La polymérisation du chlorure de vinyle est une réaction très fréquente dans l’industrie des polymères, conduisant à l’obtention d’un matériau plastique très commun, connu sous le nom de PVC (polychlorure de vinyle). Ses applications concernent principalement l’industrie des constructions néanmoins d’autres domaines sont également touchés. La complexité de ce procédé de polymérisation est due à la nature toxique du monomère, à la maitrise du transfert de chaleur ou au maintien de l’agitation. Le control de ces variables de procédé influence de manière directe les caractéristiques finales du produit. Même si la polymérisation en suspension du chlorure de vinyle a été largement étudiée dans des réacteurs de type batch, il y a un manque de données au niveau de la cinétique et de la physicochimie d’une goutte de monomère pendant la réaction. L’objectif de ces travaux est de proposer un dispositif microstructuré permettant d’obtenir des gouttes monodisperses ayant un diamètre de 200 µm environ, chacune étant considérée comme un réacteur de polymérisation. Une fois identifiés les verrous liés au système eau/chlorure de vinyle en microréacteur, la réaction de polymérisation a été décrite de manière qualitative par visualisation des gouttes/grains de polymère. Des mesures Raman non-invasives en temps réel ont été réalisées sur une goutte immobile de chlorure de vinyle, cela permettant d’accéder aux valeurs des constantes cinétiques. Un modèle théorique en bon accord avec les résultats expérimentaux a été proposé afin de simuler le degré de conversion de la réaction. Les caractéristiques morphologiques des grains de PVC obtenus en microréacteur présentent des particularités intéressantes en termes d’agglomération des particules primaires ou porosité. / Vinyl chloride suspension polymerization is a common reaction in polymer industry allowing to obtain one of the world wide most used plastics, known as PVC (polyvinyl chloride). Its applications involve mostly the construction industry but other domains are also concerned. This polymerization process is highly complex due to the toxic nature of the monomer, the good manage of heat transfer and agitation. The control of these process variables directly impacts the characteristics of the final product. Even though the suspension polymerization of vinyl chloride has been extensively studied in batch reactors, there is a lack of data regarding the kinetics or the physicochemistry of a single monomer droplet during the reactions. The aim of this present work is to propose a microstructured device which enables obtaining monodisperse droplets within 200 µm in diameter, each one being considered as a polymerization reactor. After a good acknowledgement of the vinyl chloride/water system in microchannel the polymerization reaction was qualitatively described by means of droplet/polymer grain visualization. Real-time non-invasive Raman measurement has been performed on stationary vinyl chloride monomer droplets and has provided values of kinetic constants. A theoretical model was proposed, simulating the reaction conversion in good agreement with the experimental values. The morphologic characteristics of the PVC grains obtained in microreactor presented interesting features in terms of primary particle agglomeration or porosity.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'implantation dans l'industrie de la photocatalyse nécessite de nouvelles recherches afin de contrôler et dimensionner les réacteurs photocatalytiques. Une solution innovante concerne la microstructuration des réacteurs. En effet, elle permet d'augmenter l'efficacité catalytique en améliorant le contact du polluant avec le catalyseur. L'objectif de la thèse concernait la destruction d'un polluant modèle, l'acide salicylique, par un catalyseur (TiO2) déposé au fond d'un microcanal. La recherche repose sur des expérimentations mais aussi sur des simulations permettant de prévoir la dégradation photocatalytique pour une configuration de réacteur donnée. Dans nos conditions expérimentales de faible débit, nous avons mis en évidence une dispersion axiale et un gradient de concentration entre la surface catalytique et le milieu réactionnel. En tenant compte des conditions d'écoulement, nous avons montré que le gradient de vitesse est plus marqué dans les microréacteurs de faible section de passage. Ce gradient favorise la formation de zones de recirculation près de la surface catalytique créant ainsi des conditions favorables au contact entre le polluant et la surface catalytique. A l'aide d'un logiciel numérique, nous avons simulé la réaction de dégradation photocatalytique qui permet de rendre compte de nos résultats expérimentaux. D'une part, le rôle primordial de la diffusion vers la surface catalytique a été mis en évidence. D'autre part, la simulation numérique nous a permis d'établir la relation du nombre de Sherwood en fonction des nombres de Reynolds, de Schmidt et du diamètre hydraulique du microcanal. Cette relation permet d'estimer la constante de transfert de matière pour représenter correctement la dégradation quel que soit le type de microréacteur envisagé / Industrial photocatalysis applications requires further research to control and design photocatalytic reactors. The micro structuring of reactors is an innovative solution. It increases the catalytic efficiency by improving the contact of the pollutant with the catalyst. Thesis aim concerned the destruction of a model pollutant, salicylic acid, with deposited catalyst (TiO2) at the bottom of a microchannel. The research is based on experiments and simulations to predict the photocatalytic degradation for a given reactor configuration. In our experimental conditions of low flow, an axial dispersion and a concentration gradient between the catalyst surface and the reaction medium have been demonstrated. We have shown that the gradient of velocity is more pronounced in low cross section microreactors. This gradient allows the formation of recirculation zones near the catalytic surface thus creating favorable conditions for contact between the pollutant and the catalytic surface. Using numerical soft, we have simulated the reaction of photocatalytic degradation to represent our experimental results. On a one hand, the role of diffusion to the catalytic surface has been demonstrated. On the other hand, numerical simulation has allowed to establish a relationship between the Sherwood number as a function of Reynolds number, Schmidt and the hydraulic diameter of the microchannel. This relationship is used to estimate the mass transfer constant to represent correctly the photocatalytic degradation

Cette étude présente la préparation et l’évaluation de l’activité d’un nouveau catalyseur monolithique en microréacteur. La réaction d’hydrogénation du p-nitrophénol par transfert d’hydrogène avec l’acide formique a été choisie comme réaction modèle pour comparer les performances du monolithe à celles d’un catalyseur commercial en lit fixe.Cette thèse comporte une partie expérimentale importante. D’un côté, un montage expérimental et des protocoles d’analyse en ligne ont été mis au point pour faire une étude quantitative précise de la réaction modèle. De l’autre côté, les conditions de préparation d’un monolithe de silice fonctionnalisée dans le tube-réacteur en acier chemisé de verre ont été optimisées. Il a été chargé en nanoparticules de Pd par une méthode en écoulement. Le monolithe comporte un réseau de macropores pour l’écoulement et une organisation hexagonale typique de mésopores et micropores, et cela presque sans retrait au séchage. L’activité des 2 types de catalyseurs dans la réaction modèle a été comparée par leur cinétique de réaction et leur comportement dynamique dans la phase de mise en régime du microréacteur. Une partie théorique présente la modélisation du microréacteur en régime stationnaire pour l’établissement des cinétiques et en régime transitoire pour rationaliser les observations expérimentales. Le monolithe Pd@silice et le catalyseur commercial Pd@alumine ont des comportements différents et obéissent à des lois cinétiques différentes. Un modèle réactionnel impliquant un changement de propriétés de la surface catalytique pourrait expliquer le profil de concentration inhabituel observé avec le catalyseur commercial. La comparaison démontre la supériorité du nouveau catalyseur monolithe, et lui ouvre de bonnes perspectives industrielles. / This study presents the preparation and the evaluation of performance of a new monolithic catalyst in microreactor. The transfer hydrogenation of p-nitrophenol by formic acid is chosen as the model reaction for the comparison of the monolith with a traditional packed-bed microreactor containing commercial catalyst.This thesis includes an important experimental part. On the one hand, experimental set-up and protocols involving on-line analysis have been developed in order to study quantitatively the model reaction; On the other hand, the conditions of preparation of functionalized silica monolith in a stainless steel tube with the inner wall pre-coated by glass were optimized, and the palladium nanoparticles were immobilized by a continuous flow method. The monolith possesses the flow-through macropores, typical hexagonal organization of mesopores and micropores, and scarcely any shrinkage. The comparison of the two types of catalysts mainly focuses on the activity of catalysts in the model reaction, their kinetic model and their dynamic behavior in the start-up phase of the flow microreactor. In the theoretical part, the modelisation of reactor has been investigated both under stationary conditions for kinetics determination and under transient conditions for the rationalization of experimental observations. Pd@silica monolith and commercial Pd@alumina powder have different behavior and gives different kinetic laws. A reaction model with change in the catalytic surface properties could explain the unusual profile of concentrations observed with commercial catalyst. The superior performance of monolithic catalyst is demonstrated, which also exhibits particular industrial interests.

Ce travail vise non seulement à la conception et la fabrication de nouvelles puces microfluidiques pour l'oxydation de l'alcool benzylique, mais aussi au développement d'une méthode utilisant le plasma. Cette dernière est consacrée à la fonctionnalisation de surface avec un liant afin d'ancrer des particules de catalyseur. Les résultats montrent que le procédé PECVD est une méthode universelle permettant de déposer un nombre élevé de fonctions amines à partir de l’APTES sur différentes surfaces. Suite à l’étude des différents paramètres, des conditions optimales ont été trouvées. En effet, par rapport à la fonctionnalisation conventionnelle par voie humide, une meilleure hydrophilicité, une épaisseur de dépôt ainsi qu’une densité de groupements amines plus élevées ont été obtenus sur les échantillons traités. De plus, les résultats avec les AuNPs immobilisés sur la zéolite indiquent que l’APTES est un meilleur précurseur que le MPTES car il offre une plus grande teneur en or. Pour la zéolite et AuNPs@zéolite, les particules sont fonctionnalisées à l'aide du CES en tant qu’agent de liaison pour les amines protonées présentes sur la surface du COC ; ce dernier étant prétraité en utilisant le procédé PECVD. Le microréacteur à base d'or présente une sélectivité élevée stable au benzaldéhyde (~94%). Cependant, il montre également une conversion faible d'alcool benzylique (~20%). Le microréacteur type AuNPs@zéolites réalise la meilleure activité catalytique dans notre étude, car une sélectivité élevée par rapport au benzaldéhyde (>99%) est obtenue avec la conversion la plus élevée de l'alcool benzylique (~40%). / This work aims not only at designing and fabricating new microfluidic chips for benzyl alcohol oxidation, but also at developing a methodology of plasma devoted to the surface functionalization with linkage reagent in order to anchor catalyst particles in the next step. Results show that the PECVD method is a universal method that can deposit high amine content of APTES polymerized film on various substrate surfaces. Optimized plasma conditions for APTES deposition were found and lead to a better hydrophilicity of the substrates, a higher coating thickness, as well as a higher amine group density than the conventional wet chemistry method. In addition, the APTES depositions lead to a further higher coverage and amount of AuNPs when the pH value is 6.2. Moreover, the results of immobilizing AuNPs on zeolite indicate that APTES is a better linker than MPTES as it provides a higher amount of gold loading. For zeolite and AuNPs@zeolite deposition, the particles were functionalized with carboxyl group using CES as a linker for bounding the protonated amines on COC surface that is pre-modified using PECVD method. The latter coating is stable in hydrodynamic flows and could be further used in microfluidics. Finally, the gold \Y zeolite \AuNPs@zeolite microreactors are respectively connected into pre-designed microfluidic system. The gold type microreactor exhibits stable high selectivity to benzaldehyde (~94%). However, it also shows relative low benzyl alcohol conversion (~20%). The AuNPs@zeolites type microreactor performs the best catalytic activity in our study as a high benzaldehyde selectivity (>99%) is obtained with the highest benzyl alcohol conversion (~40%).

La manipulation d'espèces radicalaires de haute énergie dans des conditions expérimentales de sécurité, et qui permet la prédictibilité et l'efficacité des processus engagés demeure un défi en synthèse moléculaire. Pour relever ce défi et développer ainsi de nouvelles voies de synthèses plus propres, notamment en limitant le nombre d’étapes et la consommation en solvants et en catalyseurs, l’équipe Procédés, Plasma, Microsystèmes de Chimie ParisTech développe au sein de l’Institut Pierre-Gilles de Gennes des réacteurs plasma gaz-liquide micro-structurés. Dans cette thèse, des procédés de microfabrication ont été développés afin d’élaborer des microréacteurs diphasiques avec plasma intégré. Deux types de microréacteurs sont présentés dans cette thèse. Le premier type de réacteur utilise des géométries permettant de générer des micro-bulles dans un flux de liquide. Les résultats expérimentaux ont pu démontrer la formation d’un plasma au sein de ces systèmes. Cependant, le transfert des radicaux à l’interface reste assez faible selon une modélisation numérique. Un deuxième microréacteur contenant des cavités de gaz a été ensuite conçu. La phase gazeuse reste immobile tandis que la phase liquide progresse dans le microcanal. Le transfert de radicaux de la phase gazeuse vers la phase liquide a été mis en évidence (réaction de fluorescence), et la nature et quantité des radicaux ont été déterminées (réaction de spin-trapping). Ces résultats ont pu être confrontés à ceux d’une simulation numérique en utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics. / Recently, organic synthesis by plasma technology is drawing more and more attention to chemists. The generation of a plasma leads to various reactive species (electrons, radicals, and positive and negative ions, etc.) which can therefore promote various chemical reactions. Engaging fewer reactions and catalysts and consuming less solvent, plasma-assisted reactions open up new and cleaner routes for organic synthesis. To control the selectivity of the radical reaction, it is necessary to precisely control the concentration of reactants and products, and be able therefore to inject or extract precisely chemical compounds in the reactive medium. As a consequence, microfluidics, known for its precise handling of fluid hydrodynamics, could be an ideal tool to control the reactivity of the radical species. In this study, a novel plasma-integrated microfluidics device has been developed with the objective to perform chemical synthesis. After a first step of electrode optimization and geometry optimization, a cavity plasma microreactor was conceived using rapid prototyping techniques. When the reactant is in the liquid phase, a key point is the radical transfer process from the plasma medium to the liquid phase. This transfer process was evaluated by means of electron paramagnetic resonance spectroscopy and fluorescence measurements. Experimental results show that the migration of various radical species (H and ∙OH) from gas to liquid phase was achieved. Moreover, the COMSOL numerical tool has also been employed to evaluate and assess both the radical transfer and plasma discharge processes in the microreactor.

Dans un contexte de croissance des diagnostics préventifs, la demande en produits de contraste augmente, tandis que leur prix de revient industriel doit être revu à la baisse pour des raisons de compétitivité. La voie de synthèse d’un produit de contraste à rayons X, molécule iodée aux branchements hydrophiles, comporte plusieurs réactions : certaines sont limitées par le transfert de matière (milieu réactionnel polyphasique) ou par le transfert de chaleur (réaction exothermique) tandis que d’autres sont limitées cinétiquement. Les performances des équipements continus intensifiés permettent de favoriser les phénomènes de transfert de matière et de chaleur, tout en garantissant une bonne sélectivité et reproductibilité. La chaine de synthèse globale est repensée en vue d’un passage en mode continu intensifié et les réactions à étudier en intensification locale sont classées par ordre de priorité selon leur potentiel d’intensification. A partir d’une approche combinée alliant résultats expérimentaux et simulation, des modèles réactionnels peuvent être construits pour orienter les essais, afin de converger rapidement vers des conditions opératoires menant aux performances souhaitées. La nouvelle voie de synthèse proposée mettra ainsi en jeu une alternance entre étapes continues et discontinues, ce qui induit des difficultés en termes de gestion de procédé. Une voie de synthèse entièrement soluble permettrait de contourner les limitations d’intensification dues à la présence de solides et d’envisager la chaine de synthèse globale en continu / Preventing diagnostics are increasing and so is the demand for contrast media while its industrial cost needs to be decreased for competitiveness reasons. The synthesis route for a contrast media used in X-ray medical imaging, an iodinated molecule with hydrophilic functional groups, is made of several reactions: some of them are limited by heat transfer (exothermic reactions) or/and mass transfer (multiple-phase media) while others are kinetically limited. The use of continuous intensified equipment leads to enhanced heat and mass transfer performances while keeping good selectivity and reproducibility. The synthesis route is globally modified in the first place in order to shift from batch to continuous intensified and the reactions are classified for local intensification studies. A combined approach based on experimental measurements and simulation enables the building of reaction models which can be used as a guideline for the experiments towards finding the operating conditions that lead to the desired performances at laboratory scale. The new synthesis route production is based on an alternation between continuous and discontinuous steps, which leads to difficult production management. New prospects are created with a new hydrophilic synthesis route, where the limitations for shifting from batch to continuous due to the presence of solids are solved and the whole synthesis route can be transferred from batch to continuous mode

L’étude traite la réalisation et la validation d’un microréacteur destiné à l’électrosynthèse organique. Le système électrochimique modèle est l’oxydation du 4-méthylanisole en 4-méthoxy-benzaldéhyde-diméthylacétal. La simulation du comportement théorique d’un réacteur électrochimique travaillant à haute conversion pour l’oxydation du 4-méthylanisole a permis de déterminer les conditions pour lesquelles le réacteur apporte un meilleur rendement. Les essais expérimentaux effectués sur un microréacteur travaillant en continu et à haute conversion ont montré l’influence de la concentration de l’électrolyte support KF sur le rendement de la réaction. Pour un débit optimal de 0,2 ml min-1, une concentration initiale en réactif de 0,1 M et en appliquant un courant égal à 85% du courant théorique nécessaire à convertir totalement le réactif en une seule passe dans la cellule, la sélectivité atteint 86% (pour une conversion de 95%), alors qu’elle n’est que de 68% dans le procédé BASF. / This work concerns the realization and the validation of a microstructured reactor for organic electrosynthesis. The electrochemical reaction is the oxidation of 4-methylanisole to 4-methoxy-benzaldehyde-dimethylacetal. Theoretical behaviour simulations of high conversion thin-gap flow cell of the 4-methylanisole show conditions for which the reactor has best productivity. The experimental tests carried out on high conversion thin-gap flow reactor showed the influence of the supporting electrolyte (KF) concentration on the reaction yield. For an optimal flow rate of 0.2 ml min-1, an initial reagent concentration of 0.1 M and a current equal to 85% of the theoretical current necessary to convert all reagent, it is possible to reach selectivity of 86% with single pass high conversion (95%) , whereas selectivity on BASF process doesn’t exceed 68%.

Un aspect clé permettant de surmonter les défis énergétiques et environnementaux est d'améliorer l'efficacité des nouveaux procédés. La plupart des produits chimiques majeurs se faisant par des procédés catalytiques, une meilleure compréhension des cinétiques de réaction est nécessaire. Dans le domaine du traitement des eaux usées, l'ozonation catalytique est en un exemple typique. Dans cette thèse, des microréacteurs catalytiques sont utilisés en tant qu’outils analytiques innovants afin de déterminer la cinétique de l'ozonation catalytique. Ceux-ci ont pu être élaborés à l'aide de procédés plasma en déposant et en activant un catalyseur à base d’oxyde de fer et de cobalt. L’efficacité de ces catalyseurs a été mesurée en utilisant de l'acide pyruvique en tant que polluant modèle. Pour Fe2O3, les mesures HPLC ont montré l'inactivité de celui-ci par rapport à Co3O4 (20%). Cet effet a été doublé après post-traitement par un plasma d'Ar, démontrant ainsi le rôle du plasma. Une simulation numérique portant sur les réactions à la surface du catalyseur a été réalisée en utilisant le logiciel Comsol Multiphysics. Le modèle utilisé s’est partiellement approché des données expérimentales en raison du manque de données concernant les constantes de réactions des espèces intermédiaires. Ces constantes cinétiques pourront être déterminées grâce à l'utilisation de la technique de spectroscopie Raman Anti-Stokes Cohérente (technique CARS) en tant qu’outil d'analyse en temps réel. En perspectives, l’utilisation de cette dernière conduira à l’élaboration d’un outil efficace qui pourrait prédire la pertinence et les futures stratégies d'amélioration sur des réactions chimiques catalysées. / A key aspect in overcoming the energy and environmental challenges is to improve the efficiency of existing and new processes. Nowadays, almost all major chemicals are produced by catalytic processes. However, a better understanding of the reaction pathways and kinetics is needed. In the field of wastewater treatment, catalytic ozonation is a typical example of this problem. In this study, catalytic microreactors were used as innovative analytical tools for the determination of kinetics of catalytic ozonation and were elaborated by using low pressure plasma processes for the deposition and activation of iron and oxide-based catalysts on polymer-based materials. Catalytic ozonation with pyruvic acid as a refractory probe compound was performed with both catalysts. HPLC measurements showed the inactivity of the iron oxide layer compared to the cobalt oxide one which led to 20 % of degradation. The effect was doubled when the latter was post-treated by an argon plasma, demonstrating the role and importance of the plasma post-treatment step. A numerical study dealing with the reactions taking place on the surface of the catalyst was carried out using the Comsol Multiphysics software and showed that the model partially fitted the experimental data due to the lack of information. However, access to the reactions rate constants of the intermediate species generated during the catalytic ozonation step could be achieved through the use of the Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy technique and would lead to an efficient tool to predict the relevance and the direction of future improvement strategies regarding catalyzed chemical reactions.

Cette étude se concentre sur l'influence des conditions hydrodynamiques et de mélange sur les caractéristiques de microcapsules obtenues par inversion/précipitation. Ce processus est classiquement exécuté dans une cuve agitée alors qu'il a été montré que l'exécution de procédés de fabrication de produits chimiques peut être améliorée en utilisant des microtechnologies en raison du meilleur contrôle hydrodynamique et de l'intensification des échanges de chaleur et de matières. Donc, afin d'évaluer l'avantage potentiel de ces nouvelles technologies, des microcapsules de parfum enrobé dans du PMMA ont été fabriquées par inversion de phase/précipitation (système THF/Eau) dans une cuve semi-fermé agitée standard, dans un mélangeur structuré et dans un micromélangeur de type V (FZK). Les trois procédés sont évalués en terme de propriétés de capsules (la distribution de taille, l'épaisseur de membrane, l'efficacité d'encapsulation et la cinétique de libération). Il a été montré que le micromélangeur offre une vaste gamme de conditions de fonctionnement / This study focuses on the influence of the hydrodynamic and mixing conditions on the characteristics of microcapsules obtained by inversion/precipitation. This process is classically run in semi-batch stirred tank while it has been shown that the performance of chemical product manufacturing processes can be improved by using microtechnologies due to better hydrodynamic control and intensification of mass and heat exchanges. Therefore, in order to evaluate the potential benefit of these new technologies, microcapsules of perfume in PMMA have been manufactured by phase inversion/precipitation (system THF/Water) in a classical semi-batch stirred tank, in a structured mixer and in a V-Type micromixer (FZK). The three process is evaluated in term of capsules properties (size distribution, membrane thickness, encapsulation efficiency and release rate). It is shown that micromixer offers a wide range of operating conditions