identifier: Bouthillier, É. (2019). Non-Equilibrium Germanium-Tin Microstructures for Silicon-Compatible Mid-Infrared Photonics  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement rapide de l'informatique et des technologies de la communication a eu un impact majeur sur l'économie et la société en général. Il n'a jamais été aussi facile d'échanger un message ou de discuter avec un proche habitant de l'autre côté de la planète. De plus, les nouveaux outils technologiques bousculent l'organisation du travail et ceux-ci sont à l'origine de ce qu'on a appelé la quatrième révolution industrielle, ou l'industrie 4.0. Toutefois, la croissance exponentielle du trafic Internet est la source de sérieux enjeux au niveau énergétique. En effet, la demande d'électricité liée au secteur des technologies de l'information et de la communication représentera à elle seule 21 de la demande au niveau mondial en 2025. Pour remédier à ce problème et réduire l'impact environnemental des centres de données, la photonique intégrée sur silicium représente une solution prometteuse. En effet, contrairement au mouvement des électrons impliquant l'effet Joule, le déplacement de photons ne génère pas de chaleur. Or, le silicium qui est à la base de toute l'électronique moderne ne possède pas de bande interdite directe, le rendant inefficace pour absorber ou émettre de la lumière. En raison de leur bande interdite directe, les alliages semiconducteurs du groupe IV tels que le germanium-étain (GeSn) sont le sujet d'un vif intérêt scientifique pour relever le défi de l'intégration de circuits photoniques sur une plateforme de silicium. Le GeSn devient un semiconducteur à bande interdite directe pour des concentrations d'étain supérieures à 10 at., mais cette valeur est plus élevée lorsque le matériau est soumis à une contrainte en compression. Étant donné le rôle central que jouent la contrainte et la composition chimique au niveau de la structure de bande du GeSn, il importe de mesurer ces paramètres avec précision au niveau micrométrique. Pour cette raison, une étude de spectroscopie Raman détaillée a été menée. L'utilisation d'un laser avec une longueur d'onde de 633nm a permis d'identifier les modes Ge-Ge, Ge-Sn, "Sn-Sn like" ainsi qu'un mode supplémentaire activé par le désordre. En analysant quatorze échantillons crûs par dépôt chimique en phase vapeur et présentant une large gamme de concentrations et de contraintes, il a été possible d'isoler l'impact de ces deux paramètres sur l'énergie des modes de vibration Raman. Notamment, le nombre d'onde des quatre modes diminue pour des concentrations croissantes ou des contraintes en compression moindres. De plus, le mode Ge-Ge devient plus asymétrique pour des teneurs en étain plus élevées, alors que la contrainte n'a pas d'effet notable. Ces observations ont permis d'élaborer un modèle pour extraire la concentration en étain et la contrainte de couches ou de microstructures de GeSn à partir d'un unique spectre Raman.  ABSTRACT: The relentless development of the information and communications technology (ICT) has had considerable and profoundly transformative economic and social impacts. The exponential growth of internet traffic now represents a major issue due to the immense power consumption and carbon footprint of data centers around the world. Indeed, it is estimated that this sector will be responsible for 21 of the global electrical demand in 2025. To overcome this important challenge and reduce the environmental burden of ICT, integrated silicon photonics has emerged as a key solution to decrease the power consumption of electronic devices, since the generation of heat due to the motion of electrons in wires doesn't apply to photons. However, silicon, which is at the core of all modern electronics, is not an effective material for light emission and absorption due to its indirect band gap. In this regard, group IV alloys such as germanium-tin (GeSn) have attracted a great deal of interest as direct band gap materials compatible with silicon platforms. An indirect to direct band gap transition occurs when Sn is incorporated in Ge at concentrations above 10 at. This threshold increases (drops) as the compressive (tensile) strain in the lattice increases. Given the fundamental role of strain and composition on the GeSn band structure, the reliable, non-destructive characterization of these two parameters down to the nanoscale is of paramount importance. With this perspective, a detailed Raman spectroscopy study was conducted using a 633nm laser, allowing a clear identification of the Ge-Ge, Ge-Sn, Sn-Sn like modes, as well as an additional disorder-activated mode. Samples with various degrees of strain and composition were investigated, thus enabling the decoupling of these two contributions in Raman spectra. It was found that the four modes all downshift as Sn content increases and compressive strain relaxes. The Ge-Ge mode also becomes more asymmetric for higher Sn contents, while strain has no noticeable impact on the mode symmetry. Based on these observations, a model is presented to extract Sn composition and strain for GeSn layers and structures from a single Raman spectrum.


identifier: Avazpour, R. (2019). Physical Beneficiation of Rare Earth Elements by Pickering Emulsification  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L‘émulsion stabilisée par solides (l'ÉSS ou l‘émulsion de Pickering) à de nombreuses applications dans la production des matériaux et la synthèse dans différentes industries telles que le pétrole, la pétrochimie, polymères, produits cosmétiques, la transformation des aliments, la peinture, etc., et le plus récemment proposé dans cette étude, pour la séparation physique des minéraux. L'émulsion de Pickering n'utilise que des particules en tant qu'émulsifiant autour des gouttelettes, qui forment une barrière pour limiter la coalescence malgré d'autres émulsions qui utilisent des additifs surfactants pour stabiliser les gouttelettes dans la phase continue. La nouvelle technique utilise l‘émulsion de Pickering pour séparer les particules contenant des métaux précieux et plus spécifiquement les minéraux porteurs d‘éléments de terres rares (ÉTR) de leurs gangues associées dans le minerai. L‘ÉSS peut être utilisée comme alternative à la flottation par mousse conventionnelle (FF) ou même en tant que complément à l'un des procédés en amont / aval dans l'étape d'enrichissement physique pour augmenter les performances de la séparation.  ABSTRACT: Solid stabilized emulsions (SSE aka Pickering emulsions) have numerous applications in materials and synthesis in different industries such as petroleum, petrochemicals, polymer, cosmetics, food processing, paint, etc. and the most recently proposed in this study, for physical beneficiation of minerals. Pickering emulsion uses only particles as emulsifier around droplets which make a barrier to limit coalescence despite other emulsions which uses additive surfactants to stabilized droplets in the continuous phase. The novel technique uses Pickering emulsion for separation of precious metal bearing particles and more specifically, carrier minerals of rare earth elements (REE) from their associated gangues in the ore. SSE can be used as an alternative to the conventional froth flotation (FF) or even as a supplement with one of the up/downstream processes in physical beneficiation stage to increase the performance of separation. The economic and environmental nightmares of flotation are briefly discussed where the surfactants, chemical agents and pH modifiers should be applied in several stages and make big challenges for the sustainability of the overall process.


identifier: Ndjamba Nyami, G. (2019). Analyse d'un système radar intervéhiculaire en onde millimétrique (77 GHZ)  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le nombre de capteurs et des données générées par les véhicules augmentent graduellement et devraient possiblement doubler d'ici 2020. L'avancée assez remarquable des techniques de communications sans fil pousse les recherches au plus haut niveau de la sécurité routière. A cet e˙et, le concept de sécurité routière relevant d'un facteur assez important dans la vaste par-tie des systèmes de transport intelligent, nécessite le déploiement d'infrastructures robustes capables d'implémenter des dispositifs à évitement de collision en circulation routière. Au vu de ce constat, le concept de détection intervéhiculaire par RADAR en ondes millimétrique est celui-là qui répondrait aux exigences des techniques d'évitement de col-lision par le principe de détection d'obstacle et de positionnement. En effet, la détection d'obstacle par RADAR repose sur un élément crustial appelé SER(Surface Equivalente RADAR) 1 qui de par sa valeur peut améliorer ou pas le RSB (SNR) 2 ou du moins les performances du système. Par contre, cette valeur de la SER diffère d'une cible à l'autre ou d'un obstacle à l'autre et ceci dépendamment de sa surface radiante. Dans le cas spécifique de la circulation routière et des usagers de la route, la variation de la SER est fortement liée à la distance de la cible par rapport au RADAR et de l'angle d'incidence des signaux émis. Ceci dit, les faibles variations de distance ou d'angles d'incidence engendrent des grandes variations de la SER ce qui occasionne des pertes importantes de quelques décibels mètre carré des valeurs de la SER. Ces pertes aussi majeures qu'elles soient, dégradent significativement les performances du système.Suite à cette problématique énoncée dans le paragraphe précédent, et dans le but de compenser les variations de la SER, un module de SER a été conçu au laboratoire Poly-Grames de l'école Polytechnique de Montréal.  ABSTRACT: The number of sensors and data generated by vehicles is gradually increasing and is expected to double by 2020. The remarkable advance of wireless communications techniques is driving research at the highest level of road safety. To this end, the concept of road safety is a fairly important factor in the vast range of intelligent transport systems, requiring the deployment of robusts infrastructures capable of implementing collision avoidance devices in traÿc. In view of this, the concept of inter-vehicular detection by RADAR in millimeter wave is the one that would meet the requirements of collision avoidance techniques by the principle of obstacle detection and positioning. Indeed, the obstacle detection by RADAR is based on a crustial element called RCS (RADAR Cross Section) which by its value can improve or not the SNR (Signal Noise Ratio) or at least the performance of the system. On the other hand, this RCS value differs from one target to another or from one obstacle to another and this depends on its radiant surface. In the specific case of road traÿc and road users, the variation of RCS is strongly related to the distance from the target to RADAR and the angle of incidence of the transmitted signals. The small variations in distance or angles of incidence generate large variations of the RCS, which causes significant losses of a few decibels square meter of the RCS values. These losses as major as they are, significantly degrade the performance of the system. Following this problem stated in the previous paragraph, and in order to compensate for variations in the RCS, a RCS module was designed at Poly-Grames Laboratory of electrical engineering department of Ecole Polytechnique de Montréal. To this end, from the high-lighted RCS designed, the project aims to design and analyze the performance of a RADAR detection system on the following aspects: probability of detection or false alarm in term of SNR and range, optimization of parameters of the RADAR equation, FMCW modulation, estimation of angular position measurements and MSE of angles in the case of ESPRIT algorithms.In response to this design and analysis of the radar system's performance, the conceptual approach was made at four levels. As a first step, a theoretical analysis of radar binary detection systems was carried out in order to analyze the influence of the parameter attenuation factor (�) commonly represented by the ratio between the distance radar to target (R), the wave-length (�0) and the RCS (˙).


identifier: Chevé, N. (2019). Évaluation de la performance des géocomposites bentonitiques comme barrière aux fluides dans un contexte de recouvrement minier  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les deux principaux types de rejets solides générés par l'industrie minière sont les stériles miniers et les résidus miniers (aussi appelés rejets de concentrateur). Ces rejets peuvent contenir des minéraux sulfureux et s'ils sont entreposés en surface et exposés à l'air et à l'eau, ils ont le potentiel de produire du drainage minier acide (DMA). Ce dernier est caractérisé par un pH <6 et un contenu en métaux dissous et en sulfates élevé (Aubertin et al., 2002; Blowes et al., 2014). Une méthode de restauration éprouvée pour limiter la production de DMA, tant pour les sites miniers en exploitation que ceux abandonnés, consiste à recouvrir les rejets sulfureux de matériaux limitant l'infiltration d'eau et/ou d'oxygène (Aubertin et al., 2002; INAP, 2012). Le géocomposite bentonitique (GCB) est un matériau de plus en plus considéré comme couche de faible conductivité hydraulique au sein de recouvrement de sites minier. Il s'agit d'un matériau usiné d'environ 1 cm d'épaisseur fait de bentonite (argile gonflante) encapsulée entre 2 géotextiles. La performance de GCB dans des recouvrements miniers et, plus particulièrement, en climat froid (i.e, soumis à des cycles de gel-dégel), est cependant peu documentée, bien que des risques de performance moindre qu'attendu aient été identifiés dans ce contexte d'utilisation. Le présent projet de recherche vise donc évaluer en laboratoire la performance d'un GCB comme barrière aux fluides responsables du DMA, dans un contexte de recouvrement minier. Dans le cadre de cette étude, des essais ont été réalisés sur un GCB conventionnel (GCB non tissé et renforcé (SRNW)). Les essais en laboratoire ont été divisés en deux volets : la caractérisation du GCB utilisé et, plus particulièrement, de la bentonite qu'il contient, puis l'étude des propriétés hydrauliques et diffusives d'échantillons de GCB hydratés à l'eau ou au drainage minier acide synthétique (DMAS). Les propriétés hydrauliques et diffusives évaluées étaient la conductivité hydraulique saturée avant et après des cycles de gel-dégel, la courbe de rétention d'eau (CRE) et le coefficient de diffusion effectif de l'oxygène (De), tant pour une hydratation à l'eau déionisée (DI) qu'au DMAS. L'évolution de la qualité du DMAS percolant au travers des échantillons de GCB a également été suivie en cours d'essais de perméabilité. Des analyses minéralogiques ont été réalisées sur les échantillons saturés afin de documenter l'impact chimique et minéralogique d'une perméation au DMAS sur la bentonite. Les résultats ont indiqué que sous de faibles pressions de confinement, similaires à celles exercées par un recouvrement minier, la conductivité hydraulique saturée des échantillons de GCB hydratésau DMAS était d'environ 10-8 cm/s, soit un ordre de grandeur de moins que celle d'échantillons hydratés à l'eau DI. Une différence d'un ordre de grandeur additionnel a été observée pour un échantillon soumis à des cycles de gel-dégel (10-7 cm/s), tandis qu'une augmentation de deux ordres de grandeur (10-6 cm/s) a été mesurée pour un échantillon soumis à des cycles de gel-dégel et une désaturation occasionnelle. Cette diminution de performance a été attribuée à la formation de fissures dans la bentonite lors du gel ou du séchage des échantillons, qui n'étaient pas réparées lors d'hydratation subséquences dû à une diminution du pouvoir gonflant de la bentonite causée par la perméation au DMAS. Les résultats des analyses chimiques, électrochimiques et minéralogiques ont également indiqué que les étapes typiques de neutralisation d'un DMAS avec faible pH et concentration élevée en sulfate et en fer ont été suivies en cours de perméation. Les essais ont toutefois été interrompus à des pH de 3,2 et 3,5, sans qu'un équilibre chimique n'ait été atteint.  Des CRE similaires ont été obtenues pour les échantillons hydratés à l'eau DI et au DMAS. Les résultats indiquent que d'importantes forces de succion doivent être appliquées (0,1 à 0,45 MPa) afin de désaturer un GCB initialement bien hydraté. Les valeurs de De n'ont pour leur part pas été impactées par la nature du liquide hydratant utilisé. Les valeurs obtenues de 2,1 x 10-9 m²/s à 1,6 x 10-8 m²/s, pour des Sr de 88 à 94 %, correspondent à celles estimées par le modèle d'Aachib et al. (2004). Toutefois, puisque les GCB saturés au DMAS étaient tous plus minces que ceux hydratés à l'eau DI, le flux diffusif au travers du GCB devrait être moindre dans le cas d'une hydratation au DMAS, pour un même De. Sur la base de ces résultats, il a été conclu que dans des conditions de laboratoires contrôlées, et pour le GCB et le DMAS utilisé, l'hydratation au DMAS sous de faibles pressions de confinement a affecté négativement la performance du GCB comme barrière à l'eau et à l'oxygène.À la suite de ces travaux de recherche, il est recommandé de réaliser des essais de laboratoire complémentaires afin de déterminer la conductivité hydraulique saturée du GCB lorsque l'équilibre chimique est atteint, et de documenter la formation et la réparation des fissures se développant lors du gel et du séchage des échantillons. Il est également suggéré de réaliser des essais de perméabilité à très long terme sur des GCB traités aux polymères (résistance chimique accrue) afin de comparer les résultats obtenus à ceux de GCB conventionnels. Finalement, il est recommandé de poursuivre les travaux de recherche à l'échelle du terrain, afin de valider les degrés de saturation pouvant être atteints sur le terrain et l'influence des sols adjacents au GCB sur la qualité de l'hydratation.  ABSTRACT: The two main types of mine waste generated by the mining industry are waste rocks and tailings. Both types of wastes may contain sulphide minerals and when they are stored on the surface and exposed to oxygen and water, they have the potential to generate acid mine drainage (AMD). The latter is characterized by a pH <6, elevated level of dissolved heavy metals and high sulfate contents (Aubertin et al., 2002; Blowes et al., 2014). A proven reclamation method to mitigate AMD production is the construction of engineered multilayered covers over the mine wastes to prevent the infiltration of water and / or oxygen (Aubertin et al., 2002; INAP, 2012). Presently, geosynthetic clay liners (GCLs) are increasingly being considered as low saturated hydraulic conductivity materials as part of engineered covers. A GCL is manufactured in thin sheets (5-10 mm) that consist of a layer of bentonite interlaid between two geotextiles. Although literature on the properties of GCLs in a mining context are more frequent, research gaps still exist, particularly with respect to the application of GCLs in mine waste covers in cold climates (exposed to freeze-thaw cycles). The main objective of this research projet is to assess in the laboratory the performance of a GCL as a fluid barrier in the context of an engineered mine cover installed over acid-generating mine wastes. As part of this study, tests were performed on a conventional GCL (geosynthetic clay liner with non-woven and scrim-reinforced geotextiles). Laboratory experiments were divided into two parts: the laboratory characterization of the GCL used and more particularly, the bentonite it contains, then the determination of the hydraulic and diffusive properties of GCB samples hydrated with deionized water (DIW) or with a synthetic acid mine drainage (SAMD). The hydraulic and diffusive properties evaluated were the saturated hydraulic conductivity before and after freeze-thaw cycles, the water retention curve (WRC) and the effective diffusion coefficient (De) at high saturation value (Sr), both for permeation with DIW and SAMD. The evolution of the quality of the percolating SAMD through the GCL samples was also monitored during the permeability tests, as well as mineralogical composition of the bentonite after permeation.The results indicated that under low-pressure conditions, similar to those encountered in a mine cover, the saturated hydraulic conductivity of samples permeated with SAMD was approximately 10-8 cm/s, which is an order of magnitude higher than for samples permeated with DIW. An additional order of magnitude of difference was observed (10-7 cm/s) for a sample subjected to freeze-thaw cycles (FTCs), while an increase of two orders of magnitude (10-6 cm/s) was measured for the sample subjected occasional desaturation after a series of FTCs. This decrease in performance was attributed to the formation of cracks during the frost or the drying phase that did not self-healed during the subsequent permeation, due to the loss of swelling capacity induced by SAMD. The results of the chemical, electrochemical and mineralogical analyses also indicated that the SAMD followed the typical pH-buffering sequence associated with geochemical reactions observed during the neutralization of AMD with low pH and high Fe and SO42- concentrations. The permeability tests were ended at pH of 3,2 et 3,5, before chemical equilibrium could be reached.Similar WRCs were obtained for GCL hydrated with DIW and DMAS. In both cases, the WRC indicates that large suction must be applied (0.1 to 0.45 MPa) to desaturate an initially well-hydrated GCL. The De values did not vary according to the permeating liquid and led to values of 2.1 x 10-9 m²/s to 1.6 x 10-8 m²/s, for Sr of 88 at 94%. These values correspond to those estimated by the Aachib et al. (2004) model. However, since GCLs permeated with SAMD were all thinner than those permeated with DIW, it is expected that the diffusive flux through the GCL would be higher in the case a permeation with SAMD, for a same De value. Based on these results, it was concluded that under controlled laboratory conditions, and for GCL and SMAD used in this study, permeation with SAMD under low-pressure conditions negatively affected the performance of the GCL as a barrier to water and oxygen.Based on this research, it is recommended to conduct additional laboratory tests to determine the long-term saturated hydraulic conductivity (upon reaching a chemical equilibrium) of the GCL under study and further document the formation and repair of cracks that form during freezing and drying. It is also suggested to carry out long-term permeability tests on polymer-modified GCL (treated to enhance the chemical resistance of the bentonite) in order to compare the obtained results with those of conventional GCL. Finally, it is recommended to construct field experimental cells to validate the degree of saturation that can be achieved in the field and the influence of the soil layers adjacent to GCL on the quality of the hydration.


identifier: Ben Ali, H. E. (2019). Traitement passif du drainage minier à faible température et forte salinité  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réacteurs passifs biochimiques (RPB) représentent une technologie efficace et prometteuse pour le traitement du drainage minier (DM) dans les climats tempérés et/ou semi-arides. Néanmoins, la performance de tels systèmes est peu connue en climats nordiques, caractérisés par de faibles températures (< 5ºC) et, souvent, par des salinités élevées (jusqu'à 25 g/L), en plus d'une qualité très variable du DM. Ce projet de doctorat consiste en une étude approfondie de l'efficacité des RPB dans de tels climats. Il vise à évaluer l'influence simultanée de la faible température et de la forte salinité sur l'enlèvement des métaux et des sulfates. Selon la qualité du DM, les mécanismes d'enlèvement peuvent différer. Le traitement du drainage minier acide (DMA) repose sur l'augmentation du pH et la précipitation/co-précipitation des métaux et des métalloïdes, tandis que pour le drainage minier neutre (DMN), la sorption est le principal mécanisme d'enlèvement des métaux et des métalloïdes. Les sulfates sont enlevés, dans le DMA et le DMN, par les même processus, et ce par précipitation, réduction et/ou sorption. Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse sont les suivants : (1) l'évaluation de l'efficacité de plusieurs mélanges réactifs pour le traitement du DM par un RPB à basse température et à forte salinité; (2) l'évaluation de la performance et de la stabilité des RPB en fonction de la qualité du DM à traiter et dans les conditions opératoires imposées (température, salinité et temps de rétention hydraulique (TRH)); et (3) la prédiction de l'influence du climat sur l'efficacité à long terme du traitement passif du DM. Afin d'atteindre ces objectifs, l'approche méthodologique utilisée consistait à effectuer des essais de laboratoire (en mode batch, sans écoulement, et en mode continu, avec écoulement) puis à réaliser une simulation numérique pour prédire le comportement du système à long terme. Le modèle utilisé dans cette étude est MIN3P. Dans la première partie du projet, des essais en mode batch ont été réalisés afin d'évaluer la performance du système en mode discontinu et l'effet simultané de la faible température et de la forte salinité. Ces essais visaient à évaluer les performances de plusieurs compositions de mélanges réactifs afin de mieux s'approcher de la meilleure composition à utiliser ensuite en mode continu. Dans ce contexte, 20 réacteurs ont été utilisés et trois mélanges ont été testés pour chaque qualité de DM (DMN ou DMA). Les essais ont été réalisés durant 57 jours, à deux températures (5 et 22°C) et deux salinités (0 et 25 g/L). Les résultats ont montré que les mélanges qui permettent un meilleur traitement du DMN et du DMA contenaient au moins 30% de matières cellulosiques. Ces mélanges, qui étaient composés (en % de masse sèche) de boues (2%), de cendres (2-10%), de copeaux et sciures de bois (33%) et de sable (66-58%), ont été sélectionnés pour leur meilleure efficacité. En effet, > 87% d'enlèvement des métaux (Fe, Ni et Cu) et 100% d'enlèvement des sulfates ont été trouvés à 22°C pour le DM (acide ou neutre) non salin. Cependant, suite à une augmentation de la salinité de 0 à 25 g/L, une diminution de l'efficacité à < 9% et < 5% pour l'enlèvement des métaux dans le DMN et le DMA, respectivement, a été trouvée. Pour les sulfates, une diminution d'enlèvement de plus de 54% a été trouvée pour le DMA. Contrairement à la salinité, la faible température a affecté l'enlèvement des sulfates (diminution de 93%). L'effet simultané des deux paramètres (faible température et forte salinité) a réduit davantage les performances du système de traitement et a été plus prononcé pour le DMA. Pour la suite du projet, des essais en colonnes ont été réalisés afin de confirmer les résultats obtenus lors des essais en batch, et de statuer ainsi sur l'évolution de la conductivité hydraulique en fonction du TRH et de la qualité du DM à traiter. Pour ce faire, 8 colonnes de 11 L ont été installées (4 pour chaque type de DM) et évaluées pendant 8 mois. Les trois premiers mois les essais ont été réalisés à température ambiante puis ensuite à 5°C. Deux TRH ont également été testés pour chaque type de DM (0,5 et 1 jour, pour le DMN, et 2,5 et 5 jours, pour le DMA). Les résultats obtenus ont montré une meilleure efficacité avec les TRH les plus élevés (1 et 5 jours). À température ambiante, l'enlèvement des métaux et des sulfates a été supérieur pour le DMN et DMA non salin. Cependant, à faible température, l'efficacité de traitement a diminué pour les deux qualités (DMN et DMA) surtout pour l'enlèvement du Ni. L'effet simultané de la faible température et de la forte salinité a réduit davantage les performances du RPB. Bien que les TRH les plus élevés présentent de meilleures efficacités de traitement, les résultats ont montré qu'ils pouvaient être à l'origine d'une diminution de la conductivité hydraulique du mélange réactif, entraînant ainsi une réduction du traitement des RPB à long terme. La dernière partie de cette thèse a été consacrée à la modélisation, qui pourrait permettre de mieux comprendre les mécanismes d'enlèvement des métaux et des sulfates et de prédire l'efficacité du système à long terme (plus de 3 ans). Une simulation numérique a été effectuée en utilisant le code MIN3P et dont l'objectif était de reproduire les résultats obtenus lors des essais en colonnes pour le traitement du DMA et du DMN et de prédire l'évolution de leur l'efficacité à long terme. Les résultats de la modélisation ont montré de manière générale une forte concordance avec les résultats expérimentaux. Ils ont également permis de déduire que le système utilisé peut être efficace à plus long terme (730 jours) surtout lors de l'enlèvement des métaux à partir du DMN. Le présent projet a contribué à approfondir les connaissances quant à l'effet simultané des faibles températures et des fortes salinités sur l'efficacité des RPB en climat nordique. De plus, les modélisations ont permis d'anticiper la longévité du système de traitement et de mieux comprendre les mécanismes impliqués pour l'enlèvement des métaux et des sulfates. Enfin, les connaissances acquises et l'approche méthodologique de cette étude pourraient permettre leur application sur d'autres sites miniers sous d'autres conditions climatiques. Mots clés: Drainage minier acide, Drainage minier neutre, Réacteur passif biochimique, Faible température, Forte salinité, Modélisation.  ABSTRACT: Passive Biochemical Reactors (PBRs) represent an effective and promising passive technology for the treatment of mine drainage (MD), in temperate and/or semi-arid climates. Nevertheless, the performance of such systems is not well known in northern climates, characterized by low temperatures (<5ºC) and, often, high salinities (up to 25 g/L), in addition to a highly variable quality of MD. This project is an in-depth study on the effectiveness of PBRs in such climates, evaluating the simultaneous effect of low temperature and high salinity on metal and sulfate removal. Depending on the quality of the MD, the removal mechanisms may differ. Indeed, the treatment of acid mine drainage (AMD) is essentially based on pH increase and precipitation/co-precipitation of metals and metalloids, while for neutral mine drainage (NMD), sorption is the main mechanism. However, sulfates are removed in the same way, regardless of the quality of the treated effluent, by precipitation, reduction and/or sorption. In this context, the main objectives of the thesis are: (1) to evaluate the effectiveness of several reactive mixtures used in the PBR for the treatment of MD at low temperature and high salinity; (2) to evaluate the performance and stability of PBRs according to the quality of the MD to be treated and the operating conditions imposed (temperature, salinity and hydraulic retention time (HRT); and (3) to predict the influence of climate on the long-term effectiveness of passive MD treatment. In order to achieve these objectives, a methodological approach was used, which consisted of performing laboratory tests (in batch mode - without flow and in continuous mode - with flow) and then performing numerical simulations to predict the long-term behaviour of the system. The model used in this study is MIN3P. In the first part of the project, batch tests were carried out to evaluate the performance of the batch system while studying the simultaneous effect of low temperature and high salinity. It aims, first of all, to evaluate the performance of several reactive mixture compositions in order to find the best composition to be used later in a continuous mode-flow. In this context, 20 reactors were used and three mixtures were tested for each MD quality (NMD and AMD). The tests were carried out over 57 days at two temperatures (5 and 22°C) and two salinities (0 and 25 g/L). The results showed that mixtures that allow better treatment of NMD and AMD contain at least 30% cellulosic material. These mixtures are composed (in % of dry mass) of sludge (2%), ash (2- 10%), wood chips and sawdust (33%) and sand (66-58%), which were selected because of their better efficiency. Indeed >87% of metal removal (Fe, Ni and Cu) and 100% of sulfate removal were observed at 22°C for non-saline MD (acidic and neutral). Nevertheless, when the salinity increased from 0 to 25 g/L, a decrease in efficiency to <9% and <5% for metal removal in NMD and AMD, respectively, was observed; for sulfates, only a decrease of more than 54% for AMD was obtained. Unlike salinity, low temperature mainly affected sulfate removal (93% decrease). The simultaneous effect of the two parameters (low temperature and high salinity) further reduced the performance of the treatment system and was more pronounced for AMD. In the second part of the project, column tests were carried out to confirm the results obtained during the batch tests, and to decide on the evolution of the hydraulic conductivity as a function of the HRT and the quality of the MD to be treated. For this purpose, 8 columns of 11 L were installed (4 for each type of MD) and evaluated for 8 months. The first three months were tested at room temperature while the last five months were tested at 5°C. Two HRTs were also tested for each type of MD (0.5 and 1 day for NMD and 2.5 and 5 days for AMD). The results obtained showed better efficiency with the highest HRTs (1 and 5 days). At room temperature, metal and sulfate removal was higher for non-saline NMD and AMD than for saline drainage. However, at low temperature, treatment efficiency decreased in both qualities (AMD and NMD), especially for Ni. The simultaneous effect of low temperature and high salinity further reduced the performance of the PBR. Although the higher HRTs have the highest treatment efficiency, the results showed that they can cause a decrease in the hydraulic conductivity of the reactive mixture, resulting in long-term inhibition of PBR treatment. The last part of this thesis was devoted to modelling, which was used to provide a better understanding of the mechanisms of metals and sulfate removal and to predict the long-term efficiency of the system (more than 3 years). A numerical simulation was carried out using the MIN3P model with the objective of reproducing the results obtained during the column tests for AMD and NMD treatment and predicting the long-term evolution of their effectiveness. The results obtained from the model generally showed a good agreement with the experimental results obtained in the laboratory. They also suggest that the system used can be effective in the longer term (730 days), especially for removing metals from the NMD. This project contributed to a better understanding of the simultaneous effect of low temperatures and high salinity on the effectiveness of RPBs in northern climates. In addition, the modelling has made it possible to anticipate the longevity of the treatment system and to better understand the involved mechanisms for metals and sulfates removal. Finally, the knowledge acquired and the methodological approach of this study could allow their application to other mining sites under different climatic conditions.  Keywords: Acid mine drainage, Neutral mine drainage, Passive biochemical reactor, Low temperature, High salinity, Numerical modelling


identifier: Sanger, W. (2019). Science des données et politique : quatre essais pour comprendre les processus démocratiques  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les comportements politiques des citoyens, des partis politiques et des institutions démocratiques ont évolué depuis la naissance d'Internet. Aucune élection ne se passe désormais sans l'utilisation de données générées par les individus, que ce soit avec des sondages ou avec des interactions sur les médias sociaux. En parallèle, de nouvelles méthodologies quantitatives permettent d'interpréter ces nouvelles données. Cette thèse doctorale se concentre sur la question de recherche suivante : comment les données massives et la science des données peuvent être utilisées pour comprendre les processus démocratiques à l'ère d'Internet ? Après une revue algorithmique de la littérature académique concernant les sciences politiques et les nouvelles données, puis le développement de la littérature associée aux sciences politiques et aux médias sociaux, quatre pistes de recherche sont explorées, permettant de répondre à la question de recherche générale. Chacune est associée à un article de recherche constituant le corps de la thèse. Les données récoltées à travers cette thèse doctorale sont principalement issues de Twitter (articles 1 à 3). L'article 4 utilise l'ensemble des manifestes politiques européens entre 2000 et 2018. Concernant la méthodologie, cette thèse doctorale repose sur la science des données (acquisition de données massives à partir de réseaux sociaux, économétrie, visualisations de données, traitement automatique du langage naturel). Le premier article se rapporte aux élections québécoises de 2014, et décrit la campagne électorale perdue par le Parti Québécois malgré le fait que le parti ait été au pouvoir au moment du déclenchement de l'élection. L'utilisation de modèles économétriques a permis d'associer préférentiellement les thématiques de campagne aux quatre chef·fe·s de partis politiques à partir de 672 497 tweets. Le deuxième article de recherche prend pour terrain d'observation l'élection fédérale canadienne de 2015. Les techniques d'analyse textuelle ont permis de traiter près de 3,5 millions de tweets et de révéler les dynamiques de campagnes menant à la victoire du Parti Libéral du Canada. Le troisième article de la thèse met en oeuvre plusieurs modèles économétriques pour étudier plus de deux millions de messages publiés sur Twitter au cours de la campagne électorale nigériane de 2015. Ces techniques mettent en perspective l'utilisation des données issues des médias sociaux comme source supplémentaire d'informations pour consolider la portée des sondages traditionnels. Finalement, le quatrième article de la thèse se concentre sur les différentes élections européennes ayant eu lieu entre 2000 et 2018. À partir d'une base de données de 12 millions de mots, la création de nouveaux indicateurs mesurant la similarité entre les partis politiques permet d'appréhender la notion de populisme à travers les pays européens. Les contributions de la thèse sont de trois natures. (1) Méthodologiquement, cette thèse met en oeuvre de nombreuses techniques en science des données. Cela va de la collecte de données inédites issues des médias sociaux, à la création de nouveaux indicateurs de suivis électoraux, jusqu'à la comparaison de documents écrits en plusieurs langues ou à l'attribution de thématiques de campagne aux différents candidats grâce à des modèles économétriques ou des techniques d'apprentissage semi-supervisé. Ces méthodologies permettent de comprendre le déroulement d'une élection moderne alors que sont générées en temps réel les données des individus et des organisations. (2) Les contributions sont aussi de nature théorique, avec la caractérisation des partis de gouvernement par rapport aux partis extrêmes et l'étude du populisme. (3) Finalement, les contributions sont de nature thématique, avec la publication de recherches concernant les élections québécoises de 2014, canadiennes de 2015, nigérianes de 2015 et européennes entre 2000 et 2018.  ABSTRACT: Political behaviour of citizens, political parties and democratic institutions have evolved since the advent of the Internet. Nowadays, no election takes place without the use of real-time data provided by individuals. At the same time, new quantitative methodologies are being used to interpret these data. This doctoral thesis focuses on the following research question: how unstructured data (big data) and data science can be used to understand democratic processes in the Internet age? After an algorithmic review of the academic literature and an analysis of the literature associated to political science and social media, four research avenues are outlined to answer the general research question. Each one is associated to a research article as the corpus of the thesis. The data collected through this doctoral thesis are mainly from Twitter (articles 1 to 3). Article 4 takes into account all European political manifestos between 2000 and 2018. With regard to the methodology, this doctoral thesis is based on data science (data acquisition from social networks, econometrics, data visualization, algorithmic analysis of textual content). The first article refers to the 2014 Quebec election, and describes the election lost by the Parti Québécois despite having been the incumbent party. The use of econometric models made it possible to associate campaign topics with the four leaders of political parties from 672,497 tweets. The second research article takes as its field of observation the 2015 Canadian federal election. With textual analysis techniques, nearly 3.5 million tweets have been processed in order to understand the victory of the Liberal Party of Canada. The third article of the thesis uses several econometric models to study more than two million messages published during the 2015 Nigerian election campaign. These techniques put in perspective the use of social media data as an additional source of information to consolidate traditional surveys. Finally, the fourth article of the thesis focuses on the various European elections that took place between 2000 and 2018. Using a 12 million word database, the creation of new indicators measuring similarity between political parties makes it possible to understand the notion of populism across European countries. The contributions of the thesis are of three types. (1) Methodologically, this thesis uses several techniques in data science. This ranges from collecting new data from social media, to creating indicators monitoring elections, to comparing documents in different languages or assigning campaign themes to candidates using econometric models or semi-supervised machine learning techniques. These methodologies make it possible to understand the conduct of a modern election when data from individuals and organizations are generated in real time. (2) The contributions are also of a theoretical nature, with the characterization of governing parties versus populist parties. (3) Finally, the contributions are of a thematic nature, with the publication of research on the Quebec elections of 2014, the Canadian elections of 2015, the Nigerian elections of 2015 and the European elections between 2000 and 2018.


identifier: Kermarec, G. (2019). Développement d'un système en réalité augmentée d'assistance aux opérateurs de machinerie lourde dans une cour à bois  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, la Réalité augmentée (RA) prend une place de plus en plus prépondérante dans l'industrie en fournissant de l'assistance contextuelle à un niveau jamais atteint précédemment. En particulier, dans le domaine de la foresterie, les cours à bois sont des zones de stockage de paquets de bois, où évoluent des engins de machinerie lourde réalisant la manutention. Dans notre étude, on s'attache à développer une application en RA capable d'assister les opérateurs des machines évoluant dans la cour. On utilise pour cela le visiocasque HoloLens de Microsoft. Ce visiocasque possède un dispositif interne pour mesurer sa position basé sur une centrale inertielle et des caméras analysant l'environnement. Mais nos tests ont montré que ce dispositif était incapable de fournir une position fiable à l'intérieur d'un véhicule en mouvement. En conséquence nous avons conçu un système capable de mesurer la position et l'orientation d'un visiocasque à l'intérieur d'un véhicule évoluant en extérieur avec la précision requise pour obtenir une qualité d'expérience satisfaisante en RA. Nous n'avons pas pu mettre en pratique ce système car nous n'avions pas accès au matériel haute précision nécessaire. Nous avons cependant développé un prototype applicatif fonctionnant en intérieur en utilisant les informations du système de positionnement embarqué de l'HoloLens afin de mettre en pratique et valider les solutions de design d'interface que nous avons conçues. En parallèle, nous avons aussi mené une réflexion pour déterminer comment instrumenter les chargeurs à fourche servant à la manutention dans la cour à bois afin qu'ils puissent s'interfacer avec le reste du système d'assistance aux opérateurs. La manutention dans une cour à bois étant rarement la tâche d'un seul chargeur, nous avons ainsi conçu et mis en pratique une architecture réseau permettant d'interconnecter tous les chargeurs instrumentés de la cour avec un serveur d'inventaire qui était développé en parallèle avec notre étude. De plus, nous nous sommes assurés de la robustesse du système face à des connexions instables telles que rencontrées en utilisant des liens sans-fil à bord de véhicules en mouvement. Nous avons donc conçu un système complet d'assistance en RA aux opérateurs de machinerie lourde dans une cour à bois, et nous en avons mis en pratique l'interface ainsi que l'ensemble de l'architecture réseautique.  ABSTRACT: Nowadays, augmented reality (AR) has taken a central role in industrial settings by providing contextual help at a level never reached before. For example, in the domain of forestry, timber yards are storage areas for wood stacks. In these yards, one can find heavy equipment tasked with handling material. In our study, we aim to develop an AR application that can assist the operators working in the timber yard. For this purpose, we elected to use the HoloLens head-mounted display (HMD) sold by Microsoft. The HMD has an embedded positioning device that uses an inertial measurement unit (IMU) and environment sensing cameras. However, our results showed this device is not able to provide a reliable position when used inside a moving vehicle. Thus we designed an attitude measurement system able to locate and give the orientation of an HMD sitting inside a vehicle driving outdoors, with enough precision to provide a satisfying experience in AR. However, we were not able to fully implement this system due to lacking access the high performance equipment required. Nonetheless, we developed an application prototype designed to work indoors using the embedded HoloLens positioning system. We did so in order to implement and validate the user interface we designed. We also lead a reflection in parallel, to determine a way to instrument the fork-loaders used for handling in the timber yard. That way, they would be able to interface with the rest of the operator assistance system. Handling in a timber yard is rarely – if ever – a one-loader task. Thus we designed and implemented a network architecture allowing for connections between the instrumented loaders and an inventory server that was developed in parallel of our project. Moreover, we made sure the system was robust against unstable connections, as those can be common when using a wireless link in a moving vehicle. In summary, we designed an entire system to assist heavy equipment operators in a timber yard, and we implemented the interface and user experience, as well as the whole network architecture.


identifier: Fallahi, A. (2019). Experimental Study of Volumetric Gas-Liquid Mass Transfer Coefficient in Slurry Bubble Columns  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les colonnes à bulles slurry (SBCRs) sont largement utilisées dans une multitude de procédés où le contact efficace entre les phases gazeuse, liquide et solide est d'une importance critique. Dans ce contexte, les SBCRs ont trouvé beaucoup d'applications lors de la dernière décennie dans plusieurs industries chimiques, biochimiques et pétrochimiques. Les colonnes à bulles offrent plusieurs avantages à savoir un transfert de chaleur et de masse élevé, des coûts d'opération et de maintenance diminués, un excellent mélangeage des différentes phases, une distribution uniforme de la température et aussi de la compacité. Il est déjà établi qu'une compréhension complète des phénomènes de transfert de matière est essentielle pour le design et la mise en échelle des SBCRs. Or, ces deux tâches s'avèrent difficiles à réaliser du fait que la vitesse de transfert de matière est liée directement aux dimensions du réacteur, aux conditions opératoires et aux propriétés physiques de chacune des phases.  ABSTRACT: Slurry bubble column reactors (SBCRs) are extensively employed in a variety of processes in which efficient contact between the gas, liquid, and solid phases are of critical importance. In this context, in the past decade, SBCRs have found numerous applications in chemical, biochemical, and petrochemical industries. Bubble column reactors offer a number of advantages: superior heat and mass transfer rates, low operating and maintenance costs, excellent mixing of solids, uniform temperature distribution, and compactness. It is well established that a comprehensive understanding of the mass transfer phenomena is essential in order to design and scale-up SBCRs for industrial purposes.


identifier: Cloutier-Tremblay, C. (2019). Suivi des signes vitaux à l'éveil d'une souris non restreinte  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Introduction. Le suivi des signes vitaux d'une souris à l'éveil est crucial pour le suivi post-opératoire, tester des médicaments, l'évaluation comportementale et du stress. L'étalon or actuel est la télémétrie qui nécessite une implantation par chirurgie avec les inconvénients qui l'accompagne. Cette étude propose trois méthodes non-invasives différentes pour mesurer le rythme cardiaque et respiratoire de la souris sans induire de stress : le radar modulé en fréquence, la matrice piézoélectrique et les électrodes de surfaces couplées à un piézoélectrique. Les objectifs sont : un faible coût de fabrication, un dispositif autonome ne nécessitant pas l'intervention de l'usager, une transmission des données sans-fil ainsi qu'une mesure robuste des deux signes vitaux.  Méthode. Le matériel a été fabriqué à l'aide de Kicad pour les circuits imprimés et Catia V5 pour la modélisation 3D. Le logiciel des trois prototypes a été implémenté en C/C++ dans Psoc Creator de Cypress semiconductor et Visual Studio 2017. La faisabilité de la technique radar est testée sur souris (C57BL/6) anesthésiée par isofluorane dont l'ECG est mesuré à l'aide d'une plateforme de suivi de petit animaux validée (Labeo Technologies). Le radar est ensuite validé sur souris éveillée et restreinte dont l'ECG est mesuré à l'aide d'électrodes sous-cutanées (électrodes implantées). Le système est finalement testé sur souris éveillé dans sa cage, non restreinte. La faisabilité de la matrice piézoélectrique est testée sur souris anesthésiée par isofluorane dont l'ECG est mesuré simultanément à l'aide d'électrodes sous-cutanées (aiguilles ECG). La matrice de piézoélectriques est deposée dans une cage pour 24h et testée sur souris éveillée. Concernant le système d'électrodes de surface couplées à un piézoélectrique, la faisabilité est validée sur souris éveillée restreinte à la surface du dispositif. Finalement, le système est testé sur souris éveillée dans sa cage, non restreinte. Toutes les données fuent analysées avec Matlab2017b. Résultats. Sous anesthésie, l'erreur moyenne est de 4 % et 3 % pour le radar et la matrice piézoélectrique sur le rythme cardiaque. À l'éveil, le radar et les piézoélectriques ont permis d'obtenir des mesures stable du rythme respiratoire, mais un rythme cardiaque incohérent. La méthode d'électrodes de surface s'est avérée la meilleure pour mesurer le rythme cardiaque avec un rapport signal à bruit de 17.3 dB sur le signal ECG. Conclusion. Les électrodes de surface couplées à un piézo-électrique est la méthode la plus appropriée pour mesurer le rythme cardiaque chez une souris éveillé sans induire de stress ou et sans chirurgie, permettant de sauver du temps et de l'argent.  ABSTRACT: Introduction. Monitoring vital signs on awaken mice is crucial for post operation follow-up, drug testing, behavioral monitoring and stress evaluation. Currently, the golden standard method relies on telemetry which requires an implant via surgery. This study proposes three different non-invasive and stress-free techniques for measuring Respiration Rate (RR) and Heart Rate (HR) on awaken mice:  Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Radar, Piezoelectric Matrix and ECG pad matrix coupled with Piezoelectric. Research goals are: low cost device, self sufficient device, wireless data transmission and robust monitoring of vital signs. Methods. The hardware was designed using Kicad for PCB and Catia V5 for 3D modelisation. Software was designed using C/C++ programming in Psoc Creator from Cypress semiconductor and Visual Studio 2017. Radar technique was validated on anesthetized ventilated mouse (C57BL/6) while simultaneously recording ECG with small animal monitoring platform (Labeo technologies). System was then validated on a restrained awake mouse while simultaneously recoding ECG (implanted electrodes). Radar system was finally tested on awake mouse free in the cage. Piezoelectric matrix system was also validated on anesthetized ventilated mouse while simultaneously recording ECG (ECG needles). Piezoelectric system was then tested on awake, non restrained, mouse. Finally, ECG pad matrix was validated by restraining the mice to the device and then tested on awake, non-restrained, mouse. Data were all analysed using Matlab 2017b. Results. Under Anesthesia, mean error of 4% and 3% for FMCW Radar and Piezoelectric on HR calculation were obtained. On awaken mouse, FMCW radar and Piezoelectric Matrix rendered reliable RR but incoherent HR. ECG pad Matrix coupled with piezoelectric rendered the best HR calculation with SNR of 17.3 dB on the ECG signal. Conclusion. ECG pad Matrix coupled with piezoelectric is the most appropriate technique for monitoring the vitals signs with the advantages of reliable data, stress-free and surgery-free.


identifier: Haouzi, F.-Z. (2019). Prévention de l'érosion interne des matériaux granulaires par la technique de biocalcification  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'érosion interne dans un sol granulaire est définie comme une migration de particules sous l'effet de l'eau qui engendre une modification des caractéristiques hydrauliques et mécaniques du matériau (suffusion). Les ouvrages civils hydrauliques peuvent être menacés de ruine si l'érosion et le chargement perdurent dans le temps et les dommages risquent d'être irréversibles. Ainsi, plusieurs techniques ont été développées dans le but de palier à ce problème telles que la mise en place de filtres, l'injection de coulis ou encore le traitement à la chaux ou autre produit chimique. Toutefois, celles-ci doivent être pensées dès la phase de conception et aucune solution non intrusive permettant de lutter contre ce phénomène n'existe dans le cas d'un filtre déficient ou absent. De plus, la majorité des techniques de traitement des sols utilisées se base sur l'emploi de l'énergie mécanique et/ou les matériaux artificiels, ce qui nécessite une consommation d'énergie considérable en termes d'installation ou de production des matériaux.  ABSTRACT: The internal erosion of granular soils is defined as the migration of fine particles under waterflows that changes the hydraulic and mechanical characteristics of the soil (suffusion). Hydraulic structures may be in danger if erosion and loading persist over time and the damages may be irreversible. Thus, many studies were conducted to improve the behavior of potentially unstable soils and to prevent this phenomenon. The prevention is achieved either by zoning filters, including granular or synthetic filters, or by chemical stabilization using lime treatment or chemical grouting. Nevertheless, these solutions must be design during the conception phase and there is no nonintrusive solution that can be applied to deficient or absent filtering system. Moreover, most chemical treatments need heavy machinery or chemical products that lead to high energy consumption or increase the production of chemical reactants.


identifier: Ngamboe Mvogo, M. S. (2019). Analyse du risque en matière de cybersécurité de l'écosystème des dispositifs électroniques cardiaques implantables (DECI)  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation des dispositifs électroniques cardiaques implantables (DECI) équipés de fonctionnalités de télémétrie augmente en raison des avantages qu'ils apportent à la qualité des soins aux patients, au rendement du personnel médical et à la réduction des coûts en santé. Ils interagissent avec des systèmes externes situés à l'hôpital (programmeur), au domicile des patients (moniteur à domicile) et dans le nuage. Les DECI communiquent avec les programmeurs et les moniteurs domestiques par l'intermédiaire de signaux radiofréquence (RF) transmis dans la bande des services de communication pour implants médicaux (MICS 402-405 Mhz), tandis qu'ils interagissent avec les systèmes en nuage par l'intermédiaire des moniteurs domestiques et de la connectivité IP (protocole Internet). Les DECI sont vulnérables aux cyberattaques qui exploitent leur interface de communication par radiofréquence. Cela vaut également pour les DECI non équipés de télémétrie, mais la télémétrie introduit des vecteurs d'attaque supplémentaires. La mise en garde de la Food and Drug Administration (FDA) concernant près d'un demi-million de DECI en 2017, selon laquelle ces dispositifs étaient vulnérables à un accès non autorisé, permettant à une personne malveillante de les reprogrammer à l'aide d'équipements disponibles sur le marché, témoigne de la croissante inquiétude que suscitent les cyberattaques contre les DECI. Bien que les DECI puissent être vulnérables, aucune cyberattaque de ce type n'a été signalée. Bien que nous sachions qu'il est techniquement possible de mener de telles attaques dans l'environnement contrôlé d'un laboratoire de recherche, il reste à déterminer dans quelle mesure de telles attaques seraient viables sur une cible réelle dans le monde réel. Nous avons cherché à évaluer les risques réels des cyberattaques contre les DECI équipés de télémétrie et des systèmes dont ils dépendent. Nous avons effectué une analyse de risque réaliste de ces attaques. Un inventaire des vulnérabilités qui ont été rendues publiques à ce jour a été réalisé. Des scénarios d'attaque ont été déterminés sur la base de ces vulnérabilités, en évaluant pourquoi et comment un cybercriminel pourrait les exploiter à des fins malveillantes. La probabilité d'une exploitation malveillante de chaque vulnérabilité a été estimée en fonction de trois critères : la capacité, la motivation et l'opportunité des cybercriminels. Des cyberattaques ont été simulées dans notre laboratoire à l'aide de DECI et de programmeurs. Nous avons déterminé l'impact des cyberattaques selon quatre échelles distinctes : santé, économie, vie privée et qualité de vie. L'impact sur la santé a été déterminé selon la classification Hayes des interférences cliniquement significatives avec les fonctions des DECI, tandis que le reste des impacts ont été déterminés selon le Fair Information Practice Principles 999 (FIPPS), un standard pour l'évaluation de sécurité des systèmes de l'information. Enfin, le risque associé à chaque vecteur d'attaque a été calculé en multipliant sa probabilité d'exploitation par son impact. Deux des six objectifs d'attaque possibles représentent un risque critique , à savoir “Inciter le personnel médical à commettre des erreurs de diagnostic” et “Acquérir des connaissances sur le fonctionnement de l'appareil et des logiciels”. Quatre des 15 vulnérabilités identifiées représentent un risque inacceptable, toutes associées à des dispositifs externes (programmeur et moniteur à domicile) et sont exploitables via l'accès réseau ou l'accès web aux cibles. Les résultats de cette étude révèlent que les menaces associées à l'interface de communication RF des DECI représentent un risque acceptable par rapport à la connectivité IP des appareils externes (programmateur et moniteur domestique). Le risque réel se trouve dans les réseaux informatiques et dans le nuage. Il existe plusieurs solutions à ce problème. Il est donc à la portée des groupes affectés (patients, personnel de santé, fabricants et autorités gouvernementales) de prendre les mesures nécessaires pour réduire les risques associés à de telles cyberattaques.  ABSTRACT: The use of telemetry-enabled Cardiac Implantable Electronic Devices (CIED) is increasing due to the significant advantages it brings to patient care quality, medical staff performance and reductions in health cost. They interact with external systems located in the hospital (programmer), in patient homes (home monitor) and in the cloud. CIED communicate with programmers and the home monitors via Radio Frequency (RF) signals transmitted in the Medical Implants Communication Services band (MICS 402-405 Mhz), whereas they interact with cloud-based systems via home monitoring devices and Internet Protocol (IP) connectivity. CIED are vulnerable to cyber attacks that use their Radio Frequency communication interface. This also holds for non-telemetry enabled CIED, but telemetry capability introduces additional vectors of cyber attacks. The increased concern of cyber attacks on telemetry-enabled CIED was demonstrated by the Food and Drug Administration (FDA) warning affecting almost half a million CIED in 2017 stating the aforementioned devices were vulnerable to unauthorized access, allowing a malicious person to reprogram them using commercially available equipment. Although CIED may be vulnerable, no such cyber attacks have been reported. While we know it is technically possible to conduct such an attack in the controlled environment of a research laboratory, it remains to be determined how viable such an attack would be on an actual target in the real world. We sought to assess the real-life risks of cyber attack on telemetry enabled CIED and the systems they depend on. We carried out a realistic risk analysis of such attacks. An inventory of the vulnerabilities that have been made public to date was performed. Attack scenarios were determined based on those vulnerabilities, assessing why and how a cybercriminal could exploit them for malicious purpose. The likelihood of malicious exploitation of each vulnerability was estimated according to three criteria: cybercriminal ability, motivation, and opportunity. Cyber attacks were emulated in our laboratory using current CIED and programmers. We determined the impact of cyberattacks according to four separate scales: health, economy, privacy and quality of life. The impact on health was determined according to the Hayes classification of clinically significant interference with CIED function while the rest of impacts was determined with the Fair Information Practice Principles 999 (FIPPS), a standard for the security assessment of information systems. Finally, the risk associated with each attack vector was computed by multiplying its exploitation likelihood by its impact. Two of the six possible attack goals represent a critical risk namely “Induce medical staff to make diagnostic errors” and “Gain knowledge of device operation and software”. Four of the 15 inventoried vulnerabilities represent a critical risk; all associated to external devices (programmer and home monitor) and exploited by network access and web acess. The risk of exploiting CIED RF communication interface is minor compared to the risk of exploiting externals devices IP connectivity. The real risk lies in computer networks, and there are several solutions. It is therefore within the reach of affected groups (patients, health personnel, manufacturers and government autorities) to take necessary measures to reduce the risks associated to such cyberattacks.


identifier: Li, N. (2019). Flow Control and MRI-Compatible Particle Injector: Application to Magnetic Resonance Navigation  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Notre groupe de recherche travaille sur une technique de navigation par résonance magnétique (NRM) qui vise à améliorer l'efficacité du ciblage des médicaments vers les zones tumorales. Cette technique a été subdivisée en cinq parties : 1. Conception des microparticules. La taille et les matériaux constituants les particules doivent répondre aux exigences médicales et physiologiques de l'embolisation humaine, ainsi qu'à la faisabilité du pilotage des microparticules en utilisant les gradients magnétiques (≤ 40 mT/m) d'un système clinique d'imagerie par résonance magnétique (IRM). 2. Contrôle du flot sanguin. Un contrôle du flot sanguin a été mis au point pour permettre une navigation suffisamment rapide afin de réduire le temps d'injection tout en étant suffisamment lente pour assurer un taux de réussite élevé pour la NRM. 3. Conception d'un injecteur pour la formation d'agrégats de microparticules de tailles contrôlables. Un injecteur IRM compatible a été conçu pour permettre l'injection d'agrégats de particules pour à la fois réduire le temps d'injection et augmenter l'efficacité de la NRM en raison du volume magnétique plus important injecté à chaque fois. 4. Logiciel NRM. Une séquence NRM est utilisée pour suivre et orienter les agrégats injectés. 5. Intégration de l'injecteur de particules, du contrôle du flot sanguin et du logiciel NRM. Dans cette thèse, nous cherchons à trouver des solutions aux étapes 2, 3, 4 et 5. L'auteur a constaté que la combinaison d'un micro-flot vibratoire et d'un flot constant à faible vitesse pouvait rendre la vitesse de dérive des particules basse et constante. Un système de contrôle de l'écoulement composé d'une machine vibratoire générant le flot en question et d'une pompe péristaltique a été conçu et fabriqué pour générer ces deux types d'écoulement. Ensuite, le système a été intégré au NRM pour tester les manipulations in vitro visées. Dans une IRM de 1.5 Tesla (T), les microparticules encapsulant des nanoparticules superparamagnétiques ont été navigués dans un canal à bifurcation unique en forme de Y. En comparant les résultats avec le NRM à débit constant, nous avons démontré que le modèle de flot vibrantoire proposé peut améliorer de manière significative le taux de réussite du NRM avec un gradient magnétique inférieur à 40 mT/m qui correspond au seuil maximum de gradient qui peut être utilisé sur une IRM clinique traditionnelle. Par la suite, un injecteur de particules compatible avec l'IRM, composé de deux pompes péristaltiques, d'un compteur optique et d'un piège magnétique, a été proposé pour former des agrégats de particules de taille spécifique. Afin de déterminer la conception et la configuration optimales de l'injecteur, les propriétés magnétiques des microparticules, la compatibilité magnétique des différentes pièces de l'injecteur et la distribution spatiale du champ magnétique du système IRM ont été étudiées de manière exhaustive. Les particules utilisées dans l'essai avaient un diamètre de 230 ± 35 μm, ce qui respecte les spécifications requises pour une chimioembolisation trans-artérielle (TACE) chez l'adulte. Nous avons démontré que l'injecteur pouvait former des agrégats contenant 20 à 60 microparticules avec une précision de 6 particules. Les agrégats ayant des longueurs globales correspondantes de 1.6 à 3.2 mm, ce qui se situe juste dans l'échelle des diamètres internes des artères hépatiques propres et des branches de division droite et gauche. Par la suite, des agrégats constitués de 25 particules ont été injectés dans un fantôme imitant des conditions physiologiques et rhéologiques humaine. Dans ce cas, 82% des agrégats (n = 50) ont réussi à atteindre les sous-branches ciblées. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible d'intégrer le flot vibrant combiné avec flot constant, l'injecteur et la séquence NRM à notre injecteur afin d'établir une synchronisation entre la formation, la propulsion, la navigation et le suivi de bolus de particules dans un fantôme avec deux niveaux de bifurcation. Un modèle théorique de la taille et l'orientation des vaisseaux a été étudié et pris en compte lors du calcul de la longueur appropriée de l'agrégat de particules pour différentes tailles de vaisseaux. Une séquence d'IRM rapide (True FISP) et un gradient magnétique de 20 mT/m ont été choisis pour suivre et orienter les agrégats. Les particules magnétiques de 200 μm de diamètre moyen ont été utilisées pour évaluer l'efficacité de la NRM avec la méthode proposée. Dans les expériences, sur la base du modèle théorique, la longueur totale des agrégats a été fixée à environ 1.6 mm. Lorsqu'un agrégat était prêt, il était injecté dans le fantôme situé au centre du tunnel de l'IRM, imitant des situations réelles. Pendant ce temps, un signal de déclenchement généré automatiquement par le générateur déclenche la séquence NRM. Les agrégats de particules ont été entraînés par le flot combiné et dirigés puis suivis par la séquence NRM. En fonction de la position des agrégats dans le fantôme, la direction du gradient de navigation a été ajustée pour diriger les agrégats de microparticules dans la branche ciblée. Lorsque le tube principal du fantôme était parallèle à B0, la distribution de base des agrégats sans NRM de gauche à gauche (GG), de gauche à droite (GD), de droite à gauche (DG) et de droite à droite (DD) viii était de 4%, 96%, 0% et 0% respectivement. La précision a atteint 84% (GG), 100% (GD), 84% (DG) et 96% (DD) (P < 0.001, P = 1.0, P < 0.001, 1, P <0.001) en utilisant la séquence de NRM correspondantes pour diriger chaque agrégat dans une branche ciblée. Ensuite, le fantôme a subi une rotation de 90 degrés horizontalement. Dans cette configuration, la branche D-G qui avait le plus faible ratio de distribution de base de 0%, passait à 80% (P <0.001) après NRM. De plus, le taux de réussite du MRN était toujours supérieur à 92% à la première bifurcation dans les expériences mentionnées ci-dessus. En conclusion, ce projet a proposé un nouveau modèle d'écoulement pour augmenter le taux de réussite de la NRM avec un gradient magnétique de 40 mT/m. Il s'agit d'une étape importante pour les expériences in vivo utilisant le système d'IRM clinique. Ensuite, un injecteur compatible avec l'IRM, capable de contrôler la taille des agrégats de particules, a été conçu et testé. Enfin, la première intégration du système d'injection de particules, qui alterne un gradient de guidage et une séquence True FISP dans un logiciel NRM dédié, confirme que le NRM peut être utilisée pour naviguer in vitro des agrégats de particules à travers deux niveaux de bifurcations à l'aide d'une IRM clinique 3 T sans modification matérielle.  ABSTRACT: The author's research group has been working on a technique of magnetic resonance navigation (MRN) which aims to improve the targeting efficiency of drugs towards tumour areas. This technique was subdivided mainly into the following steps: 1. Particle design. Sizes and materials of particles need to meet the medical and physiological requirements of human embolization, as well as the feasibility of steering the particles by using magnetic gradients (≤ 40 mT/m) of a clinical magnetic resonance imaging (MRI) system. 2. Flow control. The particles drifted by blood flow must be fast enough to decrease the particle injection time while being appropriately slow to ensure a high success rate for MRN. 3. The conception of a dedicated MR compatible injector to create microparticle aggregates with controllable sizes. The formation of aggregates can both decrease the injection time and increase the MRN efficiency because of the larger magnetic volume injected each time. 4. MRN software. An MRN sequence is used to track and steer the injected aggregates. 5. Integration of the particle injector, flow control and the MRN software. In this thesis, I aim to find solutions for steps 2, 3, 4 and 5. The author found that the combination of micro-vibrating flow and low-velocity constant flow could make the velocity of the drifted particles low and steady. A flow control system consisting of a vibrator and a peristaltic pump was designed and fabricated to generate these two flow patterns. Then, the system was integrated with MRN to test for the targeted in vitro manipulations. In a 1.5 Tesla (T) MRI system, microparticles encapsulating superparamagnetic nanoparticles were navigated in a Y-shaped single bifurcation channel. By comparing the results with MRN with constant flow, I demonstrated that the proposed flow pattern can significantly improve the success rate of MRN under a magnetic gradient of 40 mT/m, a force that can be obtained but is difficult to increase further when using a traditional clinical MRI system. Subsequently, an MRI-compatible particle injector, composed of two peristaltic pumps, an optical counter and a magnetic trap was proposed to form specific-sized particle aggregates. In order to determine the optimal design and setup of the injector, the magnetic property of microparticles, the magnetic compatibility of different parts within the injector and the field distribution of the MRI system were studied comprehensively. The particles used in the test had diameters of 230 ± 35 μm which respect the specifications needed for trans-arterial chemoembolization (TACE) in human adults. I demonstrated that the system could form aggregates containing 20 to 60 microparticles with a precision of 6 particles. The corresponding aggregate lengths ranged from 1.6 to 3.2 mm, which is just within the scale of internal diameters of the common, right and left hepatic arteries. Subsequently, aggregates consisting of 25 particles were injected into a phantom which mimics realistic physiological and rheological conditions. Under such circumstances, 82% of the aggregates (n = 50) were able to successfully reach subbranches. At last, I demonstrated the feasibility of integrating the combined flow pattern, the injector and the MRN sequence to establish synchronization between the formation, propulsion, steering and tracking of particle boluses in a two-level bifurcation phantom. To start with the establishment of a theoretical model, the size and orientation of the vessels were comprehensively studied and took into consideration when the calculation for the appropriate length of the particle aggregate for different vessel sizes. Next, a steady-state coherent sequence (True FISP) and a 20 mT/m magnetic gradient were chosen as the MRN sequence and force used to track and steer moving aggregates. Finally, magnetic particles of 200 μm mean diameter were used to evaluate the MRN efficiency of the proposed method. In the experiments, based on the theoretical model, the aggregate length was set, through the injector, to roughly 1.2 mm. When an aggregate was ready, it was injected into the phantom located in the MRI bore, imitating real-life situations. Meanwhile, a trigger signal automatically generated by the trigger generator would start the MRN sequence. Particle aggregates were drifted by the combined flow and were steered and tracked by the MRN sequence. According to the position of the aggregates in the phantom, the direction of the steering gradient would be tuned to ensure that the particles were steered into the targeted branch. When the main tube of the phantom was parallel to B0, the left–left (L-L), left–right (L-R), right–left (R-L) and right–right (R-R) baseline distribution of aggregates with no MRN were 4%, 96%, 0% and 0% respectively. The accuracy reached 84% (L-L), 100%(L-R), 84% (R-L) and 96% (R-R) (P < 0.001, P = 1.0, P < 0.001, P < 0.001) after applying corresponding MRN operations to steer each aggregate into a targeted branch. Then, the phantom was rotated 90 degrees horizontally. In that setup, the RL branch had the smallest baseline distribution ratio of 0%, which increased to 80% (P < 0.001) through MRN. Moreover, the success rate of MRN was always more than 92% at the 1st bifurcation in the experiments above. In conclusion, this project proposes a new flow pattern for increasing the MRN success rate under the magnetic gradient of 40 mT/m. This is an important step for in vivo experiments using the clinical MRI system. Then, an MRI-compatible injector, capable of controlling the size of particle aggregates, was designed and tested. At last, the first integration of the particle injection system which interleaves a steering gradient and a True FISP sequence in a dedicated MRN software confirmed that MRN can be used to navigate particle aggregates in vitro across two branch divisions in a 3 T clinical MRI system without hardware modification.


identifier: Di Mauro, E. (2019). The Biopigment Eumelanin in the Sustainability Challenge: Interfaces With Metal Electrodes, UV-Absorption Enhancement of Plastics and its Biodegradability  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'Organisation des Nations Unies (ONU) définit le développement durable comme la capacité d'une génération de satisfaire ses propres besoins « sans compromettre la possibilité des générations suivantes de satisfaire les leurs ». Le domaine de l'électronique est marqué par la croissance effrénée des déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) et par l'épuisement des ressources nécessaires à la fabrication des EEE. L'utilisation de matériaux organiques (constitués de carbone) naturels (biosourcés), biodégradables et traités à l'aide de solvants non toxiques, est alors une solution à considérer pour réduire l'empreinte écologique de l'électronique. L'eumélanine, sous-catégorie noire/marron de la mélanine (pigment omniprésent dans la faune et la flore), présente une absorption optique étendue sur les spectres ultraviolet (UV) et visible, une réponse électrique dépendante du niveau d'hydratation, des propriétés de chélation des métaux et de piégeage des radicaux ainsi qu'une structure moléculaire qui comporte des groupements fonctionnels redox. L'eumélanine est donc un matériau prometteur dans l'électronique organique verte. L'électronique organique utilise des matériaux conducteurs ou semiconducteurs à base de carbone, qui présentent une alternance de liaisons simples et doubles carbone-carbone (systèmes conjugués). Ces matériaux, outre leur flexibilité mécanique, peuvent être traités en solution. Les dispositifs à base de matériaux organiques se distinguent, par conséquent, par leur faible énergie intrinsèque (l'énergie consommée pendant leur fabrication), comparés à la majorité des dispositifs à base de matériaux inorganiques pour lesquels le processus de fabrication implique de hautes températures et des très baisses pressions (vide élevé). Les efforts pour rendre le développement plus durable concernent aussi les matériaux organiques isolants (plastiques) pour les emballages et leurs additifs nécessaires pour améliorer certaines propriétés telles que la stabilité thermique et l'absorption des rayons UV. Le coeur de cette thèse est consacré à l'étude de plusieurs propriétés fonctionnelles de l'eumélanine dans le cadre d'une utilisation potentielle dans les technologies liées à l'électronique organique verte ainsi que dans le domaine des additifs plus respectueux de l'environnent pour les plastiques. Le Chapitre 1 présente la mélanine, avec une attention particulière portée à l'eumélanine et ses propriétés.  ABSTRACT: The United Nations define sustainability as the ability to meet one generation's needs “without compromising the ability of future generations to meet their own needs”. The field of electronics features a dramatic increase of waste electrical and electronic equipment (WEEE) and the depletion of key elements necessary for EEE fabrication. The use of biodegradable organic (carbon-based) materials extracted from natural sources (bio-sourced) and processed with non-toxic solvents represents a valuable option to alleviate the environmental footprint of the electronic sector. Eumelanin, a dark-brown subcategory of melanins (a ubiquitous biopigment in flora and fauna), features broad ultraviolet-visible absorption, hydration-dependent electrical response as well as metal chelation, radical scavenging and redox activity. Eumelanin is a promising candidate in the field of green (sustainable) organic electronics. Organic (plastic) electronics is based on carbon-based conducting and semiconducting polymers and small molecules that feature conjugation (alternance of single and double carbon-carbon bonds) in their molecular structure. In addition of being mechanically flexible, devices based on organic electronic materials can be solution-processable and thus stand for their lower embodied energy (i.e. “energy spent in the production phase and stored in the inner constituents”) with respect to most inorganic ones, which are processed at high-temperature and under high-vacuum conditions. Sustainability is an issue also in the field of (non-conducting) plastics for packaging, where it concerns not only the packaging polymers but also the additives needed to enhance certain properties, such as thermal stability or ultraviolet (UV) radiation absorption. The core of this PhD thesis is devoted to the study of a number of functional properties of eumelanin in view of its use in sustainable organic electronic technologies as well as a greener additive for plastic packaging. Chapter 1 gives an overview on melanins, with a focus on the subcategory eumelanin and its properties. Chapter 2 provides a review of the state of the art of the potential applications of eumelanin demonstrated in the literature. Chapter 3 details the targets of the research: the investigation of eumelanin-metal interfaces under bias, the study of eumelanin as an additive for plastics and the assessment of eumelanin's biodegradability. Chapter 4 briefly explains the characterization techniques used.


identifier: Saidi, H. (2019). Modélisation de pompes à chaleur à multiple compresseurs  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire vise à évaluer la performance d'une Pompe À Chaleur (PAC) géothermique à multiple compresseurs. Contrairement aux PAC actuelles qui utilisent en général un seul compresseur, la configuration proposée est équipée d'un grand nombre de compresseurs (de l'ordre de 10) qui sont installés en parallèle et peuvent être activés alternativement afin d'adapter la PAC aux conditions de fonctionnement. La sélection du meilleur compresseur à tout moment permet d'optimiser le Coefficient de Performance (COP) de la PAC, en réduisant la consommation électrique et en diminuant le recours à un chauffage auxiliaire. La PAC proposée est modélisée dans le logiciel EES et des simulations d'une saison de chauffage complète sont réalisées pour deux maisons avec des besoins en chauffage différents en utilisant un pas de temps d'une heure. Les simulations utilisent les données météorologiques de Montréal, qui représentent un climat froid. Le modèle proposé repose sur des équations empiriques (méthode dite « des 10 coefficients ») afin de prévoir le comportement des compresseurs. Ces équations sont combinées avec des modèles détaillés des échangeurs à plaques (évaporateur et condenseur) basés sur des bilans d'énergie, les propriétés thermodynamiques du fluide réfrigérant, et des corrélations pour calculer les coefficients de transfert de chaleur. Le cycle complet est modélisé dans le logiciel EES qui résout les équations non-linéaires de manière itérative. Le bâtiment est modélisé simplement par un coefficient de déperditions thermiques équivalent et le puits géothermique est modélisée en supposant un transfert de chaleur radial dans le sol et en tenant compte de l'historique thermique dans le sol. Les simulations permettent de comparer la performance globale d'une PAC équipée de multiples compresseurs à celle d'une PAC qui utiliserait un seul compresseur – pour ces comparaisons, le compresseur le mieux adapté aux besoins de chaque maison est sélectionné pour la PAC de référence. Les résultats montrent que la PAC multi-compresseurs permet une amélioration du coefficient de performance saisonnier de 10 % pour le premier bâtiment et 13 % pour le second bâtiment. Cette amélioration résulte d'un meilleur COP de la PAC pour les différentes conditions d'opération, et principalement d'une diminution du chauffage auxiliaire, qui pourrait être complètement éliminé pour certaines configurations, selon les besoins thermiques en chauffage. Ainsi, des économies d'énergie de 957 kWh ont été réalisées pour le premier bâtiment et 1601 kWh pour le deuxième bâtiment.  ABSTRACT: This master's thesis aims to evaluate the performance of a multi-compressor geothermal Heat Pump (HP). Contrary to current models, which generally use a single compressor, the proposed configuration is equipped with a large number of compressors (in the order of 10) which are installed in parallel and may be activated alternatively in order to adapt the HP to the required operating conditions. The selection of the best compressor at any time allows the HP to optimise its Coefficient of Performance (COP), while reducing its electrical consumption as well as the need of auxiliary heating. The proposed HP is modeled using the EES software program. Simulations of a heating season are completed for two houses with different heating needs with one hour time step. Simulations are based on Montreal's weather data, which represent a cold climate. The proposed model uses empirical equations (known as the “10 coefficients method”) in order to predict the compressors performance. Those equations are combined with detailed models of plate heat exchangers (evaporator and condenser) based on energy balances, thermodynamic refrigerant properties, and correlations enabling the assessment of the coefficients of heat transfer. The complete cycle is simulated in EES, which iteratively solves non-linear equations. The building is modeled simply by a thermal heat-loss coefficient and a simplified model of the geothermal heat exchanger is used. The simulations allow to compare the global performance of the multi-compressor HP with a conventional HP equipped with a single compressor. For these comparisons, the optimal compressor for the single compressor HP is selected. Results show that the multi-compressor HP allows an increase in the seasonal coefficient of performance of 10% for the first building and 13% for the second building. This enhancement results from a higher COP for the HP in various operating conditions. Moreover, it allows to reduce the use of an auxiliary heating system which could be completely eliminated in specific conditions.


identifier: Ziti, A. (2019). Conception et analyse de la stabilité robuste d'une commande non linéaire d'un quadrotor  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les performances d'une loi de commande basée sur le modèle dynamique d'un quadrotor sont susceptibles de se dégrader lorsque les paramètres du modèle sont incertains ou variables. L'objectif de ce projet de maîtrise est de remédier à une problématique industrielle exprimée par la compagnie ARA robotique. Il consiste à concevoir un contrôleur non linéaire à architecture fixe capable de permettre un suivi de trajectoires, respectant des spécifications précises, pour une gamme de quadrotors dont la masse varie à l'intérieur d'un intervalle.  ABSTRACT: The performance of a controller based on a dynamical model of a quadrotor can be significantly deteriorated when the model parameters are uncertain or variable. The purpose of this project is to tackle an industrial problem expressed by the company ARA robotique pertaining to this issue. The aim of this thesis is to design a fixed-structure nonlinear trajectory tracking controller, respecting given specifications, for a range of quadrotor models with varying masses in a given interval.


identifier: Campeau, L.-P. (2019). Optimisation de la planification à court et moyen terme dans les mines souterraines  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La présente thèse s'inscrit dans le mouvement de numérisation des mines souterraines en s'attaquant au problème de planification. L'objectif global de la thèse est de fournir un outil d'optimisation des planifications à court et moyen terme permettant l'accès rapide à une solution optimale. La planification dans les mines souterraines pour ces horizons de temps est un problème difficile pour plusieurs raisons, notamment de par le grand nombre de ressources nécessaires, le grand nombre d'endroits de travail, les implications à long terme difficiles à prévoir et le niveau de précision requis. De manière plus spécifique, les objectifs de recherche sont de développer un modèle de programmation mathématique à court terme, un autre à court et moyen terme et un dernier en programmation par contraintes pour le court et moyen terme et de comparer ensuite les différentes approches. La revue de la littérature disponible sur le sujet montre que la majorité des travaux sur la planification minière portent sur les mines en fosses. Bien qu'elles aient certaines ressemblances, les mines en fosse et les mines souterraines sont malgré tout trop différentes pour simplement appliquer les solutions de l'une à l'autre. On constate d'ailleurs cette disparité dans la différence entre l'offre commerciale de produits d'optimisation pour les deux types de mines. Au sein de la littérature portant sur le souterrain, la majorité des publications portent sur la planification à long terme. Quelques modèles sont disponibles pour les horizons de temps à court et moyen terme, mais sont spécifiques à certaines mines. De cette littérature, l'ensemble des modèles est basé sur la programmation mathématique, à l'exception d'un modèle de planification en temps réel, mais qui constitue un problème différent de celui présenté ici. Un premier modèle de planification à court terme est présenté avec pour fonction objectif de maximiser les tonnes extraites tout en gardant un minimum de production de minerai pour chaque période de temps. Les variables utilisées pour la planification représentent des périodes d'une semaine et le modèle peut être résolu pour des exmeplaires allant jusqu'à six mois. Plusieurs tests sont effectués sur des données inspirées d'une mine canadienne et une analyse détaillée des solutions montre la grande différence entre la solution de la relaxation linéaire et le problème entier. Un exemple d'application réel est ensuite démontré afin de fournir les explications sur comment le modèle serait appliqué dans un tel contexte. Un deuxième modèle en programmation mathématique est présenté pour la planification intégrée à court et moyen terme. Les variables de planification y représentent des périodes d'une semaine pour les trois premiers mois de planification et des périodes de trois mois pour les suivantes. Un premier objectif consiste à maximiser la valeur actuelle nette des activités planifiées, mais un second est aussi présenté où la valeur absolue de la valeur actuelle nette est maximisée. Il est démontré que le deuxième objectif permet une meilleure utilisation des ressources tout en conservant le même niveau de production, et correspond mieux à ce qui serait implémenté en un contexte réel. De plus, on démontre que la relaxation linéaire de ce dernier est beaucoup plus près de la solution entière, facilitant ainsi la résolution du problème. Un exemple d'application à des scénarios réaliste est ensuite présenté pour fournir un cadre d'application au modèle et les avantages de la planification à court et moyen terme intégré sont présentés. Un troisième modèle est ensuite introduit, celui-ci utilisant la programmation par contraintes. L'objectif utilisé est de maximiser la valeur actuelle nette des activités. Le choix de ce dernier est fait afin de fournir une base de comparaison connue pour les modèles de programmation mathématique et de programmation par contraintes. Les résultats démontrent que ce nouveau modèle permet de résoudre avec une précision au quart de travail des exemplaires de plus d'un an. Une adaptation du modèle précédent permet de démontrer qu'aucune des exemplaires ne peut être résolue par celui-ci à ce niveau de précision et pour tel horizon de planification. La thèse se conclut en présentant quelques travaux en cours comme le développement d'un modèle de planification en temps réel et une adaptation du modèle de programmation par contraintes à un problème de mine en fosse. L'inclusion de l'aspect stochastique dans le modèle est finalement discutée ainsi que le potentiel d'une application réelle à une mine en production.  ABSTRACT: This thesis is part of the current trend of digitization in underground mines by addressing the problem of mine planning. The overall objective of the thesis is to provide a tool for short and medium-term optimization of plannings, allowing optimal solutions to be found in a short time. Underground mine planning for these time horizons is a difficult problem for a number of reasons, including the number of resources required, the large number of work places, the long-term implications of short-term decisions and the level of accuracy required. More specifically, the research objectives are to develop a mathematical programming model for short-term, another for short- and medium-term and a last one using constraint programming for the short- and medium-term and then compare the different approaches. A review of the available literature shows that the majority of work in mine planning is about open-pit mines. Even though they have some similarities, open-pit mines and underground mines are still too different to simply apply the solutions from one to the other. This discrepancy in the difference between the commercial offer of optimization products for both types of mines is another proof of this. Within the underground literature, the majority of publications focus on long-term planning. Some models are available for short- and mediumterm time horizons, but are mine specific. From this literature, all the models are based on mathematical programming, with the exception of one real-time planning model, but it adresses a very different problem from the one presented here. First a short-term planning model is presented with an objective function of maximizing tonnes mined while keeping a minimum of ore production for each time period. The planning variables represent one-week periods and the model can be solved for instances of up to six months. Several tests are carried out on data inspired by a Canadian mine and a detailed analysis of the solutions shows the large gap between the solution of the linear relaxation and the integer solution. An example of a real application is then shown to provide explanations of how the model would be applied in this context. A second model using mathematical programming is presented for integrated short- and medium-term planning. The planning variables represent one-week periods for the first three months and three-month periods for the following ones. The first objective is to maximize the net present value of the planned activities, but a second one is to maximize the absolute value of the net present value. It is then shown that the second objective allows for a better use of the resources while keeping the same level of production, and better corresponds to what would be implemented in a real-life context. It is shown that the linear relaxation of the latter is much closer to the integer solution, facilitating the resolution of the problem. An example of a realistic application to scenarios is then presented to provide a framework of application for the model and the benefits of an integrated short- and medium-term planning are presented. A third model is introduced using constraint programming. The objective is to maximize the net present value of the activities planned. The choice of objective is made in order to provide a known basis of comparison for mathematical programming and constraint programming models. The results show that this new model allows to solve instances of more than one year at a precision of a work shift. A modification of the previous model shows that none of the instances can be solved using the mathematical programming model at this level of precision and this planning horizon. The thesis concludes by presenting some work in progress including the development of a real-time planning model and the modification of the constraint programming model so that it can be applied to an open-pit mine problem. The inclusion of the stochastic aspect in the model is finally discussed as well as the potential for an application to a mine in production.


identifier: Rigamonti, M. G. (2019). Spray Drying LiFePO4 Nanoparticle Suspensions and Scale-Up  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les voitures électriques ont le potentiel de définir le nouvel horizon du transport routier à venir, dont la seule contrainte est le système de stockage d'énergie. C/LiFePO4 (C/LFP) est un matériau cathodique prometteur pour les batteries aux ions lithium: car il est peu coûteux, non-flammable, et stable. Dans le cadre du projet avec “Automotive Partnership Canada”, l'École Polytechnique et l'Université de Montréal ont mis au point un processus de synthèse par fusion pour réduire le prix de production de LiFePO4 (LFP), de 20 $\$$/kg à moins de 5 $\$$/kg. Pour atteindre cet objectif, le processus implique la production de nanoparticules de LFP suspendues dans l'eau, (distribution granulométrique, PSD médian 200nm) à partir du broyage d'un lingot obtenu par une synthèse en fusion. Une source de carbone est ajoutée lors du broyage (<10%).  ABSTRACT: As fossil fuels become less attractive for powering vehicles, electric cars have the potential to define the new skyline for future road transportation. C/LiFePO4 (C/LFP) is a promising cathode material for such batteries: inexpensive, non-flammable and stable. As part of the “Automotive Partnership Canada” project, Polytechnique and Université de Montreal developed a melt-synthesis process for LiFePO4 (LFP), aiming to cut its price from 20 $\$$/kg to less than 5 $\$$/kg. To reach this target the process involves grinding an ingot from a melt synthesis batch, to nanosized-particles by means of a wet media mill (particle size distribution, PSD median 200nm).