Ce travail évalue le potentiel du zinc et plus particulièrement des terres rares à tracer les différents processus le long d’une catena issue d’une formation carbonatée constituée d’une succession de bancs marneux et calcaires, et ayant subi des processus de décarbonatation, des conditions redox en lien avec l’hydromorphie et de l’éluviation. L’approche choisie repose (i) sur la spéciation des terres rares, à l’aide de méthodes physiques et chimiques, dans les traits pédologiques formés par les différents processus et des matériaux aux dépens desquels ils se sont développés, (ii) sur la quantification par bilan de masse des flux de terres rares et éléments majeurs associés. Ce travail a nécessité deux mises aux points méthodologiques : une méthode de normalisation des terres rares, basée sur l’enfoncement des fronts de transformation afin de quantifier l’impact des processus successifs sur le fractionnement des terres rares ; une méthodologie de reconstruction des matériaux parentaux pour chacun des horizons, l’approche par bilan de masse nécessitant une connaissance des stocks initiaux. L’impact de deux processus sur les fractionnements de terres rares est ensuite plus particulièrement abordé : la décarbonatation des matériaux parentaux et les processus d’oxydo-réduction. On montre ainsi l’importance de comparer les quantités mises en solution aux flux calculés par les bilans de masse pour prédire le devenir des éléments libérés et l’intérêt des terres rares pour quantifier les cycles de dissolution/précipitation des oxydes de fer et de manganèse. / This project aims at considering the potential of zinc and rare earth element (REEs) at quantifying pedogenetic processes along a soil sequence developed from a limestone formation consisting in a succession of marl and limestone strata which underwent carbonate dissolution, redox cycles related to soil hydromorphy and eluviation. The chosen approach relies on (i) the speciation of rare earth elements - by a method combining sequential extractions and physical separations - in the pedological features resulting from the different processes and in the materials from which they developed; (ii) the quantification of the REE and major element fluxes by mass balance calculation. To do so, two methodologies were developed: a methodology of normalization of REEs based on the theory of transformation fronts to quantify the impact of the processes on REE fractionations; an innovative approach of the reconstruction of the former parent material for each soil horizon as mass balance calculation requires the quantification of initial stocks in elements. Two processes were then further studied: carbonate dissolution and redox processes. We thus point out the necessity to compare max fluxes as computed by mass balance to quantities released by carbonate dissolution in order to forecast the fate of elements released into the soil solution. We also evidenced the potential of REEs to quantify the dissolution/precipitation cycles of iron and manganese oxides.

Ce travail évalue le potentiel du zinc et plus particulièrement des terres rares à tracer les différents processus le long d'une catena issue d'une formation carbonatée constituée d'une succession de bancs marneux et calcaires, et ayant subi des processus de décarbonatation, des conditions redox en lien avec l'hydromorphie et de l'éluviation. L'approche choisie repose (i) sur la spéciation des terres rares, à l'aide de méthodes physiques et chimiques, dans les traits pédologiques formés par les différents processus et des matériaux aux dépens desquels ils se sont développés, (ii) sur la quantification par bilan de masse des flux de terres rares et éléments majeurs associés. Ce travail a nécessité deux mises aux points méthodologiques : une méthode de normalisation des terres rares, basée sur l'enfoncement des fronts de transformation afin de quantifier l'impact des processus successifs sur le fractionnement des terres rares ; une méthodologie de reconstruction des matériaux parentaux pour chacun des horizons, l'approche par bilan de masse nécessitant une connaissance des stocks initiaux. L'impact de deux processus sur les fractionnements de terres rares est ensuite plus particulièrement abordé : la décarbonatation des matériaux parentaux et les processus d'oxydo-réduction. On montre ainsi l'importance de comparer les quantités mises en solution aux flux calculés par les bilans de masse pour prédire le devenir des éléments libérés et l'intérêt des terres rares pour quantifier les cycles de dissolution/précipitation des oxydes de fer et de manganèse.

Cette étude s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle technologie de concentration du CO2 intégrée à la cimenterie. Le principe de cette technologie repose sur une décarbonatation de la matière crue par contact avec un solide caloporteur dans un procédé innovant qui conduit à un dégagement de CO2 pur à haute température. Ce CO2 pourra ensuite être stocké dans le sous-sol ou valorisé chimiquement. L’objectif de ce travail est d’étudier la décarbonation du cru dans les conditions opératoires qui simulent le plus fidèlement possible la nouvelle unité industrielle. D’abord, la cinétique de décarbonation est étudiée en thermobalance sur des échantillons de poudre de CaCO3 pur qui est le composé majoritaire du cru. Les résultats conduisent à une meilleure compréhension des phénomènes qui pilotent la réaction ainsi qu’à l’élaboration des lois cinétiques permettant de prédire l’effet de la température entre 600 °C et 930 °C, et de la pression partielle de CO2 entre 0 atm et 1 atm sur l’avancement de la réaction. Ensuite, les interactions pouvant se produire entre le CaCO3 et les autres solides qui composent un cru industriel, lors de sa calcination sous atmosphère de CO2 pur, sont étudiées sur le plan cinétique (thermobalance), thermodynamique (simulations) et morphologique (DRX et DRX in situ). Enfin, dans le but de simuler la décarbonatation du cru et son élutriation dans le procédé réel, et en particulier dans la partie basse du nouveau calcinateur, un pilote fonctionnant à chaud a été réalisé au cours de ce travail. Il permet d’effectuer la décarbonatation du cru alimenté en discontinu et en continu dans un lit de média fluidisé (clinker ou olivine). Ont été examinées les influences de la température, de la vitesse de gaz, du débit de solide et de la nature du gaz de fluidisation (CO2 pur ou mélange air/CO2) sur les phénomènes hydrodynamiques (élutriation, accumulation, temps de séjour …), les interactions cru-média et le degré d’avancement de la réaction de décarbonatation.

Au Québec, la technologie d’assainissement des eaux usées municipales la plus répandue est le traitement par étangs aérés. L’augmentation des charges et débits envoyés aux étangs ainsi que les exigences de rejet de plus en plus contraignantes forcent la mise à niveau de nombreux étangs. La présente étude porte sur la capacité de dégradation carbonée et de nitrification simultanée du média fixe inerte autoportant immergé BIONESTMD pour augmenter la capacité de traitement des étangs aérés. Des essais ont été réalisés sur douze unités pilotes alimentées en parallèle par un bassin d’égalisation recevant des eaux usées d’origine domestique brutes municipales. Trois charges surfaciques et trois températures d’opération ont été simultanément testées sur les pilotes. Le média a été mis en place dans des cellules flottantes cylindriques. Des taux de dégradation carbonée de plus de 15 g DBO₅Cs/m².d et 25 g DCOs/m².d ont été obtenus. Avec des efficacités de plus de 90% d’enlèvement, des taux supérieurs de dégradation auraient sans doute pu être obtenus à charge plus élevée. Une influence de la température d’opération sur la dégradation de ces deux paramètres a été observée, notamment pour des températures inférieures à 1°C et des charges surfaciques élevées. Les concentrations de DBO₅C, de DCO et de MES mesurées ont montré une dépendance significative en fonction de la charge surfacique et de la température d’opération appliquées. Il a également été observé qu’une température froide et une charge surfacique élevée favorisent le développement d’un biofilm épais. Cette épaisseur favoriserait le détachement du biofilm et la présence de matières particulaires à l’effluent se traduisant par l’augmentation des concentrations de DBO₅C, de DCO et de MES. Des taux de nitrification de plus de 2 g N-NH₄/m².d ont été mesurés pendant les essais et ce malgré des charges surfaciques en matière organique supérieures à la valeur de 5 g DBO/m².d recommandée dans la littérature pour une dégradation carbonée et une nitrification simultanée. Cette capacité du média BIONESTMD, configuré tel que dans cette étude, pourrait être attribuable au biofilm épais favorisant une surface de biofilm et une diffusion des substrats plus élevées que d’autres types de réacteurs à biomasse fixe. Les résultats ont montré une influence importante de la température sur les taux de nitrification, notamment un phénomène de limitation sous 1°C en fonction de la charge en azote ammoniacal. Les coefficients de température mesurés ont montré une dépendance de la charge et de la température. Des conditions limitantes en oxygène accentuent l’influence de la température sur la nitrification. Une équation permettant de déterminer le taux de nitrification à une charge et une température donnée a été développée et utilisée. / In Quebec, the aerated lagoon process is the most popular technology for municipal wastewater treatment. Flowrate and load increases as well as more stringent effluent requirements will make many lagoon upgrades necessary. This study focuses on organic matter removal and simultaneous nitrification of the inert self-supporting immersed BIONESTTM media to upgrade aerated lagoons. Tests were conducted on twelve parallel pilot units fed by an equalisation tank receiving municipal raw domestic wastewater. Three loads and three temperatures were simultaneously tested on the pilots. The media was placed inside cylindrical floating cells. Organic removal rates above 15 g sCBOD₅/m².d and 25 g sCOD/m².d were obtained. With efficiencies above 90% removal, higher organic removal rates would have probably been obtained if the load had been higher. An influence of temperature on the removal of these two parameters was observed, particularly for temperatures below 1°C and high loads. Measured CBOD₅, COD and TSS concentrations showed a load and temperature dependency. It was also observed that cold temperatures as well as high loading rates promote the development of a thick biofilm. This thickness might favor biofilm detachment and particulate matter in the effluent contributing to increased CBOD₅, COD and TSS concentrations. Nitrification rates above 2 g N-NH₄/m².d were measured during the tests despite organic loads higher than the 5 g BOD/m².d recommended in the literature for simultaneous organic matter removal and nitrification. This treatment capacity of the BIONESTTM media, as configured in this study, may be due to the thick biofilm favoring a higher biofilm surface and higher substrate diffusion than other biofilm reactor technologies. Results showed a strong dependency of nitrification on temperature, especially below 1°C where a limitation related to the ammonia load was observed. Measured temperature coefficients showed a dependency on the load and temperature. The influence of temperature on nitrification kinetics was higher in oxygen-limited conditions. An equation allowing the determination of the nitrification rate as a function of the ammonia loading rate and temperature was developed and applied.

Cette étude s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle technologie de concentration du CO2 intégrée à la cimenterie. Le principe de cette technologie repose sur une décarbonatation de la matière crue par contact avec un solide caloporteur dans un procédé innovant qui conduit à un dégagement de CO2 pur à haute température. Ce CO2 pourra ensuite être stocké dans le sous-sol ou valorisé chimiquement. L’objectif de ce travail est d’étudier la décarbonation du cru dans les conditions opératoires qui simulent le plus fidèlement possible la nouvelle unité industrielle. D’abord, la cinétique de décarbonation est étudiée en thermobalance sur des échantillons de poudre de CaCO3 pur qui est le composé majoritaire du cru. Les résultats conduisent à une meilleure compréhension des phénomènes qui pilotent la réaction ainsi qu’à l’élaboration des lois cinétiques permettant de prédire l’effet de la température entre 600 °C et 930 °C, et de la pression partielle de CO2 entre 0 atm et 1 atm sur l’avancement de la réaction. Ensuite, les interactions pouvant se produire entre le CaCO3 et les autres solides qui composent un cru industriel, lors de sa calcination sous atmosphère de CO2 pur, sont étudiées sur le plan cinétique (thermobalance), thermodynamique (simulations) et morphologique (DRX et DRX in situ). Enfin, dans le but de simuler la décarbonatation du cru et son élutriation dans le procédé réel, et en particulier dans la partie basse du nouveau calcinateur, un pilote fonctionnant à chaud a été réalisé au cours de ce travail. Il permet d’effectuer la décarbonatation du cru alimenté en discontinu et en continu dans un lit de média fluidisé (clinker ou olivine). Ont été examinées les influences de la température, de la vitesse de gaz, du débit de solide et de la nature du gaz de fluidisation (CO2 pur ou mélange air/CO2) sur les phénomènes hydrodynamiques (élutriation, accumulation, temps de séjour …), les interactions cru-média et le degré d’avancement de la réaction de décarbonatation. / This study concerns a new CO2 concentration technology integrated into the cement plant. This technology consists in the raw mix decarbonation, induced by its contact with a solid medium in charge of the heat transfer, in an innovative process leading to the emission of pure CO2 at high temperature. This pure gas may be stored underground or used as chemical reactant. This work consists in the study of the decarbonation reaction of the raw mix in operating conditions that are similar to the ones of the new industrial unit. First, the decarbonation kinetics is studied by thermogravimetric analysis on pure CaCO3 powder samples. CaCO3 is the main component of the raw mix. The results led to a better comprehension of the phenomena driving the reaction kinetics and to the determination of kinetic laws in good agreement with the data obtained between 600 °C and 930 °C, and for a partial pressure of CO2 between 0 atm and 1 atm. Then, the interactions between the CaCO3 and the other solids in an industrial raw mix, occurring during its calcination in pure CO2 atmosphere, are studied kinetically (TGA), thermodynamically (simulations) and morphologically (XRD and in situ XRD). Eventually, an experimental device working at high temperatures was built for this study in order to simulate the decarbonation reaction of the raw mix and its elutriation in the real process. This device allows calcining the raw mix in a fluidized bed of media (clinker or olivine). The influences of the fluidized bed temperature, the fluidizing gas velocity, the solid feed rate and the fluidizing gas composition (pure CO2 or air/CO2 mixes) on the hydrodynamic phenomena (elutriation, accumulation, residence time …) , the raw mix-media interactions and the conversion degree are studied.

La thèse s’intéresse au contrôle de la température d’un front de combustion propagé dans un milieu poreux contenant du carbone fixe et des carbonates (CaCO3). L’objectif principal est de réduire la température, in situ (récupération d’huile ou production de gaz à partir d’un schiste bitumineux) ou dans un procédé (combustion de semicoke), afin de limiter la décarbonatation du milieu et les émissions induites de CO2. Le milieu réactif retenu pour réaliser les expériences en laboratoire est un schiste bitumineux préalablement broyé (0.5 à 2 mm) et pré-pyrolysé, appelé semicoke. Le front est propagé en co-courant. La première technique testée expérimentalement est l’ajout au semicoke d’un matériaux inerte (sable) et/ou d’un matériaux réactif (CaCO3) afin de faire varier le taux de carbone fixe et le taux de CaCO3 et ceci indépendamment. Nous montrons que l’augmentation de CaCO3 permet de baisser la température à 800 °C, mais pas en dessous, ce qui ne permet pas d’éviter la décarbonatation. Faire chuter le contenu en carbone fixe permet de baisser la température du front, voire d’atteindre l’extinction. Aux températures de propagation les plus basses, la décarbonatation est fortement limitée. En revanche le front ralentit car il n’utilise plus tout l’oxygène alimenté. La deuxième technique originale consiste à ajouter du CO2 (20 %molaire) dans l’air de combustion. Nous montrons que dans le cas d’un front chaud, ceci permet de réduire le taux de décarbonatation de 100% à 70%, et d’augmenter en parallèle la production de CO résultant de l’oxydation du carbone fixe, ce qui augmente le PCI du gaz produit. Sur un front plus froid, la décarbonatation qui était de 20% est totalement évitée par l’ajout de CO2. Enfin, des expériences sont proposées dans le mode de combustion “reaction trailing”, très peu connu et mis en oeuvre. Ce mode a l’intérêt majeur d’éviter les réactions de “Lower Temperature Oxidation” préjudiciables au rendement en huile ou en gaz d’un process in situ. Des expériences stables et répétables sont réalisées avec différents pourcentages d’oxygène dans le gaz alimenté. La température du front est directement liée à ce paramètre ; la décarbonatation est clairement limitée dans ce mode de propagation. Deux types de modélisation sont proposés. Un bilan de matière et d’énergie basé sur des expressions analytiques simples permet d’évaluer la température du front et sa vitesse de propagation. Un modèle numérique développé par l’IMFT se base sur des équations de transfert convectif/diffusif de chaleur et de matière, couplées aux réactions d’oxydation du carbone (en CO et en CO2) et de décarbonatation de CaCO3. Il décrit de façon très satisfaisante les expériences en mode “reaction leading” avec variation de la composition du milieu (première technique). / This PhD thesis focuses on the control of the smoldering front propagating in a porous medium containing fixed carbon and carbonates (CaCO3). The main objective is to reduce the front temperature, in situ (oil recovery or gas production from oil shale) or in process (combustion of semicoke), in order to limit the medium decarbonation and the resulting CO2 emissions. The reactive porous medium retained to realize the laboratory experiments is a crushed (0.5 to 2 mm) and pre-pyrolyed oil shale, called semicoke. The front propagates in co-current. The first technique experimentally tested is the addition to the semicoke of an inert material (sand) and/or a reactive material (CaCO3) to vary the contents of fixed carbon and of CaCO3, independently. We show that the increase of the CaCO3 content enables to reduce the temperature to 800 °C, but not below; this does not allow to avoid decarbonation. Bringing down the fixed carbon content enables to reduce the front temperature, see even to reach extinction. In the lowest temperatures of propagation, the decarbonation is strongly limited. On the other hand, the front slows down because it does not use all of the fed oxygen. The second original technique consists in adding CO2 (20 mol.%) to the oxidizer air. We show that for a hot front, the decarbonated fraction is reduced from 100% down to 70%, and the CO production at fixed carbon oxidation is increased; this leads to increase the LCV of the produced gas. For a cold front, the decarbonation which was 20%, is totally avoided by adding CO2. Finely, experiments are proposed in the “reaction trailing” combustion mode, little known and implemented. This mode has the major interest to avoid the reactions of “Lower Temperature Oxidation” prejudicial for oil or gas yields in in situ process. Stable and repeatable experiments are realized with different oxygen fractions in feeding gas. The front temperature is directly linked to this parameter; the decarbonation is clearly limited in this mode of propagation. Two types of modeling are proposed. A mass and thermal balance based on simple analytical expressions enables to evaluate the front temperature and velocity. A numerical model developed by IMFT is based on convective/diffusive heat and mass transfer equations coupled with the oxidation reactions (into CO and CO2) and CaCO3 decarbonation is proposed. It describes in a very satisfactory way the experiments in the “reaction leading” mode with variation of the medium composition (first technique).

La décomposition d'un solide S₁ en un solide S₂ et un gaz G : S₁→S₂ + G, peut-être décrite par les processus de germination et de croissance de la nouvelle phase. Une modélisation géométrique peut permettre de déterminer la réactivité de croissance et la fréquence de germination. Nous avons étudié les variations de celles-ci en fonction des contraintes physico-chimiques température et pression du gaz produit. La méthode des décrochements et l'étude de grains uniques ont permis de valider les valeurs des vitesses obtenues. A ce stade, la modélisation physico-chimique, c'est-à-dire l'établissement d'un mécanisme réactionnel détaillé propre à chacun des deux processus est effectuée. La comparaison des vitesses théoriques issus des modèles aux variations expérimentales permettra de valider le mécanisme. L'effet smith-topley observe sur les variations expérimentales peut alors être expliqué par une variation de la taille des germes en fonction de la pression. De plus, l'étude de calcaires naturels a permis de faire apparaître une forte influence des impuretés sur les réactivités spécifiques de croissance et les fréquences spécifiques de germination lors de leur décomposition.