends on the particle size, cake thickness, drying time, reagent dosage, conditioning time, reagent type, sample aging, water chemistry, etc. It was determined that use of the novel dewatering aids could reduce the cake formation time by a significant degree due to the increased kinetics of dewatering. At the same time, the use of the dewatering aids reduced the cake moistures by allowing the water trapped in smaller capillaries of the filter cake. It was found that final cake moistures could be reduced by 50% of what can be normally achieved without using the reagents. However, the moisture reduction becomes difficult with increasing cake thickness. This problem can be minimized by applying a mechanical vibration to the cake, spraying a short-chain alcohol on the cake and by adding a small amount of an appropriate coagulant, such as alum and CaCl2 to the coal and mineral slurries. The novel dewatering aids were also tested using several different continuous filters, including a drum filter, disc filter and horizontal belt filter (HBF). The results obtained with these continuous filtration devices were consistent with those obtained from the batch filters. Depending on the coal and mineral samples and the type of the reagent, 40 to 60% reductions in moisture were readily achieved. When using vacuum disc filters, the cake thickness increased substantially in the presence of the novel dewatering aids, which could be attributed to the increased kinetics of dewatering. A dual vacuum system was developed in the present work in order to be able to control the cake thickness, which was necessary to achieve lower cake moistures. It was based on using a lower vacuum pressure during the cake formation time, while a full vacuum pressure was used during the drying cycle time. Thus, use of the dual vacuum system allowed the disc filter to be used in conjunction with the novel dewatering aids. Its performance was similar to that of HBF, which is designed to control cake thickness and cake formation time independently. The effectiveness of using the novel dewatering aids were also tested in a full-continuous pilot plant, in which coal samples were cleaned by a flotation column before the flotation product was subjected to the disc filter. The tests were conducted with and without using novel dewatering aids. These results were consistent with those obtained from the laboratory and batch-scale tests. The novel centrifuge developed in the present work was a unit, which combined a gravity force and air pressure. The new centrifuge was based on increasing the pressure drop across the filter cake formed on the surface of the medium (centrifuge wall). This provision made it possible to take advantage of Darcy s law and improve the removal of capillary water, which should help lower the cake moisture. A series of tests were conducted on several fine coal and mineral particles and obtained more than 50% moisture reduction even at very fine particle size (2 mm x 0). Based on the test results obtained in the present work, two proof-of-concept (POC) plants have been designed. The first was for the recovery of cyclone overflows that are currently being discarded in Virginia, and the other was for the recovery of fines from a pond in southern West Virginia. The former was designed based on the results of the plant tests conducted in the present work. Cost vs. benefit analyses were conducted on the two POC plants. The results showed very favorable internal rates of return when using the novel dewatering aids. Surface chemistry studies were conducted on the coal samples based on the results obtained in the present investigation. These consisted mainly of the surface characterization of the coal samples (surface mineral composition, surface area, zeta potential, x-ray photoelectron microscopy (XPS)), acid-base interactions of the solids and liquids, dewatering kinetic tests, contact angle measurements of the coal samples and surface force measurements using AFM. In addition, carbon coating on a silica plate using palsed laser deposition (PLD) and Langmuir-Blodgett (LB) film deposition tests were conducted on the sample to better understand the surfactant adsorption and dewatering processes. The test results showed that the moisture reductions on the fine particles agree well with the surface chemistry results. / Ph. D.

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs. / The nature of acids in an aqueous environment is fundamental to many aspects of chemistry and biology. The defining feature of an acid is its ability to transfer a proton to water or to any accepting base, but this seemingly simple process can be complex and highly dependent on the solvation involving different reaction intermediate species. This thesis describes computational studies based on first principles molecular dynamics simulations aimed at obtaining molecular-level descriptions of diverse proton transfer process involving acids and bases in liquid water. For that, we have investigated a variety of systems including aqueous hydrofluoric acid, aqueous trifluoroacetic acid and a model system comprising of a phenol and a carboxyate molecule bridged by a water molecule in aqueous solution. Two different intermediate stages of proton transfer from an acid were identified which are found to be stabilized by distinct local H-bond solvation pattern. Their spectroscopic signatures were characterized using infrared spectroscopy computed from first principles molecular dynamics simulations which incorporate nuclear quantum effects explicitly. This study also identified three elementary reaction pathways that are responsible for proton translocation from acid to the base and their characteristic time scales. Conclusions drawn from this study are discussed in molecular detail, highlighting experimental comparisons.

Die vorliegende Arbeit hat die Synthese und Charakterisierung von chromophoren Arylboronsäureestern mit besonderem Augenmerk auf einer breiten strukturellen Variation zum Inhalt. An dieser Verbindungsklasse wird die Wechselwirkung mit Lewis-Basen tiefgehend untersucht. Die Koordination von Lewis-Basen am Bor-Atom führt zu einer Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften des borbasierten Substituenten, wobei der Charakter eines direkt am Bor-Atom gebundenen pi-Elektronensystems von pull zu push-pull geschaltet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, wie geometrische und elektronische Strukturmerkmale von boronsäureesterfunktionalisierten Chromophoren durch die Lewis-Säure-Base-Wechselwirkung am Bor-Atom beeinflusst werden. Die Veränderung von molekularen Eigenschaften wird mit Hilfe der UV/vis-Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie, 1H- und 11B-NMR-Spektroskopie sowie mit röntgendiffraktometrischen Methoden untersucht. Die experimentellen Daten werden durch quantenchemische Berechnungen auf DFT-Niveau unterstützt.