identifier: Fortier, C. (2015). Façonnage de la surface de nanoparticules pour la délivrance de gènes  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La vectorisation de gènes est devenue un outil incontournable dans les nouvelles biotechnologies. Elle est également au coeur de la recherche et du développement de thérapies géniques, qui visent à introduire du matériel génétique dans le noyau de cellules ciblées. L'ADN à transporter étant fragile, la plupart des techniques de vectorisation se fondent sur l'emploi de nanoobjets capables d'encapsuler et de protéger cet ADN. Ils permettent également le transport du gène jusqu'au noyau des cellules visées pour en permettre l'expression. Ces nanovecteurs sont formés à partir de divers matériaux, incluant des polymères. En particulier, les polyplexes sont des nanovecteurs issus de la complexation entre de l'ADN et un polymère chargé positivement. Les travaux présentés ici consistent à approfondir le rôle de l'interface entre un modèle de polyplexe et l'environnement physiologique et cellulaire avec lesquels il va interagir lors du processus de délivrance de gènes ou transfection. En particulier, dans le cadre de la lutte contre le cancer, la délivrance systémique est envisagée afin de permettre aux polyplexes de s'accumuler dans le tissu tumoral, ainsi que ses éventuelles métastases. L'enjeu est donc double : Il s'agit de doter les polyplexes de ligands leur permettant de cibler les cellules cancéreuses afin de livrer le gène au bon endroit ; et également d'un revêtement de surface les rendant capables de circuler sans encombre dans le sang tout en limitant leur élimination par le système des phagocytes mononucléés. Dans une première étude, nous avons mis en place un système d'accroche de ligands à la surface de polyplexes. Nous nous sommes basés sur le tandem de peptides E/Kcoil : deux peptides permettent un attachement stable, orienté et spécifique entre deux entités par auto-assemblage en solution. D'un côté, nous avons choisi un ligand : le facteur de croissance épidermique étiqueté avec le peptide Ecoil par ingénierie moléculaire (Ecoil-EGF) ; et de l'autre côté, un polyplexe décoré avec le peptide complémentaire Kcoil a été mis au point. Pour ce faire, un polymère cationique – le polyéthylènimine branché (bPEI) – a été fonctionnalisé avec une petite molécule réactive vers le peptide Kcoil. Les polyplexes formés avec ce PEI activé ont pu être décorés en surface en y greffant le peptide Kcoil. Ce système nous a permis d'étudier finement l'influence de la densité de ligand en surface du polyplexe par rapport à leur absorption par des cellules cancéreuses A431 sur-exprimant le récepteur de l'EGF (EGFR). Nous avons ainsi mis en évidence un effet de palier reliant le taux d'internalisation des polyplexes par les cellules A431 via l'interaction EGF/EGFR et la quantité de ligands sur les polyplexes. Ensuite, une deuxième étude a été menée au sujet de l'enrobage électrostatique de polyplexes au moyen de dextrane carboxyméthylé (CMD). Ici l'objectif était de dégager des relations entre la structure du revêtement – la densité de charge et le poids moléculaire du CMD utilisé – et sa fonction vis-à-vis de l'environnement physiologique. Nous avons préparé et caractérisé une chimiothèque de 26 CMD en opérant la carboxyméthylation contrôlée de 4 dextranes de poids moléculaires différents. Un protocole de revêtement électrostatique simple et robuste a été mis en place afin de mener une étude systématique de l'ensemble de la chimiothèque. Chaque formulation de polyplexes enrobés a été testée vis-à-vis de constituants du milieu physiologique découplés les uns des autres : petits ions, DNases, protéines du plasma, globules rouges, et cellules ciblées. Nous avons observé des tendances monotones entre chacun des deux paramètres et l'encapsulation de l'ADN. À notre grande surprise, ces observations n'ont pas été corrélées avec la protection de l'ADN contre la dégradation par les DNases, cette dernière se révélant corrélée à l'expression de gènes par les cellules ciblées.  ABSTRACT: Gene vectorization has become an essential tool in the field of biotechnology. It is also found at the heart of research and development of gene therapies, a specific goal of which is to deliver genetic material in the nuclei of target cells. As the DNA to be delivered is fragile, most vectorization techniques include the use of nanoobjects that are able to encapsulate and protect this delicate cargo. These nanoobjects also facilitate gene transport to the nuclei of target cells whereby its expression can occur. These nanovectors are made from varied materials that include polymers. Particularly, polyplexes form a class of nanovectors that derive from the complexation between DNA and a positively charged polymer. The works presented here are focused on the role of the interface between a model polyplex and the surrounding cellular and physiological environments during the process of gene delivery or transfection. More specifically, in the framework of oncology, systemic delivery has been investigated to enable polyplex accumulation in tumor tissue as well as in ensuing metastases. The stakes are twofold here: it is relevant to decorate polyplexes both with ligands that enable the specific targeting of cancer cells in order to deliver genes at the right place and with a complete surface coating enabling them to circulate more freely in the bloodstream while limiting their elimination by the mononuclear phagocyte system. In a first study, we set up a system to tether ligands at the surface of polyplexes. We based our works on the E/Kcoil tandem: two peptides that enable a stable, oriented and specific tethering between two entities by auto assembly in solution. On the one side, we chose a ligand: a chimeric protein corresponding to the Ecoil peptide fused with the epidermal growth factor (Ecoil-EGF); and on the other side, we engineered a Kcoil peptide-decorated polyplex. In that endeavor, a cationic polymer – branched polyethylenimine (bPEI) – was functionalized with a moiety reactive to the Kcoil peptide. Polyplexes prepared with this activated bPEI could then be decorated at their surface by the covalent grafting of Kcoil. This system enabled us to fine-tune the ligand surface density in order to study its influence on polyplex uptake by cancer-derived EGF receptor (EGFR)-over-expressing A431 cells. Thus, we evidenced a switch effect between the EGFR-specific polyplex uptake rate by A431 cells and the amount of ligand on polyplexes. Then, we carried out a second study that was focused on the electrostatic coating of polyplexes with carboxymethylated dextran (CMD). The objective was to draw relations between the coating structure – defined by the charge density and the molecular weight of the CMD used – and its function relative to the biological environment. We prepared and characterized a chemical library of 26 closely related CMDs by the controlled carboxymethylation of 4 dextrans differing by their molecular weight. A simple and robust electrostatic coating procedure was set up in order to carry out a systematic study of the CMD library. Each coated polyplex formulation was tested on decoupled relevant constituents of the physiological milieu: small ions, DNases, plasma proteins, red blood cells, and target cells. We observed monotonic trends between both parameters and DNA encapsulation. To our great surprise, those observations did not correlate with DNA protection against DNase challenging, the latter correlating with target cells reporter gene expression. Polyplex stability was evaluated at physiological salt concentration; the results of which indicated that both studied parameters had a jointed influence in preventing polyplex aggregation. At the surface of polyplexes, this influence translated in terms of steric and lateral stabilization rather than in terms of surface charge (zeta potential).


identifier: Abran, M. (2015). Développement d'un cathéter multimodal visant l'étude de la plaque d'athérosclérose  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif de cette thèse est de concevoir et valider un système d'imagerie par cathéter visant l'étude de la plaque d'athérosclérose. L'innovation repose dans l'intégration de plusieurs modalités d'imagerie dans un seul appareil. En effet, le système combine des techniques d'imagerie anatomique et moléculaire. Ceci permet d'obtenir de l'information riche et diversifiée en temps réel à propos de la plaque d'athérosclérose. Le système conçu permet d'effectuer simultanément l'imagerie ultrasonore intravasculaire (IVUS), l'imagerie photoacoustique intravasculaire (IVPA), ainsi que l'imagerie de fluorescence intravasculaire (NIRF). L'élastographie intravasculaire (IVE) est également possible en post-traitement. L'hypothèse de travail est que la combinaison de l'ensemble de ces techniques d'imagerie permet une étude plus détaillée que l'utilisation d'une seule modalité. L'IVUS est une technique d'imagerie morphologique largement utilisée en recherche clinique qui permet d'obtenir en temps réel des séries de coupes transversales des artères à haute résolution. La paroi artérielle peut être étudiée afin d'identifier certains types de plaque. L'IVUS est la composante principale du système d'imagerie par cathéter conçu dans le cadre de ce projet. Bien que cette technique d'imagerie permette de visualiser l'anatomie générale de l'artère, elle permet difficilement de caractériser les composantes principales d'une plaque vulnérable. Afin de complémenter l'IVUS, des techniques d'imagerie moléculaire, l'IVPA et la NIRF, ont été incorporées au système. Le but est d'étudier le développement de la plaque à un stade d'évolution plus précoce, alors qu'il y a inflammation de la paroi artérielle, mais une accumulation insuffisante de dépôts lipidiques pour être visibles en IVUS. L'imagerie moléculaire a le potentiel de mieux caractériser les plaques vulnérables, qui sont plus susceptibles de subir des complications, telle une thrombose. Une des applications potentielles est l'étude de l'effet de nouveaux médicaments, qui ne se traduit pas nécessairement par un changement anatomique perceptible en IVUS, mais plutôt par un changement au niveau moléculaire. L'IVE permet d'obtenir de l'information quantitative à propos des propriétés élastiques de la paroi artérielle. Elle vise à complémenter l'IVUS en fournissant des propriétés mécaniques de l'artère et en évaluant la vulnérabilité de la plaque d'athérosclérose. La première contribution de ce travail contient une description détaillée du système d'imagerie par cathéter qui a été conçu. Une preuve de concept est ensuite présentée en exposant des résultats sur fantômes exprimant un contraste dans toutes les modalités d'imagerie intégrées au système : l'IVUS, l'IVPA, la NIRF et l'IVE.La deuxième contribution pousse la validation du système plus loin en évaluant le potentiel de détection de la plaque d'athérosclérose in vivo chez le lapin. La combinaison de l'IVUS et de la NIRF, avec injection d'un biomarqueur, soit le vert d'indocyanine (ICG), a permis la détection de certaines plaques et a été comparée avec des techniques d'imagerie ex vivo. La performance ainsi que la reproductibilité des mesures ont été évaluées. La troisième contribution est reliée à la colocalisation des images en IVUS et en NIRF obtenues chez le lapin avec des images ex vivo volumétriques à très haute résolution. Les images ex vivo sont comparées à celles obtenues avec le cathéter, afin de mieux apprécier les capacités et les limites du système d'imagerie in vivo conçu.  ABSTRACT: The aim of this thesis is to design and validate a catheter imaging system for the study of the atherosclerotic plaque. The innovation resides in the integration of multiple imaging modalities in a single device. Indeed, the system combines anatomical and molecular imaging techniques. This allows obtaining rich and diversified information in real time about the atherosclerotic plaque.The designed system allows simultaneously performing intravascular ultrasound imaging (IVUS), intravascular photoacoustic imaging (IVPA) and intravascular fluorescence (NIRF). Intravascular elastography (IVE) is also possible in post-processing. The hypothesis of this work is that the combination of all these imaging techniques allows a more detailed study than the usage of a single modality.IVUS is a morphological imaging technique widely used in preclinical research that allows obtaining in real time series of cross sections of arteries at a high resolution. The artery wall can be studied to identify certain types of plaque. IVUS is the main component of the catheter imaging system designed in this project. While this imaging technique allows visualizing the general anatomy of the artery, it is not well suited for characterizing the main components of a vulnerable plaque. To complement IVUS, molecular imaging techniques, IVPA and NIRF, were incorporated to the system. The goal is to study the development of the plaque at an earlier evolution stage when there is inflammation in the artery wall, but an insufficient accumulation of lipids to be visible in IVUS. Molecular imaging has the potential to better characterize vulnerable plaques, which are more prone to complications, such as thrombosis. One of the potential applications is the study of the effect of new drugs, that doesn't always translate by an anatomical change perceptible in IVUS, but rather a change at the molecular level. IVE allows obtaining quantitative information about elastic properties of the artery wall. It aims at complementing IVUS by providing mechanical properties of the artery and by evaluating the vulnerability of atherosclerotic plaque. The first contribution to this work contains a detailed description of the designed catheter imaging system. A proof of concept is then presented by exposing results on phantoms with contrasts in all the imaging modalities integrated to the system: IVUS, IVPA, NIRF and IVE. The second contribution further validates the system by evaluating the detection potential of atherosclerotic plaque in vivo on rabbits. The IVUS and NIRF combination, with the injection of a biomarker, indocyanine green (ICG), allowed the detection of certain plaques and was compared to ex vivo imaging techniques. The performance and the reproducibility of the measures were evaluated. The third contribution is related to the colocalisation of IVUS and NIRF images obtained in rabbits with volumetric ex vivo images at a very high resolution. Ex vivo images are compared to the ones obtained with the catheter, in order to better appreciate the capabilities and the limitations of the designed in vivo imaging system.


identifier: Henao, J. F. (2015). Analyse biomécanique des contraintes et déformations exercées sur la moelle épinière et les nerfs rachidiens lors des manoeuvres de correction de la scoliose  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose est une déformation complexe du rachis qui se manifeste dans les trois plans anatomiques (Asher et coll., 2006; Morcuende et coll., 2003) ainsi que sur la position de la moelle épinière à l'intérieur du canal rachidien (Smorgick et coll., 2012). Lorsque la déformation atteint un certain niveau de sévérité (angle de Cobb de 50°), une procédure chirurgicale de fusion par instrumentation postérieure est souvent utilisée afin de corriger et arrêter la progression de la déformation (Cavali, 2012). Cette instrumentation consiste à appliquer des forces et déplacements complexes sur le rachis par l'intermédiaire d'implants tels des vis pédiculaires, des crochets et des tiges pour redresser le rachis. Les forces importantes générées lors de manoeuvres de correction peuvent causer des blessures à la moelle épinière et aux nerfs rachidiens (Fujioka et coll., 2006; Miguel et coll., 2012) dans 0,5% de cas instrumentés (Miguel et coll., 2012). La pathomécanique et l'impact biomécanique des contraintes et déformations exercées sur la moelle épinière et les nerfs rachidiens lors des manoeuvres de correction n'est pas encore bien compris (Persson et coll., 2011). Quelques études in vitro ont produit des données quantitatives sur l'effet neurologique de forces en tension sur la moelle épinière (Jarzem et coll., 1992; Owen et coll., 1988) et de contraintes en compression sur les nerfs rachidiens (Rydevik et coll., 1991). Cependant, aucune étude biomécanique n'a encore abordé les blessures médullaires suite à des manoeuvres chirurgicales. L'objectif de ce projet de recherche était de développer un modèle biomécanique du rachis et de la moelle épinière personnalisable, permettant d'évaluer les contraintes et déformations exercées sur la moelle épinière et les nerfs rachidiens lors de manoeuvres de correction de déformations scoliotiques. Pour atteindre cet objectif, tout d'abord, un protocole de simulation basé sur une modélisation hybride, composée d'un modèle multicorps flexible du rachis et d'un modèle éléments finis (MÉF) du rachis et de la moelle épinière, a été mis à point et vérifié. Pour cette première étude, les données cliniques d'un cas contrôle (cas #1) ainsi que celles d'un patient avec complication neurologique peropératoire (cas #2) ont été utilisées. La géométrie du MÉF a été adaptée à celle du patient en utilisant un algorithme de personnalisation basé sur des reconstructions 3D du rachis du patient, obtenues à partir des radiographies biplanaires calibrées, ainsi qu'une méthode de déformation élastique, le krigeage dual géométrique 3D. Afin de donner une représentation réaliste au MÉF de la moelle épinière scoliotique, les matières blanches et grises ont été déplacées du côté concave de la courbe scoliotique selon les données de Smorgick et coll. (2012). Les propriétés mécaniques des composants membranaires de la moelle épinière ont été calibrées selon des données expérimentales, dans la plupart des cas obtenues dans des conditions dynamiques (Tunturi, 1978; Wilcox et coll., 2003). Pour les autres structures modélisées, les propriétés mécaniques d'origine ont été utilisées. Les simulations d'instrumentations chirurgicales ont suivi un processus à deux niveaux: premièrement, une simulation multicorps flexible a permis d'obtenir les déplacements des marqueurs vertébraux situés au centre des plateaux vertébraux supérieurs et inférieurs ainsi que sur les sommets des pédicules. Cette cinématique 3D a été ensuite introduite dans le MÉF personnalisé afin de reproduire l'instrumentation. Pour chacun de deux scénarios chirurgicaux, des paramètres biomécaniques en tension tels la pression intra médullaire (PIM) et les déformations ont été comparés aux limites critiques reportées dans la littérature pour la moelle épinière (0,0067 MPa et 0,1 mm/mm, respectivement), et en compression, aux seuils critiques de fonctionnement neurologique des nerfs rachidiens (0,01 MPa). Pour les contraintes en cisaillement, des limites critiques sont inexistantes dans la littérature, par conséquent, les résultats obtenus ont été comparés entre chaque simulation.  ABSTRACT: Scoliosis is a complex spine deformation manifesting itself in the three anatomic planes (Asher et coll., 2006; Morcuende et coll., 2003) as well as on the spinal cord positioning inside the spinal canal (Smorgick et coll., 2012). When deformities reach a certain degree of severity (Cobb angle of 50°), a surgical procedure consisting on a posterior instrumentation and fusion is often required to correct and stop the progression of the deformities (Cavali, 2012). This instrumentation consists in applying complex forces and displacements on the spine through implants such as pedicle screws, hooks and rods in order to straighten the spine. The important forces generated during corrective maneuvers may cause spinal cord and spinal nerves injuries (Fujioka et coll., 2006; Miguel et coll., 2012), which occurs in 0.5% of the instrumented cases (Miguel et coll., 2012). The pathomechanisms and biomechanical impact of the stresses and strains exerted on the spinal cord and nerves during correction maneuvers is not yet well understood (Persson et coll., 2011). Few in vitro studies have addressed this type of injury, producing data on the neurological impact of tensile forces on the spinal cord (Jarzem et coll., 1992; Owen et coll., 1988) and compressive stresses on the spinal nerves (Rydevik et coll., 1991). However, biomechanical studies have not yet studied intra-operative spinal cord injuries. The objective of this research project was to develop a patient-specific biomechanical model of the spine and the spinal cord, capable of assessing the stresses and strains exerted on the spinal cord and nerves during a scoliosis correction maneuver.To achieve this objective, first, a simulation protocol based on a hybrid modeling, composed of a flexible multi-body model of the spine as well as a comprehensive finite element model (FEM) of the spine and spinal cord was developed and verified. For this first study, clinical data from a control case (case #1) as well as from a case with per-operative neurological complications (case #2) were utilized. The FEM geometry was personalized to patient-specific configuration by using 3D spine reconstructions from calibrated bi-planar radiographs and an elastic deformation method called the 3D geometric kriging. In order to have a more realistic representation of the FEM of the scoliotic spinal cord, the gray and white matter of the personalized model were displaced towards the concave side of the scoliotic curve, following the data from Smorgick et al. (2012). Mechanical properties of membranous components of the spinal cord were calibrated according to experimental data, mainly from dynamic set-ups. For other components of the model, the original mechanical properties from the FEM were utilized. Surgical instrumentation simulations were performed in a two level manner: first, a multi-body simulation was performed in order to obtain the displacement of vertebral landmarks located on the center of the top and bottom end-plates as well as at the top and bottom of the pedicles. Second, the displacement data obtained were imported to the personalized comprehensive FEM in order to reproduce the instrumentation maneuvers. For each one of the two surgical scenarios, tensile biomechanical parameters such as the internal medullar pressure (IMP) and strain were compared to the critical limits reported on the literature for the spinal cord (0.0067 MPa et 0.1 mm/mm, respectively), and compressive parameters, to the critical limits for spinal nerves (0.01 MPa). For the shear stress analysis, as there were no critical thresholds reported, the simulated results were compared between each simulation.


identifier: Dufresne, K. (2015). Traitement de polissage par marais épurateur du drainage minier acide  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière et métallurgique représente un secteur important de l'économie mondiale. Toutefois, les impacts sociaux et environnementaux engendrés par leurs activités sont non négligeables. Souvent, les sites miniers sont aux prises avec des problèmes de drainage minier acide (DMA), lesquels sont générés lorsque les minéraux sulfureux sont oxydés au contact de l'eau et de l'air et que le pouvoir neutralisant des minéraux acidivores ne permet pas de neutraliser tout l'acide qui est produit par l'oxydation des minéraux acidogènes (réactifs). Le DMA est caractérisé par un pH acide et des concentrations élevées en métaux et en sulfates. Les systèmes de traitement passif tels que les marais artificiels représentent une approche intéressante, d'un point de vue technologique, économique et environnemental, pour le traitement du DMA. Les marais épurateurs ont la capacité d'augmenter le pH et l'alcalinité, d'enlever le fer dissous et les autres métaux, ainsi que de réduire la concentration en sulfates dans le DMA. Le traitement de l'eau est accompli par une variété de processus physiques (sédimentation, floculation), chimiques (sorption) et biologiques (sulfato-réduction, phytoextration) fonctionnant de façon indépendante, dans certains cas, ou de manière interactive, dans d'autres.  ABSTRACT: Mining and metallurgical industries are critical to world's economy; however, their socio-environmental impacts are not negligible. Often, they have to deal with acid mine drainage (AMD), which is generated by sulfide oxidation in waste following the prolonged exposure to oxygen and water, if neutralizing minerals are insufficient. The AMD is characterized by low pH and high concentrations of dissolved metals and sulfates. Environmental impacts of AMD can be minimized by passive treatment systems such as constructed wetlands (CWs). They represent an interesting approach, from technological, economic, environmental and regulatory points of view, for the efficient treatment of AMD impacted waters. Wetlands have the capacity to increase pH and alkalinity, to remove dissolved iron and other metals, and to reduce sulfate concentration in AMD. Water treatment is accomplished by various physical (e.g. sedimentation, flocculation), chemical (e.g. sorption) and biological processes (e.g. sulfate reduction, phytoextration) acting independently, in some cases, or interactively, in others. However, cold climate could be challenging for CWs efficiency.


identifier: Frazza, L. (2015). Utilisation conjointe de lois de parois et modèles bas-Reynolds.  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente une méthode générique pour développer des lois de parois adaptatives consistantes spécifiques à un modèle de turbulence bas-Reynolds. Elles permettent d'améliorer la description et le traitement des couches limites en se raccordant exactement à la solution prédite par le modèle choisi, à n'importe quelle distance de la paroi, de la sous-couche visqueuse à la zone logarithmique. Le modèle de Launder-Sharma, utilisé ici, est adapté à une formulation logarithmique des variables de turbulence de façon à garantir la positivité de celles-ci sans limiteurs. Cette approche robuste est efficace numériquement et permet une résolution rapide. Le modèle bas-Reynolds est tout d'abord intégré  jusqu'à la paroi sur un problème unidimensionnel à l'aide d'un maillage fin de façon à produire des tables pour la vitesse et les variables de turbulences adimensionnelles. Ces tables sont spécifiques au modèle et serviront à calculer les conditions limites imposées par les lois de parois. Une loi de parois à deux échelles de vitesses est proposée afin d'améliorer les prédictions en présence de points de stagnation, décollement et recollement. Les performances de ces lois de parois sont évaluées sur des cas unidimensionnels puis bidimensionnels.En 1D, l'universalité des lois de parois est examinée sur des écoulements de Couette et de Poiseuille, afin de déterminer le domaine de validité des nouvelles lois de parois.  L'imposition de conditions limites consistantes calculées à partir des profils tabulés élimine les limitations classiques des lois standard. Il est possible de raccorder avec précision les lois de parois et le modèle bas-Reynolds jusque dans la sous-couche visqueuse. Cette approche donne, avec des lois de parois, la même solution que celle obtenue par intégration jusqu'à la paroi mais à un coût moindre.  Les lois de parois adaptatives à deux échelles de vitesses sont ensuite utilisées pour résoudre un écoulement sur une plaque plane en présence d'un décollement induit par un gradient de pression adverse. En imposant des conditions limites consistantes, on obtient des solutions indépendantes du maillage. La modélisation est également améliorée dans les zones de décollement en permettant de raccorder les solutions à une très petite distance.  Enfin, la méthode est validée sur un cas bidimensionnel complexe afin d'évaluer son applicabilité et comparer les prédictions aux résultats expérimentaux. Pouvant être raccordées à n'importe quelle distance, les lois de parois adaptatives sont simples et souples d'emploi.  ABSTRACT: The present document introduces a new generic method to develop consistent wall-functions specific to an arbitrary RANS low Reynolds turbulence model. Such an approach allows to match exactly the wall-function and the turbulence model at any distance from the viscous sublayer to the Logarithmic zone. The Launder-Sharma low-Reynolds turbulence model is adapted to a logarithmic formulation to guarantee the positivity of turbulence quantities without clipping. This, in turn, yields a robust and accurate solution procedure that is computationally efficient.  The model is first integrated down to the wall on the planar Coutte flow, in order to generate reference tables for dimensionless profiles of velocity and turbulence variables. These tables will be used to provide consistent boundary conditions in the wall-function strategy. A two-velocity scale wall function is proposed to improve predictions near stagnation, detachment and reattachment points. Performances of the present method are investigated on 1D and 2D cases. The usual assumption of universality of the profile is investigated on 1D Couette and Poiseuille flows to determine the range of validity of the precomputed tables. Using both model-consistent wall function and a low Reynolds number model largely reduces the limitation of traditional wall functions related to the choice of the wall distance. Furthermore, it yields solutions as accurate as when integration is performed down to the wall for a much reduced computational cost. The performances of the newly developed wall function in the presence of pressure gradient are then studied on a flat plate with pressure driven separation. Imposing a correctly computed normal derivative for turbulence kinetic energy largely improves results and the universality of the profile while leading to wall distance independent results. The present method is then validated on a complex flow by comparison with experimental results. Adaptive two-velocity scale wall function proves to be particularly easy to use as they can be matched at any distance. They did not show particular numerical difficulties and are even less stiff than one-velocity scale wall-functions.


identifier: Hamidian, A. (2015). Feasibility of Biomass Biodrying for Gasification Process  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'un des défis importants de gazéification de biomasse est la limite de la qualité de matière première surtout la teneur en humidité qui joue un rôle significatif sur la performance de gazéification. La gazéification requise de faible niveaux d'humidité (20% et moins) et plusieurs rapports ont souligné l'humidité comme un problème typique de la gazéification de biomasse. L'humidité élevée affecte les taux de réactions qui ont lieu dans les gazéificateurs à la suite de chute de la température et qu'elle finalement augmente la teneur en goudron, diminue le rendement en gaz, change la composition du gaz produit et touche l'efficacité. Donc, il faut obligatoirement prétraiter la biomasse avant le gazéificateur et réduire la teneur en humidité au niveau approprié et économique. Les solutions connues sont soit séchage naturel (pas pratiquement possible pour les usines à l'échelle commerciales) ou des technologies classiques de séchage (couts d'opération élevés). Bioséchage est un procédé alternatif qui utilise à la fois convection de l'air et la chaleur dégagé par réactions biologiques comme la source d'énergie, afin de réduire l'humidité. Dans le réacteur de bioséchage chaleur est générée à partir de décomposition exothermique de la fraction organique de biomasse et c'est la raison pour laquelle ce processus est appelé '' auto-chauffant ''. Utilisant telle technologie pour sécher la biomasse au prétraitement d'un procédé de gazéification rends plusieurs avantages économiques et environnementaux aux usines. En Europe, le bioséchage est utilisé pour traitement des déchets municipaux (MSW- Municipal Solid Waste) à l'échelle commerciale pour dégrader une partie de la portion biodégradable des déchets, afin de créer la chaleur et réduire la teneur en humidité pour générer le combustible solide récupéré (SFR- Solid Recovered Fuel). En Italie, l'industrie du vin a l'intention de développer le bioséchage pour la récupération de l'énergie des déchets de raisin après la fermentation et distillation, qui renvoie des avantages économiques énorme à l'industrie. Au Canada, le développement de cette technologie de séchage pour l'industrie des pâtes et papiers a été lancé à l'École polytechnique de Montréal comme une option pour des solutions de gestion des boues. Par conséquent, le réacteur discontinu a été développé en 2004 et ensuite le système continu (à l'échelle pilote) a été conçu en 2010 pour démontrer la faisabilité de bioséchage des boues mixte des usines des pâtes et papiers, pour la combustion efficace dans les chaudières. La boue mixte a été séchée dans le réacteur jusqu'au 45% d'humidité, ce qui est le niveau approprié pour qu'il soit utilisé économiquement dans une chaudière. Analyse technico-économique a également révélé les potentiels des avantages économiques pour les usines des pâtes et papiers.  Cependant, des incertitudes concernant la faisabilité de bioséchage existait pour d'autres types de biomasse qui sont habituellement utilisés dans les procédés de gazéification, et la raison de ces incertitudes est principalement le faible niveau de  nutriment disponible dans la matrice de biomasse ligno-cellulosique typique utilisé comme matière première. En outre, la viabilité économique de cette technologie en conjonction avec le procédé de gazéification à l'usine des pâtes et papiers avait été une question. Dans ce travail, la faisabilité de bioséchage de la biomasse en faible nutriment a été examinée par des expérimentations, et la modèle technico-économique a été élaboré afin de déterminer la performance de bioséchage à l'échelle commerciale. Dans l'analyse économique une approche globale pour estimation des couts de bioséchage a été introduite basé sur l'approche connue largement utilisée à l'industrie des procédés. Quelques sources de bénéfices ont aussi été identifiées.  ABSTRACT: An important challenge of biomass gasification is the limitation of feedstock quality especially the moisture content, which plays a significant role on the performance of gasification process. Gasification requires low moisture levels (20% and less) and several reports have emphasized on the moisture as a typical problem while gasifying biomass. Moisture affects overall reaction rates in the gasifiers as a result of temperature drop and ultimately increases tar content, decreases gas yield, changes the composition of produced gas and affects the efficiency. Therefore, it is mandatory to pre-treat the biomass before gasification and reduce the moisture content to the suitable and economic level. The well-known solutions are either natural drying (not practical for commercial plants) or conventional drying technologies (have high operating costs). Biodrying is an alternative process, which uses both convective air and heat of biological reactions as a source of energy, to reduce the moisture. In the biodrying reactor heat is generated from exothermic decomposition of organic fraction of biomass and that is why the process is called ‘'self-heating process''. Employing such technology for drying biomass at pre-treatment units of gasification process returns several economic and environmental advantages to mills.  In Europe, municipal waste treatment (MSW) plants use the biodrying at commercial scale to degrade a part of the biodegradable fraction of waste to generate heat and reduce the moisture content for high quality SRF (Solid Recovered Fuel) production. In Italy, wine industry is seeking to develop biodrying for energy recovery of grape wastes after fermentation and distillation, which returns economic benefits to the industry. In Canada, the development of biodrying technology for pulp and paper industry was started at École polytechnique de Montréal as an option for sludge management solution. Therefore, batch biodrying reactor was successfully developed in 2004 and the pilot-scale continuous system was designed in 2010 to demonstrate the feasibility of mixed sludge biodrying for efficient combustion in biomass boilers. Mixed sludge was biodried in the reactor to 45% moisture level, which was the suitable level for boiler application. Techno-economic analysis also revealed the potential economic benefits for pulp and paper mills.  However, considerable uncertainties existed in terms of feasibility of the biodrying technology for other types of biomass that are usually used in the gasification process, mainly because of low nutrient level of typical lignocellulosic biomass used as feedstock. Furthermore, the technology had not been shown to be economically viable in conjunction with gasification process at pulp and paper mills. In this work the feasibility of low-nutrient biomass biodrying was tested by experiments and techno-economic model was developed to identify the performance of biodrying process for commercial-scale application. In the economic analysis, a comprehensive approach for biodrying cost assessment was introduced that is based on the well-known approach widely used in the process industry and few sources of benefits were identified.


identifier: Zhu, Z. (2015). Experimental and Thermodynamic Investigation of RE-Mg-Zn (RE=Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu) Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Lors d'une “optimisation” / modélisation thermodynamique, des paramètres du modèle ajustables sont affinés à partir de toutes les données thermodynamiques et d'équilibres de phases disponibles de façon à obtenir un ensemble d'équations du modèle dépendant de la température et de la composition. A partir de ces équations du modèle, toutes les propriétés thermodynamiques et tous les diagrammes de phases peuvent être calculés par minimisation de l'énergie de Gibbs à l'aide d'un logiciel tel que FactSage. En général, l'optimisation d'un système ternaire commence par l'optimisation des trois sous-systèmes binaires. Les paramètres binaires du modèle sont ensuite utilisés pour estimer les propriétés des phases ternaires, et ces estimations sont ensuite améliorées par l'introduction de paramètres ternaires si nécessaire de façon à reproduire les données ternaires disponibles. Tous les systèmes binaires Mg-Zn et Mg-RE (où RE = terre rare) ont déjà été optimisés auparavant et les paramètres du modèle pour ces systèmes sont disponibles dans le logiciel FactSage. Dans le présent projet, tous les systèmes binaires RE-Zn et la plupart des systèmes ternaires RE-Mg-Zn sont optimisés.En premier lieu, toutes les données thermodynamiques et de diagrammes de phases disponibles pour les systèmes Re-Zn (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) ont été rassemblées et évaluées de manière critique. Les terres rares ont des propriétés très similaires. Les diagrammes de phases de tous les systèmes Re-Zn sont très semblables. Les tendances observées dans les propriétés des systèmes terre rare (RE)-Zn pour toute la séquence des terres rares ont été exploitées pour estimer les données manquantes et pour vérifier la cohérence des données existantes. Le Modèle de Miedema est également utilisé dans le présent projet pour évaluer l'enthalpie de mélange des phases liquides. A partir de toutes les données disponibles, une évaluation critique et une optimisation thermodynamiques de ces systèmes a été effectuée et des paramètres du modèle pour les propriétés thermodynamiques de toutes les phases ont été obtenus. En second lieu, des expériences de diffraction de neutrons (DN) in-situ ont été réalisées pour des échantillons choisis dans les systèmes Ce-Mg-Zn et Nd-Mg-Zn de façon à identifier les phases et les températures de transition. Grâce à la grande capacité de pénétration des neutrons, des échantillons de grande taille (10-20 grammes) peuvent être utilisés dans le présent travail, conduisant à un meilleur contrôle de la composition et à une résistance à l'oxydation accrue. Des informations plus précises à propos des relations de phases et du comportement en transformation découlent des présentes expériences de DN car celles-ci sont réalisées in-situ à des températures élevées. Toutes les données expérimentales de DN sont utilisées pour valider et affiner le modèle thermodynamique. Finalement, toutes les données de diagrammes de phases pour les systèmes RE-Mg-Zn ont été évaluées de manière critique et tous les systèmes ternaires RE-Mg-Zn (à l'exception de Sc-Mg-Zn, Pm-Mg-Zn, Eu-Mg-Zn et Yb-Mg-Zn) ont été optimisés à partir des systèmes binaires Mg-Zn, Mg-RE et RE-Zn. Les tendances et régularités observées sont utilisées à nouveau lors de l'optimisation des systèmes ternaires. Comme on pouvait s'y attendre, tous les systèmes RE-Mg-Zn sont liés de près. Les systèmes Ce-Mg-Zn et Nd-Mg-Zn sont optimisés de façon critique en prenant en compte les nouvelles données de DN. L'optimisation thermodynamique de tous les autres systèmes RE-Mg-Zn est grandement facilitée par l'optimisation simultanée des systèmes Ce-Mg-Zn et Nd-Mg-Zn. Il faut noter que le Modèle Quasichimique Modifié (MQM) est utilisé dans le présent projet pour décrire la phase liquide. Puisque l'ordre à courte distance est pris en compte par ce modèle,  on s'attend à une meilleure description de la phase liquide. Le présent projet a pour but de construire une banque de données thermodynamiques la plus complète et la plus précise possible pour les systèmes RE-Mg-Zn. Les chercheurs  s'intéressant aux alliages de Mg pourront en bénéficier.  ABSTRACT: In a thermodynamic “optimization/modeling”, adjustable model parameters are refined based on all available thermodynamic and phase-equilibrium data in order to obtain one set of model equations as functions of temperature and composition. From the model equations, all the thermodynamic properties and phase diagrams can be back-calculated by Gibbs energy minimization using software such as FactSage. Generally, in the optimization of a ternary system one begins by optimizing the three binary sub-systems. The binary model parameters are then used to estimate the properties of the ternary phases, and these estimates are then refined by introducing ternary model parameters where required to reproduce available ternary data. All binary Mg-Zn and Mg-RE (where RE = rare earth) systems have already been optimized and the model parameters of these systems are readily available in the FactSage software. In the present project, all binary RE-Zn and most of the ternary RE-Mg-Zn systems are optimized.Firstly, all available phase diagram and thermodynamic data for the RE-Zn (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) systems have been collected and critically assessed. The rare earth elements have very similar properties. The phase diagrams of all RE-Zn systems are very similar. Trends in the properties of the rare earth (RE)-Zn systems as one traverses the rare earth series have been exploited for purposes of estimating missing data and for checking existing data for consistency. The Miedema Model is also used in the present project to estimate the enthalpy of mixing of the liquid phases. Based on all available data, critical thermodynamic evaluation and optimization of these systems have been carried out and model parameters for the thermodynamic properties of all phases have been obtained.Secondly, in-situ neutron diffraction (ND) experiments have been performed on selected samples in the Ce-Mg-Zn and Nd-Mg-Zn systems to identify phases and transition temperatures. Due to the high penetrating power of neutrons, large samples (10-20 grams) are used in the present work, leading to better control of composition and increased resistance to oxidation. More accurate information about phase relationships and transformation behavior can also be expected from the present ND experiments because they are performed in-situ at high temperatures. All the ND experimental data are used to validate and refine the thermodynamic modelling.Finally, all phase diagram data for the RE-Mg-Zn systems have been critically assessed and all ternary RE-Mg-Zn (excluding Sc-Mg-Zn, Pm-Mg-Zn, Eu-Mg-Zn and Yb-Mg-Zn) systems have been optimized, based on the binary Mg-Zn, Mg-RE and RE-Zn systems. Observed trends and regularities are again used in the optimization of the ternary systems. As expected, all RE-Mg-Zn systems are similarly closely related. The Ce-Mg-Zn and Nd-Mg-Zn systems are critically optimized taking into account the new ND data. Thermodynamic optimization of all other RE-Mg-Zn systems is greatly aided by simultaneous optimization of the Ce-Mg-Zn and Nd-Mg-Zn systems.It should be noted that the Modified Quasichemical Model (MQM) is used in the present project to describe the liquid phase. Since short range ordering (SRO) is taken into account by this model, better description of the liquid phase is expected.The present project is aimed at building the most complete and accurate thermodynamic database for the RE-Mg-Zn systems from which all investigators of Mg alloys can benefit.


identifier: Lassaigne, M. (2015). Étude expérimentale du mélange solide-liquide : caractérisation des suspensions concentrées en milieu visqueux  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente une étude expérimentale du mélange solide-liquide en milieu visqueux et pour des concentrations élevées en solides, un système de mélange encore peu connu et responsable de fortes pertes industrielles. Le mélangeur est une cuve mécaniquement agitée par une turbine à pales inclinées, un agitateur fréquemment utilisé par les industries chimiques. Dans un objectif de compréhension hydrodynamique et phénoménologique, trois paramètres ont été caractérisés: la vitesse minimale de suspension complète (Njs), la vitesse d'homogénéisation (NH) et le temps d'homogénéisation (tH). La technique de pression de jauge (PGT) et la tomographie par résistance électrique (ERT) ont été implémentées pour la détermination respective de Njs et NH et tH. L'étude est complétée par la mesure du couple et de la hauteur de suspension, ainsi que par l'utilisation d'un modèle numérique développé dans le groupe. Tout d'abord, la méthode de pression de jauge a été adaptée avec succès aux régimes laminaire et transitoire, et montre une répétabilité et une stabilité adéquates. Un plan d'expérience optimal a permis d'évaluer l'effet de cinq facteurs majeurs sur l'hydrodynamique du mélange: le diamètre des particules (dp), la fraction massique de solides (Xw), la viscosité du fluide (μ), le diamètre de l'agitateur (D) et le dégagement au fond (C). En régime transitoire, comme en régime turbulent, Njs et NH diminuent pour de larges agitateurs. Les effets de dp et de μ montrent un comportement opposé à celui observé en turbulent puisque Njs diminue lorsque dp et μ augmentent. De plus, Xw présente un impact complexe, dépendant en partie de la taille des particules. Ces observations ont été associées à un phénomène d'érosion de lit dont le mécanisme diffère largement de la suspension en régime turbulent. Ces particularités expliquent les déviations observées avec les valeurs prédites par la corrélation de Zwietering (Zwietering, 1958). Tout comme pour D/T, les effets de Xw, dp et C/T sur NH sont équivalents à ceux rapportés en régime turbulent, puisque NH augmente lorsque Xw et dp augmentent, et lorsque C/T diminue. L'étude de tH démontre que l'obtention d'une suspension homogène à partir de particules sédimentées est majoritairement contrôlée par leur mise en suspension. La coopération entre caractérisation expérimentale et étude numérique a permis d'une part d'attester de la validité phénoménologique du modèle, et d'autre part d'apporter de nouveau éléments à la compréhension hydrodynamique du système étudié. Mots-clefs: mélange solide-liquide – fluide visqueux – suspensions concentrées – cuve mécaniquement agitée – vitesse minimale de suspension  ABSTRACT: To address a considerable lack of knowledge in solid-liquid mixing, the suspension of large concentrations of spherical particles in a viscous fluid is investigated through the experimental characterization of fundamental mixing parameters: the just-suspension speed (Njs), the homogenization speed (NH) and the homogenization time (tH). Known for its great efficiency for suspending particles in turbulent regime, and commonly used in the chemical industry, the pitched blade turbine is investigated. Njs is characterized by the pressure gauge technique (PGT), NH and tH are measured using a robust and simple technique of electrical resistance tomography (ERT). The description of the system is further characterized by means of power consumption and cloud height measurements, and by comparing the experimental data to numerical results. First, the PGT method was successfully adapted to laminar and transitional regimes of operation, with good reproducibility and stability. To explore the effect of particle diameter (dp), solid mass concentration (Xw), viscosity (μ), impeller diameter (D) and bottom-off clearance (C), an optimal design of experiment was carried out, from which the effects of every factor was determined. In early transitional regime with non-dilute concentration of solid particles, an increase in D causes Njs and NH to considerably decrease, as also reported in turbulent regime. Unlike the prediction of the well-known Zwietering correlation (Zwietering, 1958), it is found that increasing dp or μ leads to a decrease of Njs. In addition, the effect of solid concentration is more complex than what is predicted by the Zwietering correlation, showing a dependency on dp. The large discrepancies observed between our experimental values and Zwietering correlation values of Njs are related to the differences in hydrodynamics and suspension mechanisms regarding the operating regime. The effects of dp and μ for solid suspensions in a viscous liquid appear to correspond to the erosion of a bed of particles. The impact of Xw, dp and C/T on NH are similar to those reported on turbulent regime. The study on the homogenization time tH shows that the erosion of the particle bed is the dominating phenomenon to consider in order to achieve a fully suspended state and an uniform distribution of the particles. Finally, the numerical model developed in our group is validated by comparison with experimental data, and is used to fully understand the mixing system investigated. Keywords: solid-liquid mixing - viscous fluid - high solid loading – stirred tank – just suspended speed


identifier: Kannangara, M. S. (2015). Development and Integration of Acid Precipitation Based Lignin Biorefineries in Kraft Pulping Mills  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation des ressources fossiles pour la production de biens et de services a des conséquences désastreuses sur l'environnement. Pour réduire leur impact, l'utilisation de matières premières ainsi que d'énergie renouvelables a été proposée en vue du développement d'une bioéconomie durable. L'industrie des pâtes et papiers en Amérique du Nord est actuellement confrontée à de rudes conditions économiques en raison de la diminution de la demande en produits papetiers traditionnels, la concurrence internationale et l'augmentation des prix de l'énergie. Les technologies de bioraffinage, qui transforment les constituants du bois en produits chimiques d'origine biologique à haute valeur ajoutée, représente, pour l'industrie des pâtes et papier, un moyen d'augmenter ses revenus, de diversifier son portefeuille de produits et de devenir plus durable sur le long terme. Elle est particulièrement bien placée pour répondre à cette tâche en raison de l'accès à la biomasse, de la manutention du bois et de l'infrastructure de transport, et de l'expertise existante dans les produits traditionnels obtenus à partir du bois. L'extraction et la transformation de la lignine aux produits à haute valeur ajoutée a été identifiée comme l'une des voies de bioraffinage les plus rentables dans les usines de fabrication de pâte Kraft. L'extraction de la lignine, qui est une étape cruciale de la bioraffinerie intégrée, interagit à un degré élevé avec l'usine de pâte Kraft. L'importance de cette interaction est renforcée par la possibilité d'augmenter la production de pâte à papier grâce l'extraction de la lignine. Afin de réussir l'intégration de l'unité de bioraffinerie de la lignine dans les usines de fabrication de pâte Kraft, il est nécessaire de comprendre et de traiter les interactions entre les processus d'extraction de la lignine et l'usine de pâte Kraft réceptrice. De plus, il est nécessaire d'améliorer la rentabilité et la performance environnementale des procédés d'extraction de la lignine par l'amélioration de ses opérations unitaires et de répondre aux demandes énergétiques et chimiques internes au procédé. Dans cette thèse, le développement et l'intégration des processus de précipitations acides dans les usines de fabrication de pâte Kraft en vue d'améliorer leur performance économique et environnementale ont été étudiés. Dans la première partie de cette recherche, les effets de l'énergie de la mise en oeuvre du processus de précipitations acides sur la fabrication de la pâte kraft ont été évalués. Une usine de pâte Kraft canadienne représentative a été utilisée comme référence. Bien que le processus de précipitations acides n'ait pas une demande en énergie considérable, l'élimination de la lignine réduit la vi production d'énergie de la chaudière de récupération et augmente la demande en vapeur de l'évaporateur. La production d'électricité a également diminué en raison de la diminution de la production d'énergie de la part de la chaudière. Un taux d'extraction de la lignine de 15% a permis une réduction de la récupération de la production d'énergie de la chaudière de 13,5% et une augmentation de 15% de la production de pâte à papier en raison du desembouteillage de la chaudière de récupération. Les déficits en énergie dans le processus Kraft ont été résolus par des mesures combinant des projets d'économie d'énergie identifiés à l'aide de l'analyse Pinch, d'une augmentation de la production d'énergie de la chaudière et de gazéification de la biomasse à cycle combiné. Il a été montré que la lutte contre les déficits d'énergie interne était possible, mais nécessite un haut degré d'intégration d'énergie. Dans la deuxième partie de l'ouvrage, les effets sur l'équilibre chimique ont été étudiés. Une approche de modélisation basée sur l'équilibre électrolytique, qui a été proposée pour estimer les variations du pH et de la composition chimique de la liqueur noire, ont été utilisés pour simuler le processus de précipitations acides. Un algorithme basé sur le ratio Na / S a été utilisé pour calculer les équilibres chimiques du cycle de liqueur de l'usine de pâte Kraft. L'équilibrage entre Na et S a été réalisé suivant plusieurs stratégies basées sur les contraintes de l'usine et sur le recyclage du filtrat nettoyé. L'élimination complète ou le recyclage excessif de filtrats de lavage ont été trouvés pour augmenter l'exigence de récupération caustique. La demande caustique pourrait être minimisée en recyclant une partie des filtrats de lavage les plus concentrés, de sorte que la perturbation de l'équilibre Na / S soit minimale. L'efficacité de l'installation de lavage a également été trouvée pour affecter la demande de récupération caustique. La stratégie d'équilibrage entre Na et S a également affecté les charges de récupération des cycles opératoires, notamment ceux du train de l'évaporateur, de la caustification et du four à chaux. Par conséquent, les goulets d'étranglement dans les autres opérations de valorisation doivent être pris en compte lors du choix d'une stratégie de sorte que les demandes en produits chimiques soient réduits au minimum et qu'une augmentation maximale de la production de pâte à papier soit obtenue. Dans les troisième et quatrième parties de cette recherche, les possibilités de réduction des coûts des processus de précipitations acides ont été étudiées. Comme la filtration et l'équipement de lavage représentent une partie importante des coûts en capital dans une usine de précipitation de la lignine, la possibilité d'améliorer la filtration de la lignine par optimisation hydrodynamique a été évaluée. Les conditions hydrodynamiques au cours de coagulation et de la floculation de la vii lignine ont été variées et les particules de lignine précipitées ont été caractérisées en termes de propriétés de particules et de filtration. Il a été trouvé que le taux de cisaillement turbulent est le paramètre hydrodynamique déterminant qui contrôle la taille et la forme des particules de la lignine précipitée. Les particules les plus compactes et les plus grandes, qui peuvent être obtenus par contrôle hydrodynamique, ont présenté des propriétés de filtration et de lavage supérieures. L'optimisation systématique des paramètres a été utilisée comme moyen d'améliorer le rendement et la performance de filtration du procédé de précipitation acide. Les expériences ont été effectuées en utilisant l'approche Taguchi et les résultats ont été analysés en utilisant le rapport S / N et les méthodes statistiques d'analyse de variance. La teneur de la liqueur noire en contenu solide a été identifiée comme le paramètre le plus critique, ce qui a eu la plus grande influence à la fois sur le rendement de la lignine et sur la résistance à la filtration. Les paramètres optimaux définis pour la performance de filtration, qui ont produit une lignine avec la plus basse teneur en cendres de 0,09%, n'a pas fourni le rendement le plus élevé en lignine. Par conséquent, il est prendre en compte qu'un compromis entre la pureté de la lignine et de processus économiques lors de l'élaboration des procédés de précipitation de la lignine pour des applications spécifiques serait nécessaire. Enfin, la faisabilité technico-économique de l'utilisation de four à chaux gaz de combustion pour l'acidifaction de la liqueur noire a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont montré qu'il est possible d'obtenir de la lignine filtrable, bien que la cinétique de l'acidification soit beaucoup plus lente. Une simulation et une analyse économique ont révélé que malgré la réduction du coût en CO2, le four à chaux approvisionné en gaz de combustion était économiquement moins attrayant que l'achat de CO2 externe en raison des exigences de nettoyage des gaz et de la taille accrue des réservoirs d'acidification. L'analyse de sensibilité a montré que les prix et la demande de CO2 du procédé doivent être considérablement plus élevés pour qu'il soit économiquement attrayant.  ABSTRACT: The use of fossil fuel resources for manufacture of goods and services has dire consequences on the environment. To reduce the impact, the use of renewable raw materials and energy has been suggested, leading to a sustainable bioeconomy. The pulp and paper industry in North America is currently facing stiff economic conditions due to declining demand for traditional paper commodities, international competition and rising energy prices. The biorefinery technologies, which convert wood components to value added bio-based chemicals and products, can be a means for the pulp and paper industry to increase its revenue, diversify the product portfolio and become more sustainable in the long run. The industry is uniquely positioned to accommodate this task due to access to biomass, existing wood handling and transportation infrastructures and expertise in traditional wood products. The extraction and conversion of lignin to value added products has been identified as one of the most profitable biorefining pathways in Kraft pulping mills. Extraction of lignin, a crucial step of the integrated lignin biorefinery, has a high degree of interaction with the receptor Kraft pulping mill. The importance of the interaction is further enhanced by the possibility of incremental pulp production with lignin extraction. For successful implementation of the lignin biorefinery in Kraft pulping mills, we should understand and address the interactions between lignin extraction process and receptor Kraft pulping mill. Furthermore, it is necessary to enhance the profitability and environmental performance of the lignin extraction processes by improving its operations and meeting the internal energy and chemical demands. In this thesis, the development and integration of acid precipitation process in Kraft pulping mills to improve its economic and environmental performance have been investigated. In the first part of this research, the energy impacts of implementing the acid precipitation process on the Kraft pulping mill was evaluated. A representative Canadian softwood Kraft pulping mill have been used as the reference. Although, the acid precipitation process did not have considerable energy demands, the lignin removal reduced the recovery boiler energy production and increased the evaporator steam demand. The electricity production was also decreased due to reduced recovery boiler steam production. A total of 15% lignin extraction reduced the recovery boiler energy production by 13.5% and allowed an increase of pulp production capacity by 15% through recovery boiler debottlenecking. The energy deficits in the Kraft process was addressed by ix measures combining energy savings projects identified using Pinch analysis, biomass boiler energy production increase and biomass gasification combined cycle. It was shown that addressing the energy deficits internally was feasible, but requires high degree of energy integration. In the second part of the work, the impact of integrating a lignin biorefinery on the chemical balance of Kraft pulping mill have been investigated. A modeling approach based on electrolyte equilibrium, which was proposed to estimate pH and chemical composition variations of the black liquor, have been used to simulate the acid precipitation process. A calculation sequence based on Na/S balances was utilized to calculate the chemical balances of the liquor cycle of the Kraft pulping mill. Balancing Na and S have been performed according to several strategies based on mill constraints and wash filtrate recycle. Complete disposal or excessive recycle of wash filtrates have been found to increase the make-up caustic requirement. The caustic demand could be minimized by recycling a part of most concentrated wash filtrates so that disruption of the Na/S balance was minimum. The efficiency of the washing setup was also found to affect the make-up caustic demand. The Na and S balancing strategy also affected the loads to the recovery cycle operations including evaporator train, recausticizing and lime kiln. Therefore, the bottlenecks in the other recovery operations have to be taken into account in selecting a strategy so that chemical demands are minimized and maximum pulp production increase is obtained. In the third and fourth parts of this research, possibilities of reducing the costs of acid precipitation process have been investigated. As filtration and washing equipment represent a significant portion of capital costs in a lignin precipitation plant, the feasibility of improving lignin filtration by hydrodynamic optimization has been evaluated. The hydrodynamic conditions during lignin coagulation and flocculation were varied and the precipitated lignin particles were characterized in terms of particle and filtration properties. The turbulent shear rate was found to be the determining hydrodynamic parameter that controlled the size and shape of the precipitated lignin particles. More compact and larger particles, which could be obtained by hydrodynamic control, provided superior filtration and washing properties. The systematic parameter optimization was used as means of improving the yield and filtration performance of the acid precipitation process. The experiments were performed using the Taguchi statistical design of experiments approach and the results were analyzed using signal-to-noise ratio and analysis of variance statistical methods. The black liquor solid content have been identified as x the most critical parameter, which had the largest influence on both lignin yield and filtration resistance. The optimal parameters set for filtration performance, which produced lignin with lowest ash content of 0.09%, did not provide the highest lignin yield. Therefore, considering trade-offs between lignin purity and process economics would be required, when developing lignin precipitation processes for specific applications. Lastly, the economic and technical feasibility of using lime kiln flue gases for black liquor acidification was investigated. The experimental results showed that it is feasible to obtain filterable lignin, however, the kinetics of the acidification was considerably slower. A simulation and economic analysis revealed that despite the elimination of CO2 cost, the lime kiln flue gas supply was less attractive economically than external CO2 purchase due to the gas cleaning requirements and increased size of acidification vessels. The sensitivity analysis showed that CO2 price and CO2 demand of the process has to be considerably higher that current values for the use of flue gases to be economically attractive.


identifier: Brault, S. (2015). Systems of Differential-Algebraic Equations Encountered in the Numerical Modeling of High-Temperature Superconductors  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de ce mémoire est d'étudier les systèmes d'Équations Différentielles et Algébriques (EDA) qui apparaissent lors de la modélisation numérique d'équipements électriques supraconducteurs à Haute Température Critique (HTC). Ces systèmes d'équations ainsi que le comportement non linéaire des matériaux supraconducteurs sont possiblement responsables des difficultés rencontrées lors de simulations numériques de ces appareillages. Dans la littérature, beaucoup d'attention a été portée aux problèmes liés à la nonlinéarité des matériaux, mais, au meilleur de notre connaissance, aucune étude des systèmes d'équations différentielles et algébriques n'a été répertoriée. Ainsi, il est essentiel d'approfondir nos connaissances à leur sujet dans le cadre de la simulation numérique d'équipements supraconducteurs à HTC. Dans ce document, nous présentons une revue de la théorie des supraconducteurs de type I et de type II. Cette revue nous permet de bien comprendre le potentiel des supraconducteurs à HTC en électrotechnique. Ces derniers se démarquent notamment par leur capacité à opérer en fort champ et par leur température critique élevée. Nous discutons que la simulation numérique d'équipements supraconducteurs permet de les optimiser à faible coût en améliorant certaines caractéristiques d'opération tel que les pertes en courant alternatif. Ensuite, nous présentons les principaux modèles physiques utilisés pour modéliser les équipements supraconducteurs. Plus précisément, nous décrivons un modèle 1-D utilisant une formulation en flux magnétique. Ce modèle est relativement simple mais son équation aux dérivées partielles possède une solution analytique connue. Ce modèle est donc utile pour s'introduire à la discipline et vérifier une méthode numérique implémentée dans un code. Puis, nous présentons des modèles 2-D et 3-D qui utilisent la formulation en champs magnétique. Ces modèles sont une meilleure approximation de la réalité que le modèle 1-D. Ils peuvent notamment considérer des matériaux de différentes natures et géométries. Cependant, ils sont plus complexes. Finalement, nous présentons un modèle qui utilise la formulation en potentiel vecteur magnétique sous sa forme intégrale. Ce modèle peut tenir compte d'effets 3-D en utilisant la bonne définition pour l'intégrale du potentiel vecteur. Nous présentons deux méthodes numériques pour discrétiser les équations des modèles physiques dans l'espace, soit la Méthode des Éléments Finis (MEF) et la Méthode Semi-Analytique (MSA). Nous montrons que la MEF est utilisée pour discrétiser une forme faible des équations à l'aide d'une approximation discrète de la solution sur un maillage constitué d'éléments. Nous introduisons deux types d'éléments: les éléments finis nodaux et les éléments d'arrête (edge elements). Finalement, nous présentons brièvement la MSA qui est utilisée pour discrétiser dans l'espace les équations de la formulation en potentiel vecteur magnétique sous sa forme intégrale. Cette méthode consiste à trouver une expression analytique reliant des champs et des potentiels aux termes sources sur une certaine discrétisation puis à résoudre le système d'équations résultant numériquement. Il s'agit d'une méthode à collocation par point.  ABSTRACT: The main objective of this thesis is to study the systems of Differential-Algebraic Equations (DAE) encountered in the numerical modeling of electrical devices made of High-Temperature Superconductors (HTS). These systems of equations and the nonlinear behavior of HTS are possibly responsible for the difficulties faced when simulating HTS devices. In the literature, much attention is paid to the issues related to the nonlinearity of HTS but, to the best of our knowledge, there is no in-depth study of the problems related to the systems of DAE. Consequently, it is essential to improve our knowledge about those systems, in the context of HTS modeling. In this document, we review the theory of type I and type II superconductors. This review is useful to understand the potential of HTS materials for power engineering applications. Their potential is mainly due to their ability to operate in strong fields and their high critical temperatures. We discuss that numerical simulation can be used to optimize HTS devices at low cost, by improving some quantities of interest, e.g.\ AC losses. We introduce the main physical models used for the modeling of HTS devices. We describe a 1-D model based on a magnetic flux density formulation. This model is relatively simple but has a known analytical solution for a nonlinear HTS problem. It is convenient to use as an introduction to the methodology used in this thesis and to verify a code. Then, we introduce a 2-D and a 3-D model based on a magnetic field formulation. These models provide a better representation of the reality than the 1-D model. They can consider materials with different properties and complex geometries. However, they are more complicated than the 1-D model. Finally, we review a model based on a magnetic vector potential formulation in integral form (A-V). This model can take into account 3-D effects by using the proper definition for the magnetic vector potential integral. We summarize two numerical methods to discretize the equations of the physical models in space, i.e.\ the Finite Element Method (FEM) and the Semi-Analytical Method (SAM). The FEM is used to discretize a weak form of the equations of the models using a discrete approximation of the solution over a mesh made of geometrical elements. We introduce two types of elements: nodal elements and edge elements. Then, we review the SAM, a numerical method used to discretize the equations of the magnetic vector potential formulation in integral form. It is a collocation method. We introduce systems of DAE. These systems of equations are obtained after discretizing the equations of the physical models in space. We discuss that the mathematical structure of a system of DAE can be described by a notion called the index. The index is the number of derivation required for a system of DAE to become a system of Ordinary Differential Equations (ODEs). We note that systems of DAE of index 2 in Hessenberg form are recurrent in variational problems. Subsequently, we discuss three strategies to discretize systems of DAE in time, i.e.\ direct discretization, reduction of the index and reformulation into semi-explicit form. The direct discretization strategy consists in applying directly an implicit time integration scheme to a system of DAE without reducing its index. In most cases, this yields a system of nonlinear equations. The reduction of index consists in reducing the index of the system of DAE and then reassess its structure. Systems of DAE of index 0 can be reformulated into a semi-explicit form and then discretized using an explicit method. We introduce two time transient solvers that use the direct discretization strategy, i.e. Differential-Algebraic System SoLver (DASSL) and Implicit Differential-Algebraic Solver (IDAS).


identifier: Gurlek, B. (2015). Design and Analysis of Slot Based Transparent Magnet-Less Non-Reciprocal Metasurfaces  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le but de ce travail de recherche est de concevoir et d'analyser des métasurfaces gyrotropiques non-réciproques ne nécessitant pas de champ de polarisation magnétique. Une réponse non-réciproque peut être obtenue en brisant la symétrie par renversement du temps (symétrie T). Ce qui peut être réalisé en utilisant des quantités qui sont antisymétriques par renversement du temps comme le champ magnétique, le courant électrique, le moment et le moment angulaire orbital. Dans ce travail, un courant électrique de polarisation est utilisé pour briser la symétrie T et ainsi obtenir une réponse gyrotropique non-réciproque. Un réseau périodique en deux dimensions constitué d'ouvertures annulaires terminées par de grandes ouvertures carrées et chargées par des semi-conducteurs unidirectionnels est suggéré pour réaliser une métasurface non-réciproque sans polarisation magnétique (MNM). Il est montré qu'une terminaison avec de larges ouvertures carrées est nécessaire pour assurer une adaptation d'impédance entre les ouvertures annulaires et les composants unidirectionnels. De ce fait, une structure MNM est conçue pour obtenir une résonance à ondes progressives,i.e. un dipôle magnétique tournant se comportant de la même façon qu'une molécule de ferrite magnétisée. Les coefficients de réflexion et de transmission de la structure sont calculés numériquement pour en démontrer la réponse gyrotropique non-réciproque. Par ailleurs, la réponse asymétrique de la structure, pour des ondes planes incidentes de polarisation en x ou en y, est mise en évidence et il est suggéré qu'une rotation de la structure permettrait une réponse symétrique non-réciproque au prix de perdre l'effet gyrotropique non-réciproque similaire aux structures en ferrite. Une explication physique de l'effet gyrotropique non-réciproque, obtenu en empêchant la propagation dans le sens inverse de l'un des modes-propres de la structure, est fournie en utilisant la théorie de Sturm-Liouville. Afin de comprendre la réponse électromagnétique d'une métasurface, les paramètres bi-anisotropiques de surface sont analytiquement dérivés en fonction des dyades de réflexion et de transmission basées sur les conditions aux limites. Les paramètres bi-anisotropiques de surface de la structure MNM sont extraits des résultats de simulations numériques. La réponse magnétique dipolaire de la structure MNM apparaît de manière évidente à travers ses paramètres d'impédance de surface. Etant donné que les paramètres d'impédance de surface sont bien plus élevés comparés aux autres paramètres bi-anisotropiques de surface, un simple modèle de ligne de transmission est proposé pour modéliser la structure MNM monocouche.  ABSTRACT: The goal of this research is to design and analysis of transparent magnet-less non-reciprocal gyrotropic metasurfaces (MNMs). Non-reciprocal response requires breaking of the timereversal symmetry and could be realized with quantities that are odd vector under time reversal such as magnetic field, current, momentum and orbital angular momentum. Current biasing is used to break the time-reversal symmetry and to achieve transparent non-reciprocal gyrotropic response. A 2D periodic array of annular slotted ring structure terminated with big slot patches and loaded with semiconductor-based unidirectional components is suggested to realize a transparent magnet-less non-reciprocal gyrotropy. It is shown that the big slot termination is required for matching of the annular slotted transmission line and the unidirectional component. Thus, a slot MNM is designed to achieve a travelling wave resonance, i.e. the rotating magnetic dipole response as magnetized ferrite molecules. Reflection and transmission coefficients of the designed structure are numerically computed to prove the ferrite-like non-reciprocal gyrotropic response of the structure. Moreover, asymmetrical response of the structure under x- and y-polarized plane wave incidence is highlighted and a rotated design is suggested to have a symmetrical non-reciprocal response in the expense of destroying the ferrite-like non-reciprocal gyrotropy. A physical explanation of the non-reciprocal gyrotropy, achieved by prohibiting one of the counter-propagating eigenstates of the slot MNM, is provided by utilizing the Sturm- Liouville theory. In order to understand the electromagnetic response of a metasurface, bianisotropic surface parameters of the metasurface is analytically derived in terms of reflection and transmission dyadics from discontinuity of the electromagnetic fields. Bianisotropic surface parameters of the slot MNM is extracted from the numerical simulation results. Magnetic dipole moment response of the slot MNM is evident from its large surface impedance parameters. Since surface impedance parameters of the structure is very large compared to other bianisotropic surface parameters, a simple transmission-line model is suggested to model the single-layer slot MNMs. Although ferrite-like transparent non-reciprocal behaviour could be achieved with slot MNMs, there is a non-negligible reflection from the structure due to its subwavelength nature. In order to circumvent the reflection issue of slot MNMs, reflection cancellation methods are discussed and a tentative analysis is employed. First, the duality theorem is exploited to cancel the reflection of slot MNMs since the designed structure could be characterized with a magnetic dipole moment.


identifier: Natale, G. (2015). Flow Induced Orientation in Carbon Nanotube Suspension: Modeling and Experiments  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De par leurs propriétés uniques, les nanotubes de carbone (NTCs) sont très prometteurs pour la prochaine génération de matériaux. Les applications sont multiples et variées et touchent des domaines comme l'électronique organique, le renforcement de composites en plastiques conducteurs, les alliages et même de nouveaux types de capteurs biologiques. En dépit de ces promesses et potentialités, les composites et les suspensions de nanotubes de carbone sont par nature difficiles à traiter. La formulation de procédés efficaces pour obtenir des résultats à la hauteur des espérances souhaitées ne font que commencer. Le succès des NTCs, dans toutes les applications possibles, dépend de leur compréhension fondamentale et de la capacité à contrôler l'évolution de leur microstructure lors de leur mise en œuvre.  Lors d'un écoulement, les NTCs dispersés dans une matrice polymère s'orientent et interagissent induisant des corrélations spatiales et orientationnelles. Les agglomérats peuvent également se briser si les forces hydrodynamiques sont suffisantes ce qui augmente la probabilité de contact entre les différents nanotubes et améliore leur interactions avec la matrice ainsi que la fluidité du matériau composite. Au repos, la microstructure d'une suspension de NTCs ne cesse de changer à cause du mouvement brownien et des forces attractives de van der Waals; les nanotubes de carbone diffusent dans la phase liquide et tendent à former un réseau. Pour analyser un système aussi complexe, une résine époxy de faible viscosité a été utilisée comme matrice pour disperser les nanotubes de carbone à parois multiples (NTCPMs). Les polymères newtoniens sont particulièrement utiles car ils peuvent conférer une relativement large contrainte de cisaillement permettant de briser les agglomérats de NTCs facilitant ainsi leur dispersion. Le comportement newtonien, lui, permet de ne pas masquer les propriétés viscoélastiques de l'ensemble du système. Du régime de concentration dilué vers un régime plus concentré, les suspensions de NTCs ont été étudiées rhéologiquement afin d'obtenir des informations sur l'orientation et le transport des nanotubes de carbone individuels ainsi que sur les propriétés viscoélastiques du réseau formé par ces particules cylindriques. La rhéologie a été utilisée pour comprendre l'évolution de la microstructure sous écoulement ainsi que dans des conditions statiques. Les effets de l'histoire de l'écoulement, de la vitesse de cisaillement, du temps de repos et de la direction de cisaillement ont été étudiés. Pour corréler la microstructure avec les données rhéologiques, deux voies ont été choisies. La première voie comprenait une analyse rhéo-optique. Le dichroïsme des suspensions a été étudié pour les suspensions appartenant aux régimes dilués et semi-dilués. Des informations directes sur la dispersion, l'évolution de l'orientation lors de l'écoulement et les effets dus au mouvement brownien ont ainsi été obtenus. La seconde voie consistait à développer de nouveaux modèles rhéologiques afin de corréler les informations à l'échelle de la microstructure avec l'évolution du tenseur de contrainte ou de l'indice de réfraction de la suspension.  Dans le régime dilué, les nanotubes ont été modélisés comme des particules flexibles. Un modèle modifié à deux tiges a été utilisé ce qui permet d'obtenir des conformations d'équilibre non- alignées. Dans les régimes plus concentrés, la dynamique du système est contrôlée par des interactions de type tige-tige. Les nanotubes ont été modélisés comme des bâtonnets rigides sans inertie et l'état d'orientation du système est influencé par des interactions via des forces de lubrification non-linéaires, des forces hydrodynamiques et par le mouvement brownien. La comparaison des résultats expérimentaux avec les prédictions des modèles proposés permet de quantifier les mécanismes fondamentaux derrière l'évolution de la microstructure des suspensions de NTCs. Afin de mieux différencier la rhéologie des suspensions de NTCs, les prédictions du modèle ont également été confrontées aux données expérimentales pour une suspension de particules microscopiques: des fibres de verre dans le polybutène [Sepehr et al. (2004b)]. Dans le cas des micro-particules, les prédictions du modèle ont confirmé que la réponse rhéologique du système est contrôlée par des effets d'orientation tandis que les interactions entre particules sont dominantes dans le cas des suspensions de NTCs. Ainsi, ce travail explore les liens entre la rhéologie des suspensions de nanotubes de carbone et l'évolution de leur microstructure en suspension. Ceci est la première étape vers la conception de nouveaux systèmes de traitement afin d'exploiter complètement les propriétés uniques des nanotubes de carbone.  ABSTRACT: Due to their unique properties, carbon nanotubes (CNTs) hold remarkable promise for the next generation of materials, with potential applications in organic electronics, reinforced and electrically conducting plastic composites, new alloys, and even new types of biological sensors and devices. Despite these promises and potentialities, carbon nanotube composites and suspensions are inherently difficult to process, and efficient processing schemes are only just starting to be formulated. The success of CNTs, in all potential applications, depends on the understanding and ability to control the microstructure evolution during processing.  During flow, CNTs dispersed in a polymeric matrix orient and interact, inducing spatial and orientation correlations. Agglomerates can also break if the hydrodynamic forces are sufficient, increasing the probability of contact between different nanotubes and improving the interactions with the matrix and the flowability of the composite. At rest, the microstructure of the CNT suspension keeps changing due to Brownian motion and van der Waals attractive forces, and the CNTs diffuse in the suspending fluid and eventually form a network of particles.  To analyze such a complex system, a low viscosity epoxy was used as the matrix to disperse the multiwall carbon nanotubes (MWCNTs). Nearly Newtonian polymers are particularly useful because they can impart significant shear stress to break the CNT agglomerates and facilitate their dispersion, while their Newtonian behavior does not mask the viscoelastic properties of the overall system.  From dilute to concentrated regimes, CNT suspensions were rheologically probed to obtain information ranging from the orientation and transport of individual carbon nanotubes to the viscoelastic properties of dense and isotropic network of rods. Rheology was used to understand the microstructure evolution under flow and in static conditions. The effects of flow history, shearing velocity, rest time and shearing direction were studied.  To correlate the microstructure with the rheological data, two different routes were undertaken. The first route involved rheo-optical analysis. Dichroism was investigated for suspensions belonging to the dilute and semi-dilute regimes. Direct information on dispersion, orientation evolution during flow and Brownian motion were obtained. The second route consisted in developing new rheological models in order to correlate micro-scale information to the evolution of the related stress tensor or refractive index tensor.  In the dilute regime, the nanotubes were modeled as flexible particles. A modified two-rod model was used, allowing non-straight equilibrium conformations. In more concentrated regimes, the dynamic of the system is controlled by rod-rod interactions. The nanotubes were modeled as inertialess rigid rods and the system orientation state is influenced by interactions via non-linear lubrication forces, hydrodynamic forces and Brownian motion. The comparison of the experimental results with the models predictions allowed to quantify the fundamental mechanisms behind the microstructure evolution of CNT suspensions. To further differentiate the rheology of CNT suspensions, the model predictions were also confronted with the experimental data for a microsize particle suspension: glass fiber-filled polybutene [Sepehr et al. (2004b)]. In the case of the micro-size particles, the model predictions confirmed that the rheological response of the system was controlled by orientation effects while interactions were dominant in the case of CNT suspensions.  Hence, this work explores the connections between the bulk rheology of carbon nanotube suspensions and their microstructural evolution. This is the first step towards the design of new processing schemes in order to completely exploit carbon nanotube unique properties.


identifier: Ruellan, A. (2015). Utilisation de nanoparticules d'oxyde de fer comme nouveau traitement potentiel pour l'athérosclérose  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'athérosclérose est une épidémie mondiale dont les facteurs de risque sont nombreux, comme le mode de vie ou les prédispositions génétiques, entre autres. Le traitement de l'athérosclérose est abordé de deux manières différentes : l'une vise l'abaissement des taux de lipoprotéines de basse densité (LDL) dans le sang pour éviter ou diminuer la genèse de plaques d'athérome, tandis que l'autre approche vise la suppression des plaques d'athérome par la chirurgie, ou encore par l'implantation de stents. Bien que ces deux approches soient peu adaptées aux patients externes ou ceux qui présentent une hypercholestérolémie, il est urgent de développer de nouveaux médicaments et technologies qui pourraient aider ces patients. À cet égard, une arme classique pour abaisser le taux de LDL du sang est la plasmaphérèse. Cependant, elle nécessite quotidiennement une hospitalisation de longue durée, ce qui diminue la qualité de vie des personnes soumises à de tels traitements. Par conséquent, ce mémoire de maitrise vise à présenter l'application de nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques (SPIONs) pour diminuer les niveaux de LDL-libre présents dans le sang. En effet, nous présentons une preuve de concept d'un nouveau traitement potentiel pour l'athérosclérose, utilisant les SPIONs fonctionnalisés ciblant le LDL. Nous avons évalué la biocompatibilité de ces SPIONs à travers des tests de cytotoxicité in vitro et d'hémocompatibilité. Notre capacité à déplacer ces SPIONs, de manière unidirectionnelle, sous l'influence d'un champ magnétique, démontre la faisabilité de les utiliser dans un système de circulation sanguine ex vivo contenant un piège magnétique afin de les récupérer une fois qu'ils ont fixé le LDL dans le sang. Par des essais ex vivo avec du plasma sanguin de lapin hypercholésteromique, nous avons trouvé que chaque interaction de SPIONs, à 0,5 mg/ml, diminue la concentration de LDL d'au moins 34%.  ABSTRACT: Atherosclerosis is a worldwide epidemic related to several factors including lifestyle and genetic predisposition. There are two main approaches to treating atherosclerosis: one that aims lowering levels of low-density lipoprotein (LDL) in the bloodstream to avoid or decrease genesis of atheroma plaques, and the other approach aims to remove atheroma plaques through surgical techniques such as by-pass surgery or stent implantation. As these two approaches are inadapted for outpatients or those who present hypercholesterolemia, it is urgent to develop new drugs and technologies to address these situations.  A conventional weapon for lowering the LDL level from bloodstream is the plasmapheresis which it requires long daily hospitalization time and therefore impacts the quality of life of patients. Therefore, this thesis aims to present the application of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) as vectors to decrease the levels of free-LDL in the bloodstream. Indeed we present the proof of concept of a potential new treatment for atherosclerosis using the functionalized SPIONs targeting LDL. We have evaluated the biocompatibility of those SPIONs through in vitro cytotoxicity and hemocompatibility tests. Our ability to move these SPIONs, uni-directionally, under a magnetic field, demonstrates the feasibility of using them in an ex-vivo blood circulation system, containing a magnetic trap to gather them once they have fastened to the LDL present in the blood. By ex vivo tests with hypercholesterolemic rabbit blood plasma, we have found that each interaction of SPIONs, at 0.5 mg/mL, decreases the concentration of LDL by at least 34%.


identifier: Rioux, D. (2015). Synthèse et modélisation des propriétés optiques de nanoparticules d'alliage or-argent et leur application en imagerie hyperspectrale  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les nanoparticules (NPs) métalliques représentent un domaine de recherche en pleine effervescence depuis quelques dizaines d‘années. Parmi celles-ci, les NPs plasmoniques, qui sont composées de métaux nobles tels l‘or et l‘argent, sont parmi les plus connues et possèdent des propriétés optiques extraordinaires. Leur capacité à fortement absorber et diffuser la lumière dans le visible sur une bande de longueurs d‘onde précise leur confère une coloration très intense. De plus, ces structures concentrent fortement la lumière près de leur surface lorsqu‘elles sont sous illumination. Ces propriétés peuvent être mises à profit dans une foule d‘applications allant de l‘imagerie biomédicale à la détection en passant par l‘amélioration de la performance des cellules solaires. Bien que l‘or et l‘argent soient les matériaux les plus couramment utilisés pour les NPs plasmoniques, il est connu depuis longtemps que leurs alliages présentent des propriétés optiques tout aussi intéressantes avec l‘avantage additionnel que leur coloration peut être contrôlée par le ratio or-argent qui compose l‘alliage. Malgré tout, les NPs d‘alliage or-argent sont relativement peu utilisées dans les différentes applications. La principale raison reste probablement le fait que la synthèse de ces NPs avec un bon contrôle de la taille n‘a pas encore été démontrée. De nombreuses applications, notamment en imagerie, nécessitent des NPs qui diffusent fortement la lumière. Or, ce sont les plus grosses particules qui diffusent le plus efficacement la lumière. Les différentes méthodes de synthèse utilisées jusqu‘à maintenant pour produire des NPs d‘alliage or-argent résultent en des particules plus petites que 30 nm ou très polydisperses, les rendant peu attrayantes pour ce type d‘applications. Le potentiel d‘utilisation des NPs d‘alliage or-argent repose donc sur la capacité de les fabriquer avec un diamètre suffisamment grand et avec un bon contrôle de la taille. Il est également important de pouvoir prévoir à l‘avance les propriétés optiques des nanostructures d‘alliages or-argent, permettant de guider le design de ces structures en fonction des propriétés visées. Ceci nécessite toutefois la connaissance de la fonction diélectrique des alliages en fonction de leur composition. Bien que cette fonction diélectrique ait été mesurée expérimentalement à plusieurs reprises, les données tabulées sont souvent limitées à quelques compositions précises et un modèle analytique serait plus intéressant.  ABSTRACT: Metallic nanoparticles (NPs) constitute a research area that has been booming in the recent decades. Among them the plasmonic NPs, which are composed of noble metals such as gold and silver, are the best known and possess extraordinary optical properties. Their ability to strongly absorb and scatter light on a specific band in the visible wavelengths gives them a very intense coloration. Moreover, these structures strongly concentrate the light near their surface upon illumination. These properties can be exploited in a variety of applications from biomedical imaging to detection and even for improving the performance of solar cells. Although gold and silver are the most widely used materials for plasmonic NPs, it has long been known that their alloys have optical properties equally interesting with the added benefit that their color can be controlled by the gold-silver ratio of the alloy. Nevertheless, the gold-silver alloy NPs are not frequently used in different applications. The main reason is probably that the synthesis of these NPs with good size control has not been demonstrated yet. Many applications, including imaging, require NPs which strongly scatter light. Large NPs (50 nm and more) are often required since they scatter light more efficiently. However, the different synthesis methods used until now to produce gold-silver alloy NPs result in sizes smaller than 30 nm or very polydisperse samples, making them unattractive for these applications. The potential to use gold-silver alloy NPs is therefore based on the ability to manufacture them with a sufficiently large diameter and with good size control. It is also important to be able to predict in advance the optical properties of gold-silver alloy nanostructures, to help guide the design of these structures depending on the intended properties. This requires knowledge of the dielectric function of the alloys according to their composition. Although the dielectric function was measured experimentally several times, tabular data are often limited to a few specific compositions and an analytical model would be more interesting. This thesis focuses on the study and modeling of the optical properties of gold-silver alloy NPs, on their synthesis as well as an application example; using these NPs as cell markers for multiplexed scattering imaging. The first part of this thesis deals with a study of the dielectric function of gold-silver alloys in order to develop an analytical model to calculate the dielectric function for an arbitrary composition of the alloy.