identifier: Nguyen, Ti Ti  (2020). Resource management for enabling heterogeneous services and applications in wireless cellular systems.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 240 p.

subject: télécommunications

abstract: 5G New Radio (NR) and Mobile Edge Computing (MEC) have been recently proposed as important technologies and architectures for the next-generation wireless cellular system, which allows efficiently supporting emerging services and applications. Indeed, 5G NR provides a flexible frame structure with scalable Transmission Time Interval (TTI) in different so-called numerologies, which enable us to meet diverse quality of service (QoS) requirements of different wireless services and compute-intensive applications. However, many challenges must be resolved to efficiently utilize different types of system resources and better support heterogeneous wireless services. The overall objective of this Ph.D. research is to develop efficient resource management techniques for next-generation systems exploiting 5G NR and MEC technologies. Our research has resulted in three major research contributions, which are presented in three corresponding main chapters of this dissertation. First, we study fair computation offloading and resource allocation for the MIMO based MEC system, which is presented in Chapter 5. In particular, we formulate the joint computation offloading and resource allocation problem that minimizes the maximum weighted consumed energy for mobile users considering the latency and resource limitation constraints. Then, we propose different efficient algorithms to solve the underlying mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problems under perfect and imperfect channel state information estimations. Second, we investigate the joint data compression, computation offloading, and resource allocation problem for hierarchical fog-cloud systems aiming to minimize the maximum weighted energy and service delay cost of all users, which is covered in Chapter 6. To this end, we propose a non-linear computation model which can be fitted to accurately capture the computational load incurred by data compression and decompression. Then, we first consider the scenario where data compression is performed only at the mobile users. A novel three-step approach using convexification techniques is developed to optimize the compression ratios and the resource allocation. As the next step, we address the more general design where data compression is performed at both the mobile users and the fog server. We propose three algorithms to overcome the strong coupling between the offloading decision and the resource allocation and find efficient solutions for the underlying problem.. Finally, we consider leveraging the 5G NR to support diverse applications with different requirements. The research outcomes of this study are presented in Chapter 7. In particular, we study the scheduling problem for heterogeneous services with mixed numerology which aims to maximize the number of admitted users while meeting service latency and data transmission requirements. Then, two algorithms, namely Resource Partitioning-based Algorithm (RPA) and Iterative Greedy Algorithm (IGA), are developed to acquire efficient resource scheduling solutions. For all the considered problems and proposed designs, extensive numerical results are presented to gain further insights and to evaluate the performance of our algorithms. Our numerical studies confirm that our algorithms can achieve efficient resource utilization, energy saving, and significant performance gains compared to existing designs.


identifier: Innocenti, Silvia  (2019). Characterization of extreme precipitation at multiple spatio-temporal scales in historical and future climate.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 271 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
précipitations extrêmes
echelle spatio-temporelle
loi d’échelle
changements climatiques
extreme precipitation
spatio-temporal scale
scaling
climate change

abstract:
Les précipitations constituent l’élément moteur des extrêmes hydrologiques et interviennent sur une vaste gamme d’échelles spatiales et temporelles. Leur suivi à ces différentes échelles est essentiel pour de nombreuses applications, telles que le dimensionnement d’ouvrages hydrauliques, la gestion des ressources, et l’évaluation des risques pour les écosystèmes naturels ainsi que pour les populations et les infrastructures urbaines. Suite à l’augmentation globale de la température prévue pour les décennies à venir, un nombre croissant d’événements extrêmes de précipitation est aussi attendu. Pourtant, la caractérisation de cette augmentation et la description des extrêmes aux différentes échelles d’intérêt hydrologique demeurent difficiles. En particulier, les biais et les incertitudes des séries simulées par les modèles de climat demeurent élevés quand on considère les extrêmes à de fines échelles spatiales et temporelles. Par conséquent, la possibilité de prévoir la fréquence d’occurrence et l’intensité des extrêmes à partir des séries simulées nécessite d’être évaluée en profondeur. De façon plus générale, la couverture spatiale et la résolution des données disponibles, qu’elles aient été enregistrées à des stations météorologiques ou qu’elles soient issues des modèles climatiques, ne correspondent souvent pas à celles nécessaires pour les applications. Par exemple, les séries observées aux stations sont généralement courtes (au mieux quelques décennies au Canada) et fournissent des informations limitées sur la structure spatiale des précipitations. Cette étude s’intéresse donc à l’estimation des extrêmes de précipitation et de leur variabilité sur plusieurs échelles spatiotemporelles à partir de plusieurs ensembles de données. Pour ce faire, nous cherchons à établir des relations simples reliant les extrêmes estimés à différentes durées et sur différentes échelles spatiales. De nombreuses études ont démontré que les propriétés physiques des fractales peuvent être utilisées pour décrire la variabilité spatiale et temporelle des précipitations et des extrêmes. Notamment, il a été démontré d’un côté que les modèles multifractals (multiscaling) sont appropriés pour représenter les changements d’échelle pour l’ensemble de la distribution des précipitations (c’est-à-dire pas seulement les extrêmes). D’un autre côté, de nombreuses études confirment la validité de modèles monofractals (simple scaling) pour les queues de la distribution (c’est-à-dire les extrêmes). Néanmoins, l’utilisation de ces modèles de lois d’échelle a été généralement restreinte à des régions spécifiques ou à des petites bases de données. Une analyse plus fine des facteurs géoclimatiques définissant les lois d’échelle est donc nécessaire pour des régions plus étendues et des données plus variées en termes de résolution spatiale et temporelle. Également, les effets possibles des changements climatiques sur la structure spatio-temporelle des précipitations et sur les lois d’échelle doivent être évaluées. Cette étude visait donc trois objectifs spécifiques. Dans un premier temps, des modèles de simple scaling ont été utilisés pour décrire la structure temporelle des précipitations extrêmes en Amérique du Nord (Canada et États-Unis) à l’échelle journalière et sous-journalière. La validité des modèles des lois d’échelle a été confirmée en utilisant un grand nombre de séries (environ 2700 stations météorologiques) et la variabilité spatiale des paramètres des modèles de lois d’échelle a été explorée. Les analyses fournissent des informations importantes sur l’influence des caractéristiques locales ainsi que des structures climatiques régionales sur le changement d’échelle des précipitations extrêmes. Dans un second temps, les lois d’échelle des précipitations extrêmes ont été évaluées pour différents jeux de données sur grille et comparées aux chroniques des stations. Deux jeux de données observés ont été considérés (p. ex. données satellites et données interpolées provenant de plusieurs sources). De même, des séries simulées par deux Modèles régionaux du climat (MRC) ont été utilisées: une simulation provenant du modèle WRF à haute résolution (4 km) et celles provenant d’un grand ensemble simulé à l’aide du Modèle régional canadien du climat de 5ème génération (CRCM5, à la résolution de 0,11◦ ). L’analyse a mis en évidence l’influence des caractéristiques de base de données sur l’estimation des modèles des lois d’échelle (p. ex. la résolution temporelle ou spatiale des donnés), et des techniques de transformation des séries utilisées, comme les méthodes de correction de biais. Une expression analytique simple a aussi été proposée pour décrire la variation des distributions des précipitations extrêmes sur plusieurs échelles spatiales et temporelles. Troisièmement, des séries de précipitations simulées pour le siècle futur ont été analysées dans le but de décrire la réponse des lois d’échelles aux changements climatiques sur différents horizons de temps. Pour cela, les chroniques de précipitation de 50 membres du grand ensemble CRCM5 ont été regroupées sur des courtes périodes (p. ex. 3 ans) et analysées à plusieurs échelles spatiotemporelles. Cela a permis d’évaluer les quantiles des événements les plus extrêmes sur des périodes courtes et d’estimer les lois d’échelle en utilisant une large base statistique. Les résultats décrivent la façon dont les distributions des extrêmes de précipitation vont évoluer dans le futur et soulignent des changements importants des lois d’échelle. L’analyse illustre également l’impact de la variabilité naturelle du climat sur l’estimation des lois d’échelle et d’autres caractéristiques des précipitations extrêmes.

Characterizing extreme precipitation at different spatial and temporal scales is crucial in order to evaluate and predict the impacts of natural hazards on infrastructures and regional ecosystems. Being governed by climate and weather processes acting at different scales, extreme precipitation is highly variable in space and time. However, historical observational datasets (e.g., station records) provide limited information on the spatio-temporal structure of extreme precipitation. Also, the spatial coverage and the resolution of available data, whether observed at meteorological stations or simulated by weather and climate models, often mismatch the resolution needed in hydrological applications. One interesting paradigm for the multi-scale analysis of extreme precipitation is the scaling model framework, based on the concept of statistical scale invariance and the fractal properties of precipitation probability distributions. By means of these models, the statistical distributions of the extremes estimated at specific spatial and temporal scales are related to the distributions at other scales. Several studies have provided physical evidence of the fractal and multifractal properties of precipitation. On the one hand, it has been shown that multifractal models are more appropriate for representing the scaling features of the whole precipitation distribution (i.e., not only the extremes). On the other hand, many studies confirmed the validity of simple scaling for the tails of precipitation distribution. However, the use of scaling models has been mainly restricted to specific regions and small observational datasets. A deeper analysis of the effect of geo-climatic factors on the estimated scaling models is thus needed for large regions and various datasets having different temporal and spatial resolutions. The present study aims at deepening the knowledge of the scale-invariant properties of extreme precipitation and has three specific objectives. First, simple scaling models were used to describe the temporal structure of observed daily and sub-daily extreme precipitation across North America. The validity of the temporal scaling models was confirmed over various duration ranges using a large number of station series (approx. 2700 meteorological stations). The regional variability of the estimated temporal scaling parameters across the domain was then investigated. The analysis provides important guidance on the influence of both local geographical characteristics and regional climatic features on extreme precipitation scaling. Second, the spatio-temporal scaling properties of daily and sub-daily extreme precipitation were analyzed for various gridded datasets and compared to scaling properties of station series. Two observational gridded datasets were considered: the bias-corrected satellite CMORPH and the MultiSource Weighted-Ensemble Precipitation (MSWEP) v2 datasets. Also, two simulated datasets from Regional Climate Models (RCMs) were used: a convection-permitting high-resolution WRF model (4 km resolution) and a large ensemble from the Canadian RCM v5 (CRCM5, 0.11◦ resolution). The analysis illustrated the influence on temporal scaling exponent estimation of basic dataset characteristics, such as their spatial and temporal resolutions, and series processing techniques, such as bias correction methods. Also, a simple analytical expression was suggested for describing the variation of extreme precipitation quantiles across a wide range of spatio-temporal scales. Third, the evolution of simulated extreme precipitation under climate change was analyzed to assess how the spatio-temporal scaling of the extremes responds to climate warming over different time horizons. To this end, precipitation series from 50 CRCM5 members were pooled for various spatiotemporal scales. This allows to assess high return period quantiles over short periods of few years and estimate their extreme scaling properties using a large statistical basis. The results underline the critical increase in AM precipitation quantiles, especially important for the shortest durations and longest return periods. Accordingly, an intensification of the spatio-temporal scaling regimes of projected extremes was detected for most of the model grid boxes, as well as some important changes in the characteristics of the annual and daily cycles of precipitation AM.


identifier: Shishegar, Shadab  (2020). Contrôle en temps réel des bassins d’orage pour une gestion durable et adaptative des eaux pluviales en milieu urbain. / Real-time control of stormwater basins for sustainable and adaptive management of urban stormwater.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 170 p.

format: application/pdf application/pdf

subject:
changement climatique
contrôle en temps réel
bassin de rétention
gestion des eaux pluviales
qualité de l’eau
débit de pointe
ruissellement
optimisation
règle de contrôle
ville intelligente
climate change
real-time control
detention basin
stormwater management
water quality
peak flow
runoff
optimization
control rule
smart city

abstract:
Le but de cette thèse est de développer et tester des stratégies locales et globales de contrôle prédictif en temps réel (GPRTC) pour un système de gestion des eaux pluviales (SGP). L'hypothèse à vérifier est que le GPRTC des bassins d’eaux pluviales peut améliorer la performance des SGP en termes de qualité et de quantité d'eau. Sur cette base, l'objectif principal de cette thèse est de proposer un cadre décisionnel intelligent pour combiner l’optimisation et des règles de contrôle afin d’améliorer les performances de contrôle qualité et quantité des SGP en temps réel dans le cadre d'une ville intelligente. La résilience globale du système dans des situations critiques, telles que des épisodes pluvieux plus intenses en raison du changement climatique, est discutée en fournissant une analyse comparative des approches dynamique et statique. De plus, la capacité de réduction de l'érosion de l’approche proposée est analysée et les impacts des incertitudes liées aux prévisions de précipitations sur la performance de l’approche de contrôle dynamique sont étudiés. Enfin, un modèle de réseau de neurones hypercomplexe à valeur octonionique (OVNN) est développé. L’intégration de ce modèle aux stratégies de GPRTC permet une estimation plus rapide des débits d'entrée qui doivent être fournis, en temps réel, à la stratégie de contrôle. Deux bassins versants urbains réels, avec respectivement un et quatre exutoires vers le cours d'eau récepteur, sont choisis pour tester l'applicabilité et l'efficacité de l'approche dynamique proposée. Les résultats montrent que l’approche de contrôle proposée a la capacité d’améliorer la performance des systèmes de gestion des eaux pluviales, en matière de quantité et de qualité, par rapport à une approche de contrôle statique, que ce soit dans des conditions météorologiques normales ou en considérant le changement climatique. L’approche locale offre une réduction moyenne de 76 % des débits de pointe et un temps de rétention moyen de 19 h en climat futur. À l’échelle globale, bien que les critères de performance semblent être affectés par l’augmentation de l'intensité des précipitations en climat futur, l’approche de GPRTC améliore toujours la réduction du débit de pointe et le temps de rétention de l’eau, de 54 % et 14 h respectivement, en présence du changement climatique. De plus, lorsque les prévisions d'incertitude liées aux prévisions de précipitations sont prises en compte, les résultats montrent la capacité de GPRTC à rétablir la fiabilité du système face à des événements imprévus, ce qui permet au SGP de revenir vers un était normal après une défaillance éventuelle.

 The aim of this thesis is to develop and test local and global predictive real-time control (GPRTC) strategies for a network of stormwater management systems. The basic hypothesis to verify is that GPRTC of stormwater basins can improve SWM in terms of water quality and quantity. Based on this, the main objective of this thesis is to propose a smart decision-making to enhance the quality and quantity control performance of the SWM system in real-time as a part of a Smart City. The global resiliency of the system in critical situations such as more intense rainfall events imposed by climate change is discussed by providing a comparative analysis of the dynamic and static approaches. Also, the erosion reduction ability of the proposed approach is analyzed and the impacts of uncertainties linked to rainfall forecast on the performance and robustness of the dynamic control approach is studied. Finally, a hyper-complex Octonion-Valued Neural Network model (OVNN) is developed that performs accurate and rapid rainfall-runoff estimation. The integration of this model to the GPRTC strategies allows faster estimation of inflow rates that should be provided to the integrated optimization rule-based framework in real-time as input data. Two real world urban watersheds with one and four outlets to a nearby watercourse are chosen to test the applicability and efficiency of the proposed dynamic approach. The results show that the proposed autonomous control approach has the ability to enhance the quantity and quality control performance of the basins for both local and global control approaches, in comparison to a static control approach. Local RTC approach offers an average reduction of 76 % in peak-flows and an average detention time of 19 h under future climate. At the global scale, although the performance criteria are shown to be affected by the increased rainfall intensities in future climate, the proposed control approach still improves the peak flow reduction and detention time of water by 54 % and 14 h, respectively in the presence of climate change. Also, when forecasting uncertainty linked to rainfall predictions is taken into account, the results show the ability of the proposed approach in recovering the system facing unpredicted events which finally enables the resiliency of the stormwater system to bounce back from a failure to normal conditions.


identifier: Nzekwe, Obinna Peter  (2020). Analyses multidisciplinaires des sédiments laminés de trois lacs profonds de la Côte-Nord du Québec pour reconstituer les variations paléoenvironnementales.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 227 p.

subject:
lac Pentecôte
lac Walker
lac Pasteur
Côte-Nord
varves
sédiments
paléoclimats
changements climatiques
Holocène supérieur

abstract:
Cette thèse a pour objectif de reconstituer les contextes environnementaux passés à partir de l’étude de sédiments (annuellement) laminés de trois lacs de fjord profonds (les lacs Pentecôte, Walker et Pasteur) sur la Côte-Nord, Québec, dans l’Est du Canada. L'analyse des faciès à l'aide de tomodensitogrammes et de lames minces de 42 carottes de sédiments prélevées le long de transects révèle que les lacs Pentecôte, Walker et Pasteur contiennent des sédiments bioturbés, partiellement laminés et bien laminés. Il a été établi que le lac Walker est caractérisé par des facteurs morphologiques (tels qu'une profondeur relative plus élevée, une profondeur moyenne, une profondeur maximale, une limite critique et une exposition topographique) qui favorisent la préservation de la structure laminée des sédiments. La comparaison du nombre de couplets annuels avec les modèles chronologiques du 210Pb d'une carotte courte, WA14-06-R (43 cm de long), indique que les sédiments laminés récents de ce lac sont probablement des varves. Ces résultats ont motivé les analyses multi-échelles d'une séquence composite de ~4,0 m de long, WA15-08- U, afin de reconstituer un enregistrement varvé de l'Holocène Supérieur de ce lac. Une nouvelle chronologie varvée de ~ 900 ans du lac Walker a été établie sur la base de l’analyse d’image de 16 lames minces. Le comptage des varves est ancré par quatre datations au radiocarbone. Celle-ci fournit le premier enregistrement annuellement laminé dans une région où des enregistrements similaires sont actuellement inexistants. Par conséquent, l’enregistrement du Lac Walker entre 2340 et 3200 ± 20 cal BP offre un fort potentiel pour reconstituer les conditions hydro-climatiques dans cette région. Ce lac contient principalement des varves clastiques; l'épaisseur moyenne des varves est de 0,86 mm. Des analyses multi-paramètres incluant les propriétés sédimentologiques, géochimiques, paléomagnétiques et palynologiques des sédiments des lacs de fjord Pentecôte et Walker ont été utilisées pour reconstituer les changements paléoenvironnementaux survenus lors de la transition d’un environnement glaciaire à postglaciaire. Deux principaux faciès sédimentaires ont été identifiés : les faciès argileux et lamines déposés dans un environnement proglaciaire et les sédiments laminés déposés dans un environnement paraglaciaire / postglaciaire. La transition entre ces deux environnements est caractérisée par de brusques changements des propriétés texturales et géochimiques. Au même titre, des changements abrupts de l’inclinaison magnétique et d’une augmentation de la diversité des palynomorphes caractérisent cette transition. Sur la base de la datation au radiocarbone, il apparait qu’une interruption (hiatus) de la sédimentation dans les lacs Pentecôte et Walker est survenue entre ~ 22 et 8 ka cal BP et entre ~ 18 et 8 ka cal BP, respectivement.

 This thesis aims to reconstruct past depositional environments based on laminated sediments from three deep fjord-lakes (lakes Pentecôte, Walker and Pasteur) on the Québec North Shore, eastern Canada. Facies analysis using CT-scan images and thin-sections of 42 short sediment cores sampled along transects reveals that lakes Pentecôte, Walker and Pasteur contain bioturbated, partially laminated and well laminated sediments. It has been established that Lake Walker is characterized by morphological factors (such as higher relative depth, mean depth, maximum depth, critical boundary and topographic exposure) that favour the preservation of sediment laminae. Comparison of laminae couplets counts to 210Pb chronology models of a short core, WA14-06-R (43 cm long) indicates that the laminated upper sediments from that lake are likely varves. This evidence formed the basis for multi-scale analyses of a ~4.0 m long composite sequence, WA15-08-U from Lake Walker in order to reconstruct a late Holocene varve record from that Lake. A new ~900-year varve chronology from Lake Walker was established based on image analysis of 16 thin-sections supported by radiocarbon dating. The varve counts are anchored on four radiocarbon dates. The varve chronology from Lake Walker provides the first varve record in a region where similar records are presently non-existent. Moreover, there is a high potential to establish longer and high-resolution records of past climate in the region based on these findings. Lake Walker contains mainly clastic varves; mean varve thickness is 0.86 mm. Multi-proxy analyses including sedimentological, geochemical, paleomagnetic and palynological properties of sediments from fjord-lakes Pentecôte and Walker were used to reconstruct paleoenvironmental changes that occurred during the transition from glacial to postglacial environments. Two principal sediment facies were identified: rhythmically laminated clay facies deposited in a proglacial environment, and laminated sediments deposited in paraglacial/postglacial environment. The transition from the former to the latter is characterized by abrupt changes in textural and geochemical properties and paleomagnetic inclinations, as well as increase in palynomorph diversity. Based on radiocarbon dating, age and/or sedimentation hiatus is inferred in lakes Pentecôte and Walker between ~22 and 8 ka cal BP and between ~18 and 8 ka cal BP, respectively.


identifier: Tebbiche, Ilies  (2020). Aspects thermodynamiques et énergétiques du procédé de carbonatation minérale utilisant les résidus miniers de serpentine.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 311 p.

subject:
réchauffement climatique
carbonatation minérale
résidus miniers
serpentine
intégration énergétique
analyse par pincement
modélisation économique des procédés
global warming
mineral carbonation
asbestos tailings
serpentine
energy integration
pinch analysis
process economic modelling

abstract:
Dans un contexte mondial marqué par la lutte contre les changements climatiques et la dépendance des ressources d’énergies fossiles, la carbonatation minérale constitue une solution d’accompagnement dans l’attente de la transition énergétique. Il s’agit d’une réaction spontanée et exothermique entre le CO₂ et des oxydes métalliques, comme les oxydes de calcium et de magnésium présents dans certains déchets industriels ou résidus miniers, qui permet de stocker le CO₂ sous forme de carbonates à l’état solide thermodynamiquement stable. Cette étude est la suite des précédents travaux réalisés au sein de l’équipe de recherche à l’Institut national de la recherche scientifique qui ont mené au développement du procédé INRS. Ce procédé exploite les résidus miniers de serpentine riches en oxydes de magnésium résultants de l’ancienne activité minière dans le sud de la province du Québec. Dans ce procédé, la carbonatation est réalisée en trois étapes : l’activation thermique de la serpentine sous haute température, la dissolution de cette dernière après sa mise en contact avec le gaz contenant le CO₂ en solution sous température ambiante et une pression de 11.5 bars, suivie d’une réaction de précipitation pour former les carbonates sous une température plus élevée (>40°C). Dans cette thèse, la faisabilité de la réaction de dissolution sous pression atmosphérique a été démontrée. Le taux d’avancement de la réaction de dissolution de la serpentine a atteint 32% avec une concentration massique de serpentine en solution de 10%, soit pratiquement le même taux obtenu avec le même matériel sous une pression de 11,5 bars avec une concentration massique de 15%. Par la suite, une intégration énergétique avec une analyse par pincement a été réalisée dans le but d’optimiser l’exploitation des différentes sources de chaleur perdues dans le procédé. Cela a permis de réduire la demande en énergie thermique de 16%. Cela a aussi eu pour conséquence d’améliorer l’efficacité de séquestration nette puisque les émissions de CO₂ propres au procédé ont été proportionnellement réduites. Finalement, une étude économique a été réalisée et a montré que sous les mêmes conditions, la dissolution sous pression atmosphérique permet de réduire les coûts du procédé de 22%. De plus, l’étude économique a montré aussi que la concentration du solide, le taux d’avancement de la réaction de dissolution et l’efficacité énergétique du procédé sont les facteurs qui influencent le plus les coûts du procédé. Finalement, un modèle économique a été réalisé afin de permettre la comparaison rapide des coûts des deux voies du procédé où la dissolution est opérée sous pression atmosphérique ou sous une pression de 11,5 bars et cela, avec différentes concentrations de serpentine et différents taux d’avancement pour la réaction de dissolution, incluant la possibilité de captage du CO₂ réactionnel.

Today and within a global economy that depends on fossil fuels, mineral carbonation appears as a good solution that could help reduce greenhouse gases emissions, while continuing the development for green energy solutions. It is a thermodynamically favourable exothermic reaction between CO₂ and metal bearing oxides, such as calcium and magnesium oxides, which transforms the CO₂ into thermodynamically stable solid carbonates. This study builds on the previous work carried out within a research team at the Institut national de la recherche scientifique that led to the development of the INRS process. This uses magnesium-rich serpentine tailings, resulting from the former mining industry in the southern part of the province of Quebec, to achieve mineral carbonation in three stages. First, the serpentine is thermally activated under high temperature. Second, the activated serpentine is dissolved during an aqueous phase reaction with the gas containing the CO₂ under ambient temperature and a total pressure of 11.5 bars. Finally, the precipitation reaction allows the carbonates to form at a higher temperature (>40°C). In this thesis, the feasibility of the dissolution reaction under atmospheric pressure has been demonstrated. The serpentine dissolution extent reached 32% with a solid of concentration of 10%, which is similar to the efficiency achieved with the same material under a pressure of 11.5 bars with a solid concentration of 15%. Further on, energy integration with pinch analysis was carried out in order to optimize the use of process waste heat. This has allowed to reduce the process heat demand by 16%. Consequently, the process sequestration efficiency was improved since its own CO₂ emissions were proportionally reduced. Finally, an economic study was carried out and showed that under the same conditions, the atmospheric dissolution leads to 22% costs reduction. In addition, this showed that the solid concentration, the dissolution extent and the process energy efficiency are the factors that most influence the costs of the process. Finally, an economic model that allows to compare the process costs with different solid concentrations, dissolution extent, with and without CO₂ capture with both dissolution scenarios under 11.5 bars and atmospheric pressure has been developed.


identifier: Ferchichi, Habiba  (2019). Modélisation des scénarios futurs de température de l’eau en milieu côtier et implications sur les infections potentielles par Vibrio parahaemolyticus et Vibrio vulnificus : application aux bancs coquillers de l’estuaire et du golfe du Saint-Laurent.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 132 p.

subject:
température de l’eau
bactérie-Vibrio
modèles d’apprentissage automatiques
modélisation
prédiction
changement climatique
water temperature
Vibrio bacteria
machine learning models
modelling
prediction
climate change

abstract:
Les bactéries du type Vibrio (V) sont des bactéries présentes dans le milieu maritime et plus particulièrement dans les eaux estuariennes et côtières. Les Vibrio parahaemolyticus et Vibrio vulnificus sont considérées comme des bactéries pathogènes responsables des infections transmises à l’être humain principalement par la consommation de fruits de mer contaminés. Les Vibrio parahaemolyticus sont à l’origine de gastroentérites alors que les V. vulnificus provoquent des infections graves (septicémies, infection hépatique…) qui peuvent être mortelles. La croissance des Vibrio pathogènes est liée à la température de l’eau et semble augmenter au-dessus d’un seuil de 15 °C. La propagation des infections par ce genre de bactérie s’accroit progressivement dans le monde entier dû à l’augmentation des températures de l’eau associées au changement climatique. La côte canadienne n’est pas une exception à cette expansion mondiale. Étant donné que la récolte des mollusques est en pleine expansion au Québec et à l’Ile-Prince-Édouard, plus précisément dans l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent, la modélisation des futurs scénarios de température de l’eau est primordiale dans l’analyse du risque d’infection, afin de protéger la santé humaine et la qualité des produits maritimes. Pour atteindre cet objectif, nous avons d’abord expliqué la variation de la température de surface en milieu estuarien et côtier en fonction des variables météorologiques (température de l’air, vitesse du vent), océanographique (marnage), hydrologique (débit du fleuve SaintLaurent) et de téléconnexion (indices climatiques). Ensuite, un ensemble de modèles d’apprentissage automatique (Réseaux de neurones artificiels et Forêts aléatoires) et un modèle paramétrique (Régression linéaire multiple) ont été testés pour modéliser la température de l’eau. Il est intéressant de noter que l’essai de ces modèles sur un ensemble de séries de données relativement longues, provenant de thermographes et de bouées de l’estuaire et du golfe du Saint-Laurent, a montré que les modèles d’apprentissage automatiques performent mieux que le modèle linéaire dans la prédiction de la température de l’eau. Ensuite, en utilisant les prédicteurs les plus pertinents de la variation de la température de l’eau et le modèle le plus performant, des scénarios futurs de température de l’eau ont été générés pour l’horizon 2040-2100. Enfin, sur la base de ces scénarios et le seuil théorique des conditions favorables à la croissance de ces bactéries, nous avons modélisé l’indicateur du risque de croissance des Vibrio pathogènes, i.e. le nombre de jours associés au dépassement de la température minimale de la croissance des Vibrio pathogènes (15 °C), pour l’horizon 2040-2100. Par conséquent, les simulations montrent que la croissance des Vibrio pathogènes pourrait augmenter et s’étendre de manière spatiale et même saisonnière pour l’horizon étudié 2040- 2100, indépendamment du scénario climatique envisagé (optimiste ou pessimiste).

 Vibrio (V) spp. are common bacterial inhabitants of coastal environments, especially the estuarine and coastal ecosystem. Vibrio parahaemolyticus and Vibrio vulnificus are the leading cause of foodborne infections transmitted to humans mainly through shellfish consumption. The foodborne diseases with these pathogens are associated with gastroenteritis, but can also lead to fatalities in case of V. vulnificus infection. The growth of pathogenic Vibrio is related to ambient water temperature and seems to increase at 15 °C and over. The spread of Vibrio infection is increasing worldwide due to the increase of the sea surface temperature associated with climate change. The Canadian Coast is not an exception to Vibrio expansion. The shellfish harvesting plays a key role in the economy of the coastal regions in the Estuary and Gulf of St. Lawrence, thus modelling future water temperature will contribute in predicting the future Vibrio infection risk and protecting shellfish industry as well as human health. In order to achieve this goal, we first examined the relationship of the sea surface temperature as a function of meteorological (air temperature, wind velocity), oceanographic (tides), hydrologic (flow) and teleconnection (climatic indices) variables. Then, a set of machine learning models (Artificial Neural Network and Random Forest) and a parametric model (Multiple Linear Regression) were tested to model water temperature. Interestingly, the model implementation of these models on a relatively large dataset gathered from thermographs and buoys in the Estuary and Gulf of St. Lawrence showed the excellent performance of machine learning models in predicting the sea surface temperature. Then, by using the most relevant predictors of the sea surface temperature variation with the best performing machine leaning model, we generated the future water temperatures in the horizon 2040–2100. Finally, based on the predicted future water temperature scenarios and a threshold of 15 °C to determine the conditions favorable to the growth of Vibrio bacteria, we modelled the Vibrio growth risk indicator, i.e. the number of days exceeding the minimum temperature for Vibrio pathogenic growth (15 °C), in the horizon 2040–2100. Consequently, simulations show that the Vibrio pathogenic growth risk will increase and extend spatially and even seasonally and all the shellfish beds would meet the temperature condition for Vibrio growth regardless of the climate scenarios in the horizon 2040–2100.


identifier: Alvarado, Edgardo Jose  (2020). Geothermal energy potential of active mines in northern regions: the Éléonore mine case-study.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 162 p.

subject:
géothermie
énergie géothermique
pompe à chaleur
dénoyage
eau de mine
mine active
énergie durable
énergie renouvelable
modèle numérique
Québec
galeries souterraines
geothermal
geothermal energy
heat pump
dewatering
mine water
active mine
sustainable energy
renewable energy
numerical model
Québec
underground workings

abstract:
Plusieurs mines situées dans les régions nordiques doivent chauffer les galeries souterraines en raison des conditions climatiques très froides. L’appel de puissance requis pour chauffer les galeries avec un système électrique est élevé et entraîne des coûts énergétiques importants. Les minières emploient donc des hydrocarbures pour suffire à leur besoin calorifique, mais l’impact environnemental demeure un enjeu de taille. L’une des alternatives de chauffage, reposant sur des ressources locales et ayant une faible consommation électrique, est l’énergie géothermique issue de l’eau de dénoyage d’une mine. L’objectif principal de ce projet est d’évaluer le potentiel géothermique de la mine Éléonore de Newmont-Goldcorp, une mine en opération située à Eeyou Istchee Baie-James dans le Nord-du-Québec. Plus précisément, ce projet vise à caractériser la ressource géothermique afin de concevoir un système de pompe à chaleur géothermique (PACG), adapté aux opérations minières, qui permettra de réduire les coûts, la consommation d’hydrocarbures et les émissions de gaz à effet de serre (GES). D’abord, un bilan énergétique a été réalisé pour établir la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer les galeries. Ensuite, les propriétés physico-chimiques de l’eau ont été analysées afin d’estimer le risque de corrosion et d’entartrage. À l’aide de toutes ces informations, un système de PACG préliminaire a été conçu pour calculer la quantité d’énergie géothermique qui peut être extraite de l’eau de dénoyage de la mine. Les résultats montrent qu’un système de PACG muni d’un échangeur de chaleur intermédiaire installé à la sortie de la mine permettrait de produire en moyenne 39 % des 26,6 GWh/année nécessaires pour chauffer les galeries souterraines, de diminuer les coûts de chauffage de 33 %, en plus de réduire les émissions de GES d’environ 1993 tonnes/année. Le modèle hydrogéologique développé pour la mine Éléonore suggère qu’un système de pompe à chaleur géothermique adapté au système de dénoyage de la mine pourrait fournir un maximum de 45 % de la demande en chauffage des galeries souterraines de façon durable au cours des prochaines années. Ce projet de recherche indique qu’avec une évaluation adéquate, les systèmes de PACG peuvent être adaptés aux mines en exploitation situées dans un contexte nordique et peuvent combler une partie de leurs besoins énergétiques de manière écologique, abordable et constante.

Several mines in northern regions must heat underground workings, surface buildings or process water due to frigid weather conditions. The power demand for electrical heating is high and entails significant energy expenses. Mining companies, therefore, use fossil fuels for heating, which creates environmental challenges. An eco-conscious alternative, based on local resources and low electricity consumption, is the use of geothermal energy from the mine dewatering system. The Newmont - Goldcorp Éléonore mine, an active mine located on the Eeyou Istchee territory of James Bay in Northern Quebec, was selected as a case study. The geothermal resource was characterized to design a geothermal heat pump system (GHPS) adapted to mining operations. The energy balance was calculated to establish the heating energy requirements of the mine. Subsequently, the physicochemical properties of the water from four different sampling points along the dewatering system were analyzed. Finally, a preliminary GHPS was designed to assess the amount of geothermal energy that can be extracted from the dewatering system of the mine. Under current conditions, a system equipped with an intermediate heat exchanger installed at the exit of the dewatering system could provide 39% of the 26.6 GWh/year needed to heat the underground workings, reducing heating costs by 33% and greenhouse gas emissions by 1993 tons/year. A hydrogeological numerical model developed for the Éléonore mine suggests that a geothermal heat pump system adapted for the dewatering system of the mine is sustainable throughout the life of the mine and could supply up to 45% of the underground workings heating demands in the upcoming years. Thus, this research indicates that with adequate assessment, geothermal heat pump systems can be adapted to active mining operations in a northern context and can contribute to their energy needs in an environmental, affordable, and constant manner.


identifier: Latutrie, Benjamin  (2020). Volcanology of two maar-diatremes: Round Butte and Twin Peaks,Hopi Buttes volcanic field, Navajo Nation, Arizona.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 231 p.

subject:
transition zone
upper diatreme
lower diatreme
phreatomagmatism
magmatism
lithic clasts
lithic-rich lithologies
non-bedded rocks
disturbed beds
undisturbed beds

abstract: Maar-diatremes are small, monogenetic, short-lived volcanoes that are mainly phreatomagmatic in origin. They display a funnel morphology and are composed, from top to bottom, by an ejecta ring, a maar crater, a typically bedded upper diatreme, a typically non-bedded lower diatreme, a root zone and a feeder intrusion. The Miocene Hopi Buttes volcanic field in northern Arizona comprises many maar-diatreme volcanoes, and provides excellent exposures of diatremes. The well-known stratigraphy of the sedimentary country rocks in the area allows the depth of current diatreme remnants relative to the pre-eruptive surface to be estimated. From north to south (younger to older), the main sedimentary formations are the Bidahochi Formation, the Moenave Formation, the Chinle Formation (Owl Rock Member, Petrified Forest Member and Shinarump Member) and the Moenkopi Formation. Two months of field work were carried out on the Round Butte diatreme and on the Twin Peaks volcanic complex. Round Butte is a small diatreme exposed 190 m below the pre-eruptive surface and exposes the transition from upper diatreme to lower diatreme. Twin peaks is composed by two ‘plug’-dominated volcanic remnants reaching up to the pre-eruptive surface, and a small satellite diatreme. Detailed mapping, componentry measurements and sampling were realised at both sites. In the laboratory, geochemistry of coherent lavas, dikes and juvenile fragments was characterized. Thin sections of coherent and pyroclastic rocks were described and a subset of the pyroclastic thin sections was point counted. At Round Butte, three main groups of pyroclastic lithofacies were highlighted with undisturbed bedded rocks, disturbed bedded rocks and non-bedded rocks, as well as two minor groups comprising megablocks (blocks over 2 m in long axis) and debris avalanche deposits. Undisturbed bedded pyroclastic rocks were deposited on the floor of the syn-eruptive crater by fallback and pyroclastic surges. They are now part of the upper diatreme and sit on an unconformity. This unconformity formed during the eruption as a consequence of crater excavation, without requiring a significant pause in volcanic activity. Below this unconformity is the association of disturbed bedded and non-bedded pyroclastic rocks. The former are crater floor pyroclastic deposits in which the bedding has been progressively disturbed, whereas the latter form invasive columns created by passing debris jets. This association is interpreted as a transition zone toward the lower diatreme at depth. The transition zone has been integrated into the general model for maar-diatreme volcanoes, and was the missing link between upper diatreme rocks which are clearly phreatomagmatic at many sites, and the more enigmatic lower diatreme rocks. Both are shown to form at the same time, by the same suite of phreatomagmatic processes. Lithic fragment proportions measured with field componentry at Round Butte are compared with country rock fragmentation models based on the stratigraphy of surrounding country rocks and the size of the diatreme. The best models have a root zone within the Moenkopi Formation, up to 440 m below the pre-eruptive surface. Competent sedimentary formations/members (Moenave Formation, Owl Rock Member and Moenkopi Formation) are found in higher proportions in the field componentry than in the models because they are resistant to disaggregation. On the other hand, the less competent stratigraphic formations/members (Bidahochi Formation, Petrified Forest Member, Shinarump Member) show a depletion because they disaggregate easily; they are possibly included within the matrix of the pyroclastic rocks. In addition, Bidahochi clasts were preferentially expelled toward the ejecta ring during early maar formation. Sedimentary megablocks originate from the Bidahochi Formation, Moenave Formation and Owl Rock Member. These megablocks, and debris avalanche deposits, formed from slumps related to the destabilization of the crater walls. Not all maar-diatremes are purely phreatomagmatic. At Twin Peaks, this work describes ‘plug’- dominated volcanic remnants composed by two main peaks (North and South) and a satellite diatreme forming a SE-NW line. The two main peaks are maar-diatreme volcanoes because they display a round shape, gentle to steep contacts with the country rocks and contain some phreatomagmatic deposits. Detailed mapping highlights four stratigraphic units. Unit 1 is composed by grey to brown juvenile clasts with the highest proportion of lithic clasts of the massif; it is interpreted as phreatomagmatic. Unit 2 is less rich in lithic and brown juvenile clasts, but displays a higher proportion of moderately to highly vesiculated juvenile clasts; it is interpreted as phreato-strombolian. Unit 3a is characterized by non-welded spatter within a fine pyroclastic matrix and is interpreted as phreato-hawaiian. Unit 3b is composed by welded spatter to clastogenic lavas; the eruptive style was fire fountaining. Finally, Unit 4 is composed of black jointed coherent basanite and is interpreted as a lava lake. The lava-filled maar crater could have overflowed, forming lava flows, and this is an under-recognized hazard associated with maar-diatremes.


identifier: Fillion, Marc-Alexandre  (2020). Évaluation du devenir et comportement environnemental d’une nouvelle formulation explosive insensible PAX-48.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 183 p.

subject:
matériaux énergétiques
photodégradation
solubilité
devenir environnemental
hydrolyse alcaline
adsorption
PAX-48
biodégradation
energetic materials
photodegradation
solubility
environmental fate
alkaline hydrolysis
Adsorption
PAX-48
biodegradation

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.L’entraînement des militaires se caractérise par des tirs réels pouvant déposer des résidus de munitions, composés de métaux et de matériaux énergétiques (explosifs et propulsifs) dans les champs de tir. Ces résidus se retrouvent aux positions de tir (propulsifs) et dans les zones d’impact. En grande majorité, si les munitions fonctionnent tel que prévu, elles génèrent très peu de résidus dans les zones d’impact. Cependant, la détonation incomplète ou nulle de la charge explosive des projectiles est aussi possible. Lorsqu’elle se produit, de plus hauts niveaux de déposition de résidus d’explosifs se retrouvent dans l’environnement. Les matériaux énergétiques (MÉ) déposés peuvent se dégrader et former des sous-produits toxiques tels que le nitrate (NO3 - ), qui peut se transformer en nitrite (NO2 - ); Ces deux composés sont toxiques pour l’homme et possèdent des concentrations maximales autorisées dans l’eau potable. L’armée canadienne prévoit l’utilisation d’une formulation énergétique (PAX-48), composée de DNAN (2,4-dinitroanisole), HMX (Octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine) et NTO (3- Nitro-1,2,4-triazole-5-one), dans les munitions et souhaite connaître son comportement environnemental avant de la déployer afin d’assurer la pérennité des secteurs d’entrainement. Notre mandat est d’évaluer le devenir environnemental de cette nouvelle formulation, et ce mémoire décrit les diverses expériences en laboratoire, représentatif des conditions de terrains, qui ont été effectuées. Les différents processus pouvant dégrader les composés du PAX-48 et leur importance dans l’environnement sont discutés. Le programme expérimental se compose d’essais de dégradation en milieu alcalin, de photodégradation, de dissolution par gouttes, de solubilité, de biodégradation aérobie ainsi que de coefficients d’adsorption (KD) et de partition octanol-eau (Kow). Les résultats montrent que l’hydrolyse alcaline peut contribuer à la dégradation du DNAN; que les solubilités aqueuses sont semblables à celles théoriques; que la dissolution par gouttes suit les solubilités des constituants; que la photodégradation est un moyen efficace d’atténuer les MÉ dans les eaux de surface; que la biodégradation aérobie n’est pas significative pour le NTO et le DNAN, mais pourrait contribuer à la dégradation du HMX dans les sols sableux; que l’adsorption des constituantes du PAX-48 est faible; et que le Kow est affecté par le pH et par un effet multicomposant.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract.  Military live fire trainings can deposit ammunition residues made of metals and energetic materials (explosive and propellant) at the soil surface, both at the firing positions and detonation points. The vast majority of rounds are operating as intended, and generate very little post-detonation residues. On the other hand, unexploded ordnance (UXO) or partial detonation of the projectile’s explosive charge may occur. When this happens, higher levels of explosive residues may be dispersed in the environment. The energetic materials (EM) deposited can degrade and forms various by-products, such as nitrate (NO3 - ), which can be converted into nitrite (NO2 - ); both of these compounds are toxic to humans and have maximum allowed concentrations in drinking water. The Canadian military plans to use a new formulation of PAX-48, composed of DNAN (2,4- dinitroanisole), HMX (Octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine) and NTO (3-Nitro-1,2,4- triazole-5-one), in ammunition and wants to know its environmental behaviour before deploying it, to ensure the sustainability of the training areas. Our mandate is to evaluate the environmental fate and behaviour of this formulation under Canada’s weather conditions. The different processes that can degrade PAX-48 compounds were studied and their relative contribution in the environment discussed. The experimental program consisted in evaluating: alkaline degradation, drip dissolution, aqueous solubility, aerobic biodegradation, adsorption on soils (KD) and octanol water (Kow) partition coefficients. The results show that alkaline hydrolysis can contribute to the degradation of DNAN; that the aqueous solubilities are similar to the theoretical ones; that the drip dissolution follows the solubilities of the constituents; that photodegradation is an effective way to degrade EM in surface water; that aerobic biodegradation is not significant for NTO and DNAN, but could contribute to the degradation of HMX in sandy soils; that the adsorption of the PAX-48 constituents is low; and that the Kow is affected by the pH and by a multi-component effect.


identifier: Nmiri, Nader  (2020). Optimisation d'un procédé de séquestration de Co₂ par des scories d’aciéries.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 113 p.

subject:
procédé
scories d’acier
carbonatation
CO₂
optimisation
échelle pilote
modélisation
étude économique
process
steel slag
carbonation
optimization
pilot scale
modeling
economic study

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF. La carbonatation minérale est une technique en développement permettant de séquestrer le dioxyde de carbone sous forme de carbonates stables et inertes en utilisant des résidus industriels/miniers alcalins. Le présent projet s’intéresse au développement d’un procédé de captage du CO2 par les scories d’acier. L’objectif de cette étude est d’adopter des conditions opératoires modérées permettant une future application industrielle du procédé. Tout au long du projet, un gaz composé de 10 % v/v CO2 a été utilisé. Deux mélanges de scories provenant de deux aciéries québécoises ont été étudiés. La réaction a été étudiée dans un premier temps en mode discontinu où la température et le temps de la réaction ainsi que la masse du CO2 introduite ont été optimisées. Les meilleures conditions ont été ajustées par la suite pour opérer en mode semi-continu. Les rendements obtenus de 119,73 ± 5,99 gCO2/kgscories et 127,44 ± 2,14 gCO2/kgscories sont comparables aux résultats des travaux antérieurs. Les mêmes conditions ont été testées dans un réacteur à l’échelle pilote pour évaluer l’effet de la mise à échelle du procédé. Aucune différence significative n’a été observée en comparant les résultats de carbonatation à l’échelle laboratoire et pilote. Une modélisation a été établie sur Aspen Plus afin d’optimiser énergétiquement les procédés développés. Cette étape a permis d’éliminer les besoins énergétiques relatifs au chauffage de la réaction par récupération de la chaleur à partir des gaz industriels. Enfin, une étude économique a été menée. Les résultats de cette étude ont montré que la rentabilité des procédés développés dépend principalement de la capacité d’usine et du prix de vente de scories carbonatées.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. Mineral carbonation is a developing technique for sequestering carbon dioxide in the form of stable and inert carbonates using alkaline industrial / mining residues. This project is concerned with the development of a process for capturing CO2 by steel slag. The objective of this study is to adopt moderate operating conditions allowing future industrial application of the process. Throughout the project, a gas composed of 10% v / v CO2 was used. Two mixtures of slag from two Quebec steel mills were studied. The reaction was first studied in discontinuous mode where the temperature and time of the reaction as well as the mass of CO2 introduced were optimized. The best conditions were subsequently adjusted to operate in semi-continuous mode. The yields obtained of 119.73 ± 5.99 gCO2 / kg slag and 127.44 ± 2.14 gCO2 / kg slag are comparable to the results of previous work. The same conditions were tested in a pilot scale reactor to assess the effect of scaling up the process. No significant difference was observed when comparing carbonation results at the laboratory and pilot scale. A model has been established on Aspen Plus in order to energetically optimize the processes developed. This step eliminated the energy requirements for heating the reaction by recovering heat from industrial gases. Finally, an economic study was carried out. The results of this study showed that the profitability of the processes developed depends mainly on the factory capacity and the selling price of carbonated slag.


identifier: Fernández Reynes, Javier  (2020). Optimisation d’une technique de séquestration du CO₂ par carbonatation minérale de résidus miniers contenant de la fayalite avec complexation du fer utilisant la 2,2'-bipyridine.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 220 p.

subject:
carbonatation minérale
séquestration du CO₂
2-2’-bipyridine
fayalite
complexation de fer
précipitation des carbonates
traitements de gaz industriels
mineral carbonation
CO₂ sequestration
iron complexing
carbonate precipitation
industrial flue gas treatment

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF. Au cours des dernières années, différentes méthodes de séquestration du CO2 ont été proposées. Parmi elles, la carbonatation minérale permet de faire réagir le CO2 et un cation métallique, principalement fer (Fe), magnésium (Mg) et calcium (Ca) pour former des carbonates stables. Dans la région de Sept-Îles au Québec, le projet Mine Arnaud prévoit l’exploitation d’un gisement d’apatite et entrainera la production de résidus miniers principalement composés de fayalite. Ces résidus, riches en fer (23 % Fe2O3) ont un potentiel d'utilisation pour la carbonatation minérale. Ce projet propose d’évaluer le potentiel de séquestration en CO2 de résidus de fayalite pour le traitement des gaz de combustion des industries proches de la mine (ArcelorMittal et Aluminerie Alouette). Cette approche de carbonatation minérale a été réalisée par voie aqueuse avec une étape de lixiviation préalable du Fe. Le Fe est ensuite complexé avec du 2,2’-bipyiridine avant d’être précipité sous forme de carbonates (FeCO3). L’approche développée a permis la séquestration du CO2 et la formation de carbonates de Fe pur à 71 %. L'optimisation des paramètres dans un scénario de recirculation a montré une capacité de lixiviation du Fe de 38 % par rapport au résidu initial, ainsi qu'un taux d'élimination du CO2 de 57 % dans des conditions de réaction douces (pH 12, 80 ºC, 10 % volume de CO2, pression atmosphérique, 2 heures de réaction) avec une efficacité globale de 24 % (0,13 g CO2 enlevée/g résidu). La possible valorisation des produits, ainsi que les faibles émissions générées sont optimistes pour une future industrialisation. La thèse se compose principalement de deux parties. La première consiste en une synthèse de l'étude, présentant le contexte par une revue bibliographique, présentant les aspects physico-chimiques fondamentaux trouvés sur la structure de la fayalite et la lixiviation de ses cations fer, l'étude de complexation et ses interactions avec le CO2 toute en phase aqueuse. Dans la deuxième, les matériels et méthodes sont décrits ainsi que les principaux résultats obtenus à travers 3 articles scientifiques. L'article 1 présente une étude de la stabilité du complexe dans différentes conditions ainsi que de la précipitation du FeCO3 à l'aide de réactifs synthétiques sans interférences. L'article 2 présente l'étude de l'optimisation des paramètres de la réaction de carbonatation minérale à l'aide des résidus de fayalite de Mine Arnaud et de CO2. Enfin, le troisième article étudie la possibilité d'utiliser cette technique de carbonatation minérale en recirculation et offre une base pour identifier les paramètres plus importants pour son éventuelle utilisation à plus grande échelle.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. In recent years, different methods of CO2 sequestration have been proposed. Among them, mineral carbonation proposes to react CO2 and a metal cation, mainly iron (Fe), magnesium (Mg) and calcium (Ca) to form stable carbonates. In the Sept-Îles area, in the province Quebec, the Arnaud Mine project is looking for the exploitation of an apatite deposit and will result into the production of a large amount of mining residues mainly composed of fayalite. These residues, rich in iron (23% Fe2O3) have a potential interest for mineral carbonation. This project proposes to assess the CO2 sequestration potential of fayalite residues for the treatment of combustion gases from industries close to the mine (ArcelorMittal and Aluminerie Alouette). This study of mineral carbonation was carried out using an indirect approach under aqueous conditions with a first step of leaching the Fe contained in the residue using ammonium salt. The Fe is then complexed with 2,2’-bipyiridine before being precipitated in the form of carbonates (FeCO3). The approach developed allowed the sequestration of CO2 and the formation of carbonates with a FeCO3 purity of 71%. Optimization of the parameters in a recirculation scenario showed a Fe leaching capacity of 38% compared to the initial residue, as well as a CO2 removal rate of 57% under mild reaction conditions (pH 12, 80 ºC, 10% CO2 volume, atmospheric pressure, 2 hours reaction) with an overall efficiency of 24% (0.13 g CO2 removed / g residue). The possible recovery of products, as well as the low emissions generated, are optimistic for future industrialization. The thesis consists of two parts. The first presents a synthesis of the study, introducing the context through a bibliographical review, exposing the fundamental physicochemical aspects found on the structure of fayalite and the leaching of its iron cations, the study of complexation and its interactions with CO2 all in the aqueous phase. In the second, the materials and methods are described as well as the main results obtained through 3 scientific articles. Article 1 presents a study of the stability of the complex under different conditions as well as the precipitation of FeCO3 using synthetic reagents without interference. Article 2 presents the study of the optimization of the parameters of the mineral carbonation reaction using the fayalite residues from Mine Arnaud and CO2. Finally, the third article studies the possibility of using this recirculating mineral carbonation technique and offers a basis for identifying the most important parameters for its possible use on a larger scale.


identifier: Duchesne, Victor  (2020). Caractérisation et analyse des variables abiotiques sur les frayères de touladi du lac Témiscouata.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 125 p.

subject:
touladi
fraie
mouvement des oeufs
courants
conditions abiotiques
frayères
interstices
sédimentation
lake Charr
spawning
egg movement
currents
abiotic conditions
spawning shoals
interstices
sedimentation

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF. Les conditions abiotiques entourant la reproduction du touladi (Salvelinus namaycush), un salmonidé d’Amérique du Nord, sont étudiées et caractérisées dans le lac Témiscouata (Canada). L’objectif de cette étude est de déterminer les causes de l’insuccès du recrutement naturel dans ce lac. Une revue complète des conditions optimales est proposée, puis l’échantillonnage de la plupart des variables d’intérêts, telles que la température, les vents, les courants, la sédimentation, le substrat, la bathymétrie et la concentration en oxygène dissous a été fait sur les sites de fraie. L’analyse subséquente a fait ressortir la faiblesse générale de la qualité du substrat présent sur les sites du lac Témiscouata. Afin de quantifier l’insuccès de la reproduction, les densités d’oeufs sur les frayères du lac sont calculées, puis comparées entre elles et avec d’autres frayères situées sur d’autres lacs. Cette comparaison semble indiquer que la faiblesse du recrutement est, en grande partie, imputable au site de la Montagne-du-Fourneau dont le ratio d’oeufs récupérés sur les oeufs possiblement pondus n’est que de 7,62 ± 1,74 %, alors qu’il oscille autour de 64,29 ± 8,29 % et 47,38 ± 4,00 % au site de la Pointe-aux-Trembles et au site de Dégelis. Des recommandations de réduction de l’érosion, de nettoyage ou d’aménagement de nouveaux sites de fraie sont suggérées pour répondre au problème. L’absence dans la littérature de valeurs référentielles pour les courants a mené à une réflexion sur l’impact particulier du régime hydrodynamique sur la reproduction au lac Témiscouata. L’incertitude associée à cet impact a donc été modélisée puis généralisée, afin de distinguer quantitativement les conditions optimales des conditions à risque sur un site. Les résultats de cette modélisation soutiennent que les conditions idéales pour la fraie sont représentées par une zone continue, délimitée par des vitesses d’écoulement supérieures à 4,09 cm s−1 , mais inférieures à 10,28 cm s−1 . Ceci indique que les courants peuvent soit soutenir la fraie ou lui nuire selon leur vitesse. Cette hypothèse est testée en deux temps. D’abord avec les données hydrodynamiques du lac Témiscouata. Il apparaît que les vitesses nécessaires à l’initiation du mouvement des oeufs sont atteintes suffisamment fréquemment (en moyenne 30,9 % du temps) ce qui permet aux courants de pousser les oeufs dans les interstices. Les vitesses nécessaires à leur resuspension sont atteintes moins souvent (en moyenne 3,7 % du temps), mais tout de même présentent ce qui soutient l’hypothèse. Ensuite, le modèle est appliqué sur des sites de fraie des Grands Lacs en inférant des valeurs de vitesse par l’entremise du fetch. Il s’avère que les sites de qualité se retrouvent plus souvent à l’intérieur ou près de la zone idéale, tandis que les sites où le taux de survie est faible s’en retrouvent loin. Le modèle pourra donc être utile pour la gestion de la ressource puisqu’il définit, pour la première fois, l’impact des courants sur le succès de la reproduction. La relation entre la survie des oeufs sur un site et la différence entre la profondeur de resuspension des oeufs, déterminée par le fetch, et la profondeur de fraie (le prédicteur) suit la relation Rs = 66, 47e 0,13(Dr−Ds) avec un coefficient de détermination r 2 = 0, 91.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. Abiotic conditions experienced by lake charr (Salvelinus namaycush), are studied in Témiscouata Lake (Canada) with the objective of finding the reasons behind the weakness of natural recruitment. For this, a complete review of optimal abiotic conditions is proposed, followed by an extensive sampling, on local spawning shoals, of various critical variables such as temperature, winds, currents, sedimentation, substrate, depth and dissolved oxygen concentration. Results show that innappropriate susbtratum conditions are the probable causes of the weak reproduction in Témiscouata Lake. To quantify the natural recruitement, egg densities were sampled at all sites and compared with known external sites. It is shown that the spawning shoal of Montagne-du-Fourneau is the most problematic as only 7.62 ± 1.74 % of naturally laid eggs are recovered. At the Pointe-aux-Trembles and Dégelis sites, up to 64.29 ± 8.29 % and 47.38 ± 4.00 % of spawned eggs were recovered. These informations allowed for suggestions regarding erosion, cleaning or construction of new spawning sites so that local lake charr can successfully increase its population. The litterature gap surrounding currents and its impacts on reproduction led to speculations as to what cause low recruitement in lake Témiscouata. To verify the role of currents, their impact was modeled to help differentiate optimal conditions from threatening conditions. It was shown that optimal conditions can be framed by velocities ranging from 4.09 to 10.28 cm s−1 in any lake. This shows that currents can promote successful reproduction but can also be problematic, according to their velocities. This hypothesis was double tested. First, using hydrodynamical data from Témiscouata Lake, velocities needed to initiate egg movement were frequently (30.9 % of the time) reached on local spawning shoals thereby ensuring egg movement, whereas velocities exceeding the 10.28 threshold were less frequent (3.7 %) but occure sufficiently frequently to reinforce the hypothesis. Then, the model was also tested on known Great Lakes spawning shoals, using velocities inferred from fetch values. Sites closest or inside the ideal range of conditions also had the highest survival rates. On the contrary, sites far outside the ideal range had drastically low survival rate. This implies that the model can be use to predict site quality based on current conditions. It is the first assessment of the impact of currents recruitment, which will be useful for future management. Relation between egg survival and the difference between resuspension depth and spawning depth was established as Rs = 66.47e 0.13(Dr−Ds) with a coefficient of determination r 2 = 0.91.


identifier: Bahloul, Faouzia  (2020). Étude de la toxicité des terres rares néodyme, thulium et yttrium chez deux espèces algales d’eau douce Chlorella fusca et Chlamydomoans reinhardtii.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 159 p.

subject:
terres rares
spéciation
phosphore organique
MINEQL+
algues d’eau douce
Chlorella fusca
Chlamydomonas reinhardtii
flux d’internalisation
toxicité
rare earth
speciation
organic phosphorus
freshwater algae
internalization flux
toxicity

abstract:
Les terres rares (TR) sont des métaux très convoités dans différentes technologies et secteurs, ce qui peut avoir comme conséquences d’augmenter leurs concentrations et leur dispersion dans les écosystèmes aquatiques et avoir des impacts sur les organismes qui y habitent. Cependant, les effets écotoxicologiques des TR ont été peu étudiés. Étant donné l’importance écologique des microalgues dans la chaîne alimentaire, il est essentiel de déterminer les répercussions de la contamination par les TR sur ces organismes. Pour ce faire, il faut tenir compte de la spéciation chimique des éléments d’intérêt en milieu aquatique. Par exemple, les ions phosphates (PO₄³⁻) ont un rôle essentiel dans la croissance des algues et dans le métabolisme algal. Néanmoins, ils ont une forte affinité avec les TR ce qui entraîne la complexation et la précipitation de ces métaux ce qui entrave l’évaluation de leur toxicité. Au cours de ce projet, la forme inorganique du phosphore habituellement utilisée pour cultiver les cellules a été substituée par une forme organique, le -glycérol phosphate, à une concentration de 25 µM. L’objectif de ce projet était de déterminer la toxicité de trois TR soit le néodyme (Nd), le thulium (Tm) et l’yttrium (Y) sur deux algues d’eau douce (Chlorella fusca et Chlamydomonas reinhardtii) ainsi que leur internalisation. Le projet portait également sur les effets lorsque deux TR sont mélangées, soit une légère (Nd) et l’autre lourde (Tm). De façon générale, les travaux suggèrent que la réponse biologique obtenue est liée à l’activité en ion libre en solution. La toxicité du Nd, du Tm et de l’Y a été comparée et, bien que les résultats montrent que pour les deux espèces l’yttrium est le plus toxique suivie par le Tm puis le Nd (le moins toxique), les deux espèces ont une sensibilité différente. En effet, des différences importantes sont toutefois apparues en considérant l’internalisation cellulaire des trois métaux. Par exemple, les concentrations internes menant à un effet toxique indiquent que C. reinhardtii est plus tolérante au Tm qu’au Nd. Pour les expériences réalisées en présence de deux TR simultanément, C. reinhardtii a été choisie pour investiguer l’accumulation du Tm en présence de 1 µM de Nd. Les résultats démontrent que le Nd inhibe l’accumulation du Tm suggérant ainsi l’existence d’un transporteur commun et une saturation au niveau du ligand biotique.

Rare earth elements (REEs) are metals that are highly used in different technologies and sectors, which can have the consequences of increasing their concentrations and their dispersion in aquatic ecosystems and have impacts on biota. However, the ecotoxicological effects of REEs have been little studied. Given the ecological importance of microalgae in the food chain, it is essential to determine the effects of REEs contamination on these organisms. To do this, we must consider the chemical speciation of the elements of interest in the aquatic environment. For example, phosphate ions (PO₄³⁻) play an essential role in algal growth and metabolism. However, they have a strong affinity with REEs which leads to the complexation and precipitation of these metals thus hindering the evaluation of their toxicity. During this project, the inorganic form of phosphorus usually used for cell culture was replaced by an organic form, -glycerol phosphate, at a concentration of 25 µM. The objective of this project was to determine the toxicity of three RREs: neodymium (Nd), thulium (Tm) and yttrium (Y) on two freshwater algae (Chlorella fusca and Chlamydomonas reinhardtii) as well as their internalization. The project also focused on the effects of a combined exposure to a light (Nd) and a heavy REE (Tm). In general, studies suggest that the biological response obtained is linked to the activity of the free ion in solution. The toxicity of Nd, Tm and Y were compared and although the results showed that for the two species yttrium is the most toxic followed by Tm then Nd (the least toxic), both species have different sensitivity. In fact, significant differences appeared when considering the cellular internalization of the three metals. For example, internal concentrations leading to a toxic effect indicate that C. reinhardtii is more tolerant to Tm than Nd. For the experiment carried out in the presence of two REEs simultaneously, C. reinhardtii was chosen to investigate the accumulation of Tm in the presence of 1 µM of Nd. The results demonstrate that Nd inhibits the accumulation of Tm, thus suggesting the existence of a common transporter as well as the saturation of the biotic ligand.


identifier: Tran, Duy Thinh  (2020). Edge caching and network slicing for wireless cellular networks.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 199 p.

subject: télécommunications

abstract: The fifth-generation (5G) wireless cellular system is expected to provide huge improvement in comparison to the fourth-generation (4G) system in supporting more stringent and versatile technical requirements. Particularly, the 5G system should be capable of providing a 1000-fold of network throughput, supporting ultra reliable and low latency communications, and handling massive connectivity. Novel techniques must be devised and well integrated to enable the 5G wireless cellular system fulfill such stringent key performance requirements of diverse wireless applications and to significantly reduce the capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure (OPEX) for 5G cellular network operators. Wireless network virtualization (WNV), or network slicing, has been considered as a promising networking approach for addressing this problem. Efficient techniques for advanced resource management of network slices must be developed to achieve high resource utilization efficiency and flexibility while satisfying each slice’s quality of service (QoS) constraints. Harnessing new kind of resources (i.e., new resource dimensions) is essential to help the future 5G wireless cellular system satisfy these stringent technical requirements in addition to exploiting new spectrum bands (e.g., millimeter wave (mmWave)) and techniques for improving spectrum and energy efficiency. Moreover, content caching at the network edge, i.e, placing popular contents or files at places closer to end users can potentially help significantly reduce network traffic and access delay considering the rapid increase of mobile video data in the wireless cellular network. The 5G network performance would be further improved if different types of network resources such as frequency spectrum, transmission power, and storage resources were efficiently utilized and managed. As a result, it is crucial to design frameworks for network resource management and content placement. Motivated by these promising key directions, the general objective of this Ph.D. research is to develop efficient resource management techniques enabling wireless edge caching and network virtualization in the wireless cellular network. Our research has resulted in three major research contributions, which are presented in three corresponding chapters of this dissertation. First, we study the caching problem for heterogeneous small-cell networks with bandwidth allocation and caching-aware base station (BS) association. The caching control and bandwidth allocation problem aims at minimizing the request miss rate for one network operator who has a limited bandwidth and storage capacity in serving its end users (UEs). To solve this problem, we propose a Line-Search-based-Iterative (LSBI) algorithm which determines the solution by combining the line-search algorithm to obtain the optimal bandwidth allocation with the iterative caching algorithm to acquire a caching solution. Numerical results demonstrate that the LSBI algorithm significantly outperforms existing caching algorithms, and is on a par with a performance bound. Second, we investigate the joint resource allocation and content caching problem which aims to efficiently utilize the radio and content storage resources in multi-cell virtualized wireless network with highly congested backhaul links. In this design, we minimize the maximum content request rejection rate experienced by users of different mobile virtual network operators (MVNO) who share a common resource pool of subcarriers and storage repositories owned by an infrastructure provider (InP). We solve the resulting mixed-integer non-linear programming (MINLP) problem by proposing a bisection-search based algorithm that iteratively optimizes the resource allocation and content caching placement. We further propose a low-complexity heuristic algorithm which achieves moderate performance loss compared to the bisection-search based algorithm. Extensive numerical results confirm the efficacy of our proposed framework which significantly reduces the maximum request outage probability compared to other benchmark algorithms. Third, we study the resource allocation and pricing problem in the virtualized wireless network that captures the multilateral interactions among access/backhaul service providers and their UEs by using the multi-leader-multi-follower (MLMF) Stackelberg game approach. Toward this end, we show how to formulate such a Stackelberg game and prove the existence of a unique game equilibrium. Then, we develop a distributed algorithm based on updating underlying best-response functions, which is proved to converge to the game equilibrium. Numerical results are presented to provide important insights into the interactions among the involved stakeholders and demonstrate the economical efficacy of the proposed design with respect to existing benchmarks. In summary, different efficient resource management algorithms have been developed considering several enabling 5G wireless technologies. Moreover, extensive numerical results are presented in each contribution to gain further insights and to evaluate the performance of our proposed designs. The solid results achieved in this dissertation would form good foundations for our future studies where research issues such as mobility management, security and privacy, and applications of machine learning techniques for more effective network management can be addressed.


identifier: Bruno-Mota, Uriel  (2020). Electrochemical Fabrication and Characterization of Conical Tungsten Ultramicroelectrodes.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 112 p.

format: application/pdf application/zip

subject:
électrochimie à l'échelle nanométrique
électrochimie à entité unique
ultramicroélectrodes
des UME
électrochimie du tungstène
embout pointu de tungstène
ultramicroélectrodes coniques
réponse voltampérométrique des UME
nanoscale electrochemistry
single-entity electrochemistry
ultra-microelectrodes
UME’s
tungsten electrochemistry
tungsten sharp tips
conic ultra-microelectrodes
voltammetric response of UME’s

abstract:
L’étude de l’électrochimie à entité unique a été d’un grand intérêt dans plusieurs domaines dus à diverses raisons qui vont de l’étude des réactions sans limitation cinétique, au besoin d’une meilleure compréhension des réactions électrochimiques se produisant dans des cellules vivantes uniques ou dans des structures subcellulaires. Grâce aux avancées récentes de la nano fabrication, des simulations assistées par ordinateur, ainsi que des potentiostats modernes, un progrès rapide est devenu possible dans le domaine de l’électrochimie à l’échelle nanométrique permettant la réalisation de mesures électrochimiques à partir d’entités submicroniques. Dans ce travail, nous présenterons notre approche concernant l’étude des réactions électrochimiques à l’échelle nanométrique, qui consiste en la fabrication d’embouts pointus de tungstène par gravure électrochimique et par gravure à faisceau ionique focalisé, caractérisés de façon microscopique et électrochimique. Les premières preuves électrochimiques d’une concentration de champs électriques au sommet des embouts en raison de la forme et de la taille de ces électrodes ont été obtenues expérimentalement. Cette concentration du champ électrique s’est avérée utile pour développer de manière sélective des amas monocristallins de particules d’or au sommet de l’embout, rendant les électrodes développées potentiellement applicables pour l’étude de réactions électrochimiques au niveau d’entités uniques.

 The use of nano-electrochemistry and single-entity electrochemistry has been of great interest in different fields due to a diverse number of reasons, that go from the study of reactions of interest at the single particle level without kinetical limitations to the need of a better understanding of the electrochemical reactions happening at single living cells or subcellular structures. With modern developments in nanofabrication, simulations and computer aided design, as well as in state of the art potentiostats, the rapid development of electrochemistry at the nanoscale was allowed making it possible to achieve electrochemical measurements from submicron entities. In this work we will present our contribution to the study of electrochemical reactions at the nanoscale, which consisted in the fabrication of sharp tungsten tips by electrochemical etching and focused ion beam etching techniques and their microscopic and electrochemical characterizations. The first direct electrochemical evidence of the concentration of electric fields at the apex of the tips due to the shape and size of the electrodes was obtained experimentally. This concentration of the electric field demonstrated to be useful in order to selectively grow clusters of gold particles at the tip apex, making the developed electrodes potentially applicable for the eventual study of electrochemical reactions at single entities.


identifier: Farahani, Mohammadmahdi  (2020). Antennes robustes et efficaces pour l'amélioration de la performance des liens à ondes millimétriques.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 253 p.

subject: télécommunications

abstract:
Récemment, les bandes mmWave ont gagné beaucoup d'attention parmi les chercheurs. Ils ont le potentiel de répondre aux demandes des nouveaux systèmes et applications de communication. De plus, les systèmes haute vitesse, large bande passante et haute capacité font des communications mmWave un choix approprié pour les communications sans fil à courte portée. Motivée par l'augmentation de la charge de trafic sur les systèmes cellulaires et l'augmentation associée du trafic via le réseau, la communication de périphérique à périphérique avec mmWave est une solution possible pour gérer cette tâche future. Cependant, les bandes mmWave ont de sérieux obstacles au développement de réseaux de communication. Dans la communication sans fil, le débit de la liaison de communication est l'un des indicateurs les plus importants pour estimer les performances. Le débit, cependant, dépend fortement des caractéristiques du canal de propagation, comme la perte de chemin, la distance entre les appareils, le bruit, etc. Grâce à la formule du modèle de perte de chemin en espace libre de Friis, la perte de chemin pour la bande des 60-GHz a une perte de près de 28 dB de plus par rapport à la bande des 5 GHz. Pour surmonter le blocage, plusieurs approches de la couche physique à la couche réseau ont été proposées. Cependant, chaque approche a ses avantages et ses inconvénients, et ces approches doivent être combinées de manière intelligente pour obtenir des réseaux robustes et efficaces. Le couplage mutuel a un impact sur les performances du système MIMO en modifiant l'impédance d'entrée des éléments rayonnants, en augmentant le niveau des lobes latéraux et en dégradant la forme du diagramme de rayonnement. Le couplage mutuel est principalement dû à trois composantes, les ondes de surface, le couplage entre les lignes d'alimentation et le couplage dû aux champs spatiaux. À cet égard, deux approches distinctes ont été proposées pour réduire le couplage mutuel dû aux champs spatiaux. Dans la première approche, une technique intéressante pour réduire le couplage mutuel entre les antennes à résonateur diélectrique (DRA) mmWave en utilisant une nouvelle paroi de polarisation-rotateur métamatériaux (MPR) est étudiée et réalisée. Le couplage mutuel est diminué en installant des murs MPR parmi les DRA, qui sont situés dans le plan H. En utilisant ces murs MPR, les modes TE des antennes deviennent orthogonaux, ce qui diminue le couplage mutuel entre les antennes. Dans la deuxième approche, une nouvelle méthode est proposée pour réduire le couplage dû à l'interaction électromagnétique spatiale entre deux éléments rayonnants à polarisation circulaire en utilisant une couche superstrate FSS. De plus, différentes techniques sont étudiées pour augmenter le gain de l'antenne. Il y a un grand défi concernant le développement d'un système dans la bande de 60-GHz, en raison de la grande quantité de pertes de propagation dans cette bande de fréquences qui a nécessité la conception des récepteurs à haute sensibilité pour surmonter cet inconvénient. Concernant les antennes, il est nécessaire de développer des antennes directives à gain élevé. Dans cet effort, la conception d'une ligne de transmission à faible perte et à haut rendement joue un rôle important pour atteindre cet objectif. Deux approches ont été étudiées sur la couche superstrate FSS et la métasurface à gradient de phase (PGM), respectivement. L'avantage des techniques proposées est qu'elles n'utilisent pas de réseaux d'alimentation qui ajoutent une grande quantité de pertes au réseau à mmWave. Pour répondre aux exigences des structures de guidage à faible perte de mmWave, nous avons proposé une nouvelle structure de guide d'ondes, appelée Hedgehog waveguide, qui présente plusieurs avantages par rapport aux lignes de transmission conventionnelles rapportées dans la littérature. Le principal avantage du guide d'ondes Hedgehog est qu'il peut supporter la propagation avec des pertes plus faibles. De plus, du fait que les champs électromagnétiques sont captés dans l'espace à l'intérieur du guide d'onde, les pertes de rayonnement sont maintenues très faibles, résultant en une bonne immunité aux perturbations électromagnétiques externes par rapport à la technologie microruban. Un autre avantage principal du guide d'ondes Hedgehog est la compatibilité avec les guides d'ondes creux, ce qui donne un degré de liberté supplémentaire pour utiliser le guide d'ondes proposé pour plusieurs conceptions d'ondes mmWve. De plus, le guide d'ondes à arête creuse et la méthode de transition à microruban sont expliqués et comparés avec le guide d'ondes Hedgehog, et un coupleur hybride à 3 ouvertures et à faible perte avec technologie d'écart de crête est conçu et fabriqué. En tant que formateur de faisceaux robuste et efficace, un réseau de formation de faisceaux LH/RH CP à double polarisation exceptionnelle est introduit et étudié dans la bande de 60-GHz. Le guide d'onde Hedgehog est utilisé comme une structure de guidage à faible perte notamment pour mettre en œuvre les déphaseurs cruciaux. La constante d'atténuation du guide d'ondes Hedgehog est significativement plus petite que les structures de guidage traditionnelles similaires, par exemple, les guides d'ondes SIW, ridge-gap, hollow et gap-waveguide dans la bande de 60-GHz. Le formateur de faisceau proposé produit des ondes de sortie à phase progressive uniformes pour alimenter un réseau d'antennes avec les huit diagrammes de rayonnement distincts associés à chacun des huit ports d'entrée. Pour augmenter le gain et réduire les lobes secondaires, un réseau d'alimentation 8×8 est utilisé. En utilisant le réseau d'alimentation introduit, les lobes latéraux sont réduits à -19 dB. En augmentant le nombre d'éléments rayonnants à 8, la directivité du formateur de faisceau recommandé augmente d'environ 3 dB. De plus, l'antenne à fente progressive est utilisée pour obtenir une largeur de bande à rapport axial à large bande. La largeur de bande de 10.75% et l'efficacité de rayonnement de 90% pour chaque port sont obtenues en utilisant le réseau de formation de faisceau prévu.

 Recently mmWave bands have gained much focus among the researchers. They have the potential to meet the demands of emerging communication systems and applications. Besides, the high-speed, large bandwidth, high-capacity systems make the mmWave communications a suitable choice for short-range wireless communications. Motivated by the increase of traffic load on cellular systems and the associated increase of traffic through the network, device-to-device (D2D) communication with mmWave is a possible solution to manage this future task. However, the mmWave bands have severe obstacles in developing communication networks. In wireless communication, the throughput of the communication link is one of the most important indicators to estimate the performance. The throughput, however, highly depends on the characteristic of the propagation channel, like path loss, the distance between devices, noise, etc. Through the formula of Friis free-space path loss model, the path loss for the 60-GHz band has a nearly 28 dB loss more versus the 5-GHz band. To overcome blockage, multiple approaches from the physical layer to the network layer have been proposed. However, every approach has its advantages and shortcomings, and these approaches should be combined in an intelligent way to achieve robust and efficient networks. The mutual coupling has an impact on (multiple input, multiple output) MIMO system performance through changing the input impedance of the radiating elements, increasing the sidelobe level, and degrading radiation pattern shape. The mutual coupling is mainly due to three components, the surface waves, the coupling between the feeding lines, and coupling due to spatial fields. In this regard, two distinguished approaches have been proposed to reduce the mutual coupling due to the spatial fields. In the first approach, a valuable technique for reducing the mutual coupling among mmWave dielectric resonator antennas (DRAs) using a new metamaterial polarization-rotator (MPR) wall is studied and performed. The mutual coupling is decreased by installing MPR walls among DRAs, which are located in the H-plane. Utilizing this MPR walls, the TE modes of the antennas become orthogonal, which decreases the mutual coupling among the antennas. In the second approach, a novel method is proposed to reduce the coupling due to spatial electromagnetic interaction among two circularly-polarised radiating elements utilizing an FSS superstrate layer. Furthermore, different techniques are investigated for increasing the gain of the antenna. There is a big challenge regarding the development of a system at 60-GHz band, due to the high amount of propagation losses at this frequency-band which required designing the high-sensitivity receivers to overcome that drawback. In antenna regards, it is needed to develop directive high-gain antennas. In this effort, designing a high-efficiency low-loss transmission line plays an important rule to achieve that goal. Two approaches based on the FSS superstrate layer and phase gradient metasurface (PGM) have been studied, respectively. The advantage of the proposed techniques is that they do not employ feeding networks which add a high amount of losses to the network at mmWave. To answer the demands of low-loss guiding structures at mmWave, we proposed a novel waveguide structure, named Hedgehog waveguide, which has several advantages compared to the conventional transmission lines reported in literature. The main advantage of the Hedgehog waveguide is that it can support propagation with lower losses. Moreover, the fact that the electromagnetic fields are captured to space within the waveguide, radiation losses are kept very low, resulting in good immunity from external electromagnetic disturbance compared to the microstrip technology. Another main advantage of the Hedgehog waveguide is the compatibility with the hollow waveguides, which gives an extra degree of freedom to use the proposed waveguide for several mmWave designs. Also, the ridge gap waveguide and transition method to microstrip are explained and compared with Hedgehog waveguide, and a low-loss multi-aperture 3-dB hybrid coupler with ridge gap technology is designed and fabricated. As a robust and efficient beamformer, an exceptional high-efficiency dual left/right-hand circularlypolarized (LH/RH CP) beamforming network is introduced and studied at 60-GHz mmWave band. The Hedgehog waveguide is employed as a notably low-loss guiding structure to implement the crucial phase shifters. The attenuation constant of the Hedgehog waveguide is significantly smaller than similar traditional guiding structures, e.g., SIW, ridge gap, hollow, and gap waveguides at the 60-GHz mmWave band. The offered beamformer produces uniform progressive-phase output waves to supply an array of antennas with the eight separate radiation patterns associated with each of the eight input ports. For enhancing the gain and reducing the sidelobes, an 8×8 feeding network is employed. Utilizing the introduced feeding network, the sidelobes are reduced to -19 dB. By expanding the number of radiating elements to 8, the directivity of the recommended beamformer raises about 3 dB. Furthermore, the progressive slot antenna is utilized to obtain a broadband axial-ratio bandwidth. The bandwidth of 10.75% and the radiating efficiency of 90% for each port is obtained utilizing the intended beamforming network.