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Exploring the surface of semiconductor nanocrystals: Optical properties and applications
No full textThis thesis aims to understand the optical properties of small sized semiconductor NCs that exhibit intrinsic dual emission (core and surface). To study the size dependence of small NCs, a set of CdSe NCs with sizes ranging from 0.89 to 1.66 nm in radius were synthesized. The study confirms that as the nanocrystals become small, the surface emission strongly increases in amplitude, and the core emission broadens and red-shifts. These effects are rationalized in terms of coupling to ligands via electron transfer theory. The transition from the QD to the molecular cluster regime is found to be at 1.2 nm radius, in contrast to the transition from the bulk to QD transition at the Bohr radius of 5.4 nm in CdSe. These size-dependent surface electronic phenomena may be used for light emission applications. Further, the emissive properties of thiol-capped CdSe NCs are investigated through temperature-dependent PL measurements. This thesis demonstrates the influence of thiols on the relative PL intensities of the core and surface emissive states, as well as on the observed Stokes shifts. A redshift of both the core and surface PL in comparison with phosphonate-capped NCs is confirmed with literature, exploring the effect of thiols as excitonic hole-delocalizing ligands. In the end, the thesis describes the application of these NCs in optical nanothermometry. By chemical control of the thermodynamics of the core and surface emission, these nanocrystals support ratiometric temperature sensing over a broad temperature scale.Cette thèse vise à comprendre les propriétés optiques de petites nanocristaux (NC) semi-conductrices présentant une double émission intrinsèque (noyau et surface). Pour étudier la dépendance à la taille de petites NC, nous avons synthétisé un ensemble de NC CdSe avec des tailles allant de 0,89 à 1,66 nm de rayon. L'étude confirme que lorsque les nanocristaux deviennent petits, l'émission de surface augmente fortement en amplitude, et l'émission de noyau s'élargit et déplace à des énergies plus basses. Ces effets sont rationalisés en termes de couplage aux ligands via la théorie du transfert d'électrons. La transition entre le régime QD et le cluster moléculaire se situe à un rayon de 1,2 nm, contrairement à la transition entre la masse et la transition QD au rayon de Bohr de 5,4 nm dans CdSe. Les phénomènes dépendant de la taille peuvent être utilisés pour des applications d'émission de lumière. De plus, les propriétés émissives des NC de CdSe encapsulés par thiol sont étudiées par des mesures de PL dépendant de la température. Cette thèse démontre l'influence des thiols sur les intensités PL relatives des états émissifs de la noyau et de la surface, ainsi que sur les décalages de Stokes observés. Un décalage vers le rouge à la fois du noyau et de la PL surface par rapport aux NC encapsulés par des phosphonates est confirmé par la littérature, explorant l'effet des thiols en tant que ligands excitoniques délocalisant les trous. Au final, la thèse décrit l'application de ces NC en nanothermométrie optique. Par le contrôle chimique4de la thermodynamique de l'émission de noyau et de surface, ces NCs supportent la détection de température ratiométrique sur une large échelle de température
The influence of processing history on the mechanical and dispersion quality of polyethylene - CNC nanocomposites
No full textThe main objective of this project is to evaluate the feasibility of preparation of well-dispersed polyethylene (PE)/nanocrystalline cellulose (CNC) nanocomposites by melt processing. There is growing interest in using cellulose nanocrystals (CNC) as reinforcing agents in the preparation of polymer nanocomposites because they are sustainable, biodegradable, and have good physical and mechanical properties, comparable to those of inorganic fillers. Much of the effort has been directed toward incorporating CNC in preparation of polymer nanocomposites but has been mainly limited to a few water-soluble polymers. Only a few attempts have been made to use melt mixing with other bio-based polymers such as poly (lactic acid) (PLA). However, it would also be of interest to explore the potential for incorporating CNC with other polymers such as polyethylene to produce viable polyolefin/CNC nanocomposites with potential application in the automotive, pharmaceutical and packaging industries. While other methods such as solvent or water assisted processing techniques might be considered, it is commonly preferred to employ melt processing methods for economic and environmental reasons. However, as in the case of other nanofillers, the use of CNC presents a variety of challenges relating their dispersion/distribution in polymers and compatibilization with various polymer matrices, especially in hydrophobic matrices. In this project, we selected as matrices, high density polyethylene (HDPE) and linear low density polyethylene (LLDPE). Two methods were used to deal with the CNC dispersion problem, separately. In the first method the PE nanocomposites containing CNC particles were prepared with different pre-processing techniques (spray freeze dried (SFD), cryo solid state impact grinding/homogenization and masterbatch) to reduce the size of feed polyethylene pellets to ensure large surface contact areas between PE and CNC in the early stages of mixing. After the premixing treatment, the mixture of PE and CNC underwent melt compounding. The second method was to use poly (ethylene-co-vinyl alcohol) EVOH as a compatibilizer. Polarized light microscopy (PLM) and scanning electron microscopy (SEM) showed the better dispersion of SFD-CNC particles. The results of the dynamic mechanical analysis (DMA) and tensile tests showed significant improvements in modulus and tensile strength of samples containing spray freeze dried (SFD) CNC particles. Rheological measurements, including linear and non-linear viscoelastic tests, were performed on PE/CNC samples. Small amplitude oscillatory (SAOS) tests showed a slight impact of SFD-CNC incorporation on rheological characteristics of PE samples. Shear viscosity increased with CNC content. FE-SEM, TEM, and Raman mapping images revealed that SFD-CNC was fairly well dispersed in the LLDPE matrices compared to HDPE, regardless of the treatment or preparation method. The complex viscosity and storage modulus of the nanocomposite sample containing the compatibilizer was increased at low frequencies, compared to those of the noncompatibilized nanocomposite samples. The Young's modulus was enhanced, up to ca. 11% and 23% for HD/5CO/5CNC and LL/5CO/5CNC compared to the neat PE; the tensile strength remained unchanged and strain at break was decreased for the HDPE compatibilized nanocomposite. The storage modulus of the LLDPE at room temperature in the dynamic mechanical analysis (DMA) was increased up to ca. 16.6% when a good state of dispersion was achieved using the compatibilizer. The melting and crystallization behavior of the HDPE and LLDPE nanocomposites were slightly changed. FE-SEM, TEM, and Raman mapping images revealed that good dispersion in the LL/5CO/5CNC nanocomposites compared to HD/5CO/5CNC nanocomposites.L'objectif principal de ce projet est d'évaluer la faisabilité de la préparation de nanocomposites de polyéthylène (PE) / cellulose nanocristalline (CNC) bien dispersés par traitement à l'état fondu. L'utilisation de nanocristaux de cellulose (CNC) comme agents de renforcement dans la préparation de polymères nanocomposites suscite un intérêt croissant, car ils sont durables, biodégradables et possèdent de bonnes propriétés physiques et mécaniques, comparables à celles des charges inorganiques. Peu de tentatives ont été faites pour utiliser le mélange en fusion avec d'autres polymères biosourcés tels que le poly (acide lactique) (PLA). Cependant, il serait également intéressant d'explorer le potentiel d'incorporation de la CNC à d'autres polymères tels que le polyéthylène pour produire des nanocomposites polyoléfine / CNC viables pouvant être utilisés dans les industries automobile, pharmaceutique et de l'emballage. Il est généralement préférable d'utiliser des méthodes de traitement à l'état fondu pour des raisons économiques et environnementales. Cependant, comme dans le cas d'autres nanocharges. Dans ce projet, nous avons sélectionné comme matrices le polyéthylène haut densité (PEHD) et le polyéthylène basse densité linéaire (LLDPE). Deux méthodes ont été utilisées pour traiter le problème de dispersion de la CNC, séparément. Dans la première méthode, les nanocomposites de PE contenant des particules CNC ont été préparés avec différentes techniques de prétraitement . Après le traitement de prémélange, le mélange de PE et de CNC a été mélangé à l'état fondu. La deuxième méthode consistait à utiliser du poly (éthylène-alcool vinylique) EVOH comme agent de compatibilité. La microscopie à lumière polarisée (PLM) et la microscopie électronique à balayage (SEM) ont montré la meilleure dispersion des particules SFD-CNC. Les résultats de l'analyse mécanique dynamique (DMA) et des tests de traction ont montré des améliorations significatives du module et de la résistance à la traction d'échantillons contenant des particules SFD-CNC. Des mesures rhéologiques, comprenant des tests viscoélastiques linéaires et non linéaires, ont été effectuées sur des échantillons PE / CNC. Des tests SAOS ont montré un léger impact de l'incorporation de la SFD-CNC sur les caractéristiques rhéologiques des échantillons de PE. La viscosité au cisaillement augmente avec le contenu de la CNC. Les images cartographiques FE-SEM, TEM et Raman ont révélé que la SFDCNC était assez bien dispersée dans les matrices de LLDPE par rapport au HDPE, quel que soit le traitement ou la méthode de préparation. La viscosité complexe et le module de conservation de l'échantillon nanocomposite contenant l'agent de compatibilité ont été augmentés à basses fréquences par rapport à ceux des échantillons nanocomposites non compatibles. Le module de Young a été amélioré, jusqu'à env. 11% et 23% pour HD / 5CO / 5CNC et LL / 5CO / 5CNC par rapport au PE net; la résistance à la traction est demeurée inchangée et la contrainte à la rupture a été réduite pour le nanocomposite compatibilisé avec le HDPE. Le module de stockage du LLDPE à la température ambiante lors de l'analyse mécanique dynamique a été augmenté jusqu'à env. 16,6% quand un bon état de dispersion a été atteint en utilisant le compatibilisant. Les images artographiques FE-SEM, TEM et Raman ont révélé cette bonne dispersion dans les nanocomposites LL / 5CO / 5CNC par rapport aux nanocomposites HD / 5CO / 5CNC
Social networking and academic performance: A multi-study examination
No full textStudents' use of technology and new media is of central interest to educational technology and psychology scholars. One of the most salient questions of students' technology use is the impact on academic performance. In this vein, recent scholarship has addressed the relationship between social networking sites (SNS) and academic performance. However, the findings suggest a lack of agreement on the nature of the relationship between SNS use and academic performance. Since the use of SNS have become ubiquitous, it is essential to understand their impact, especially on students' academic preparation and achievement. To address the gaps in the literature, this dissertation, composed of three empirical studies, examines the relationship between social networking and academic performance in a sample of pre-university science students. This research contributes to the literature by expanding the understanding of how students' social networking is linked to their academic performance. The dissertation concludes with a discussion of the implications as well as avenues for future research.L'utilisation des technologies et des nouveaux médias chez les étudiants est un sujet central chez les chercheurs en technologie de l'éducation et en psychologie. Une question épineuse par rapport à l'utilisation des technologies chez les étudiants concerne leurs impacts sur la performance académique. Des études récentes ont porté sur la relation entre les sites de réseaux sociaux et la performance académique. Cependant, les résultats ont surtout démontré un désaccord quant à la nature de la relation. Puisque l'utilisation des réseaux sociaux est devenue omniprésente, il est essentiel de bien saisir leurs impacts, et particulièrement en ce qui concerne le travail et les résultats académiques des étudiants. Pour combler les lacunes de la littérature, cette thèse, composée de trois études empiriques, examine la relation entre les réseaux sociaux et la performance scolaire dans un échantillon d'étudiants en sciences préuniversitaires. Cette recherche contribue à la littérature en élargissant la compréhension de la façon dont le réseautage social des étudiants est lié à leur rendement scolaire. La dissertation se termine par une discussion des implications ainsi que des avenues pour la recherche future
DICER1 syndrome: assays, associations and models
No full textDICER1 is an endoribonuclease central to the generation of microRNAs (miRNAs), small RNA molecules that are predicted to silence the expression of ~30% of protein-coding genes. DICER1 utilizes its RNase IIIa and IIIb endonuclease domains to cleave pre-miRNA stemloops to release the mature single-strand miRNA, coded within either the 5' (5p) or 3' (3p) arms. DICER1 mutations have been identified in patients with pleiotropic tumour predisposition syndrome (DICER1 syndrome). Most DICER1 syndrome lesions/tumours have one loss of function (LOF) DICER1 mutation and an in trans RNase IIIb "5p miRNA altering" DICER1 mutation. DICER1 syndrome usually manifests in childhood and includes multinodular goiter, pleuropulmonary blastoma, and cystic nephroma. While biallelic DICER1 mutations (LOF + "5p miRNA altering") are observed in the tumours/lesions of DICER1 syndrome, still other rare tumours could be DICER1-associated, and it remains a mystery how these paired DICER1 mutations initiate tumourigenesis. It is hypothesized that DICER1 syndrome and DICER1-associated tumours/lesions originate from a multipotent cell whose miRNome/transcriptome is altered due the presence of only an RNase IIIb-mutated DICER1 that has acquired other genetic mutations. An in vitro cleavage assay was developed to assess the ability of 38 different disease-relevant DICER1 variants to cleave a pre-miRNA. The very rare anaplastic sarcoma of the kidney was often shown to have LOF + "5p miRNA altering" DICER1 mutations and are therefore DICER1-associated. Mouse mesenchymal stromal/stem cells (MSCs) lacking Dicer1 and rescued with various human variants of DICER1 were generated to model the cell of origin of DICER1 syndrome. Analysis of these cell lines identified potential early disease biomarkers, candidates for therapeutic intervention, and genes potentially involved in tumour priming. Introduction of ErbB2 and subsequent evaluation of transformation potential suggests that relative over-abundance of 3p miRNAs may be key to transformation. In vivo experiments suggest that MSCs may have chemo attractive potential. The data for this thesis support the hypothesis that DICER1 syndrome/DICER1-associated entities have LOF + "5p miRNA altering" mutations. In addition, many tools for the DICER1 syndrome research field have been generated including the in vitro cleavage assay and multiple cell isogenic cell lines with different DICER1 variants.DICER1 est une endoribonucléase essentielle pour la génération de microARNs (miARNs), de petites molécules d'ARN qui devraient réduire l'expression de ~30% des gènes codant pour des protéines. DICER1 utilise ses domaines d'endonucléase ARNase IIIa et IIIb pour couper les tiges-boucles de pré-miARNs pour relâcher le miARN simple brin mature, codé soit par la branche 5' (5p) ou 3' (3p). Des mutations DICER1 ont été identifiées chez les patients avec le syndrome de prédisposition tumorale pléiotropique (syndrome DICER1). La plupart des lésions/tumeurs du syndrome DICER1 ont une mutation DICER1 occasionnant une perte de fonction (LOF) et une mutation « 5p miRNA altering » en trans de l'ARNase IIIb de DICER1. Le syndrome DICER1 se manifeste habituellement pendant l'enfance et inclus le goitre multinodulaire, le blastome pleuropulmonaire et le néphrome kystique. Tandis que des mutations bi-alléliques de DICER1 (LOF + "5p miRNA altering") sont observées dans les tumeurs/lésions du syndrome DICER1, d'autres tumeurs rares peuvent aussi être associées à DICER1; le mystère demeure quant à savoir comment ces mutations appariées de DICER1 initient la tumorigénèse. Une hypothèse avancée est que le syndrome DICER1 et les tumeurs/lésions associées à DICER1 proviennent d'une cellule multipotente dans laquelle le miRNome/transcriptome est altéré dû à la seule présence l'ARNase IIIb muté de DICER1 et à l'acquisition d'autres mutations génétiques. Un test de clivage in vitro a été développé pour évaluer l'habilité de 38 différents variants de DICER1 pertinents à la maladie à cliver un pré-miARN. Il a souvent été montré que le très rare sarcome anaplasique du rein présentait des mutations DICER1 LOF + "5p miRNA altering", était donc associées à DICER1. Les cellules stromales / souches mésenchymateuses de souris dépourvues de Dicer (-/-) et secourues avec divers variants humains de DICER1 ont été générées pour modéliser les cellules à l'origine du syndrome DICER1. L'analyse de ces lignées cellulaires a identifié des biomarqueurs potentiels de la maladie au stade précoce, candidats pour des interventions thérapeutiques et des gènes potentiellement impliqués dans l'initiation de la tumorigénèse. L'introduction d'ErbB2 et l'évaluation subséquente du potentiel de transformation suggèrent que la surabondance relative de miARNs 3p peut être la clé de la transformation. Les expériences in vivo suggèrent que les cellules souches mésenchymateuses peuvent avoir un potentiel chimio-attractif. Les résultats présentés dans cette thèse appuient l'hypothèse que le syndrome DICER1/ les entités associées à DICER1 ont des mutations LOF + "5p miRNA altering". De plus, pour la recherche sur le syndrome de DICER1, plusieurs outils ont été générés incluant le test de clivage in vitro et les lignées cellulaires isogéniques à cellules multiples avec différents variants de DICER1
Utilizing computational design optimization in cancer nanotherapy and biology system principles in air transportation: a successful demonstration of interdisciplinary research
No full textThis thesis considers the utilization of numerical design optimization principles in biomedical engineering and vice versa to enrich the methodologies of the respective disciplines in order to obtain more efficient and effective problem solutions.Specifically, the first part of the thesis introduces the use of numerical optimization to generate optimal nanoparticle designs for cancer nanotherapy, as opposed to traditional empirical methods that are constrained by financial and temporal limitations. Computational models are used to evaluate treatment therapeutic and toxicological parameters. Since the gradients of the functions evaluated using computational models may be unavailable or cannot be approximated reliable, we employ derivative-free direct search optimization algorithms supported by convergence theory. Results revealed design solutions consisting of nanoparticle size, aspect ratio, and surface ligand density that maximize tumor targeting and minimize tumor diameter at the end of treatment. This part of the thesis shows the feasibility of applying optimization to achieve efficacious cancer treatments, and offers a quantitative paradigm to support clinical decision-making. In the second part of the thesis, a physiological mechanism is used to reduce the numerical complexity of an engineering design optimization problem. In particular, we consider an air transportation system-of-systems design problem formulation that integrates aircraft sizing, fleet allocation, and route network configuration. The numerical complexity of the problem hinders its solution for large unstructured (as opposed to hub-spoke) networks. The bioinspired approach is used to eliminate parts of the optimization problem without loss of optimality, leading to significant numerical simplifications. The new approach is first validated for a 15-node network, which is the largest network size reported in the literature. We then obtain, report, and discuss results for a 20-node network, a size that is representative of the Canadian major airport landscape, for which results could not be obtained previously due to prohibitive computational cost and numerical difficulties. The presented bioinspired design methodology provides a paradigm for reducing complexity in the design of system-of-systems engineering with the potential of being useful in a wide range of applications.La thèse suivante considère l'utilisation de principes d'optimisation de design numérique dans le domaine de l'ingénierie biomédicale et vice-versa, afin d'enrichir les méthodologies de ces disciplines, pour ensuite obtenir des solutions efficaces et effectives aux différents problèmes. Plus particulièrement, la première partie de la thèse présente l'utilisation de l'optimisation numérique afin de générer un design optimal de nanoparticules pour la nanothérapie dans le domaine du cancer, par opposition aux méthodes empiriques traditionnelles qui sont limitées par des contraintes financières et temporelles. Des modèles computationnels sont adoptés et utilisés pour évaluer les traitements thérapeutiques ainsi que les paramètres toxicologiques. Puisque les gradients des modèles computationnels sont indisponibles, et que leur obtention peut être non fiable, nous basons nos études d'optimisation sur une méthode sans dérivée; plus spécifiquement sur un algorithme direct de recherche avec des propriétésde convergence rigoureuses. Les résultats obtenus révèlent que la taille des nanoparticules, leur rapport de forme ainsi que la densité de surface du ligand maximisent le ciblage des tumeurs et minimisent le diamètre des tumeurs à la findu traitement. Cette partie de la thèse démontre la faisabilité de l'application de l'optimisation afin d'atteindre des traitements efficaces contre le cancer et offre une première étape vers un outil quantitatif pour soutenir la prise de décisions enclinique. Dans la deuxième partie de la thèse, un mécanisme physiologique est utilisé pour réduire la complexité numérique d'un problème d'optimisation de design en ingénierie. Plus particulièrement, nous prenons en considération la formulation d'un problème de design d'un système-de-systèmes de transports aériens qui intègre le dimensionnement de l'avion, l'allocation de la flotte et la configuration du réseau routier. La complexité numérique du problème empêche sa résolution pour de grands réseaux non-structurés (en opposition aux réseaux en étoile). Cette approche bio-inspirée est utilisée pour éliminer certaines parties du problème d'optimisation sans perte d'optimalité, conduisant à d'importantes simplifications numériques. La nouvelle approche est premièrement validée pour un réseau de 15 noeuds, qui représente le plus grand réseau décrit dans la littérature. Nous obtenons, rapportons, et discutons ensuite des résultats obtenus pour un réseau de 20 noeuds, une taille représentative du plus important paysage aéroportuaire canadien, pour lequel des résultats n'ont pu être obtenus précédemment, sans un cod¯t computationnel significatif et des difficultés numériques
Revealing gut microbiota metabolism with dietary glycan-fluorophore conjugates
No full textBackground: the human gastro-intestinal tract hosts almost a trillion microorganisms, organized in a complex ecosystem known as the gut microbiota. Our bacterial genetic diversity dictates the digestion of complex dietary carbohydrates (glycans). Indeed, the human genome only encodes few carbohydrate-active enzymes (CAZymes) able to catalyse the metabolism of complex sugars found in vegetables, plants, and grains. Consequently, most of these glycans reach the large intestine intact, where they are digested by the gut microbiota, which encodes a much wider repertoire of CAZymes. In diseases such as obesity and ulcerative colitis, the balance between the different phyla is disturbed. However, this dysbiosis might be corrected with prebiotics, non-digestible compounds that alter the microbiota composition with beneficial outcomes to the host's health. The purposeful modulation of bacterial community by prebiotic-enriched diets is therefore an important therapeutic avenue for the treatment of numerous disorders. Aim: one puzzle remains unsolved: which bacteria, and which genes, are responsible for the metabolism of a given prebiotic? Therefore, we aim to link specific glycan structures to the metabolizing gut bacteria, and to understand how the composition of the overall ecosystem changes and adapts after the administration of meals that are rich in those glycans. Methods and results: a library of dietary glycans conjugated to a fluorescent dye was synthetized and purified. Using stool samples as proxies for the gut microbiota, the bacteria consuming our probes were sorted by Fluorescence-Activated Cell Sorting (FACS) and identified with 16S rDNA sequencing to uncover the diversity of bacteria consuming the given glycan. Conclusion: our culture-independent method proved successful in revealing structure-specific metabolism of gut bacteria.Contexte: le tractus gastro-intestinal humain héberge près d'un trillion de microorganismes, organisés dans un écosystème complexe appelé microbiote intestinal. Notre diversité génétique bactérienne détermine la digestion des glucides alimentaires complexes (glycanes). En effet, le génome humain code peu de Carbohydrate-Active Enzymes (CAZymes) capables de catalyser le métabolisme des sucres complexes présents dans les légumes, les plantes et les céréales. En conséquence, la plupart de ces glycanes atteignent le gros intestin intact, où ils sont digérés par le microbiote intestinal, qui code un répertoire beaucoup plus large de CAZymes. Dans des maladies telles que l'obésité et la colite ulcéreuse, l'équilibre entre les différents phyla est perturbé. Cependant, cette dysbiose pourrait être corrigée avec des prébiotiques, des composés non digestibles qui modifient la composition du microbiote, et ont des effets bénéfiques sur la santé de l'hôte. La modulation ciblée de la communauté bactérienne par des régimes enrichis en prébiotiques constitue donc une voie thérapeutique importante pour le traitement de plusieurs maladies. Objectif: un casse-tête reste sans solution: quelles bactéries et quels gènes sont responsables du métabolisme d'un prébiotique distinct? Par conséquent, nous visons à lier des structures spécifiques de glycanes aux bactéries qui ont le pouvoir de les métaboliser et à comprendre comment la composition de l'écosystème global change et s'adapte après l'administration de repas riches en ces glycanes. Méthodes et résultats: une banque de glycanes alimentaires conjugués à un colorant fluorescent a été synthétisée et purifiée. En utilisant des échantillons de selles comme réservoir du microbiote intestinal, les bactéries consommant nos sondes ont été séparées par cytométrie en flux (FACS) et identifiées à l'aide d'un séquençage d'ADNr 16S pour révéler la diversité des bactéries consommant le glycane donné. Conclusion: notre méthode, indépendante de la culture bactérienne, a permis de révéler le métabolisme des bactéries intestinales spécifique à la structure des glycane administrés
Catalytic ozonation for the removal of contaminants of emerging concern and disinfection of wastewater
No full textThe increasingly more stringent regulations related to wastewater quality and the inability of conventional wastewater treatment to adequately eliminate contaminants of emerging concern (CECs) make it essential to develop novel treatment approaches to upgrade existing treatment train. Catalytic ozonation is one of the newest advanced oxidation processes (AOPs) investigated as a strategy to improve the quality of wastewater prior to discharge in the environment. The present Ph.D. thesis focused on expending the knowledge about catalytic ozonation and identify novel materials as efficient catalysts for CECs removal and wastewater disinfection. The results of this research are presented in two manuscripts. The first manuscript reports on the screening of the potential catalysts, on the apparent reaction kinetics, and on the reusability of the most promising catalysts. The screening was conducted in a semi-batch reactor in MilliQ water (MQW) and synthetic wastewater. TiO2/Al2O3, AL-1010S (Al2O3-based catalyst), and Polonite® were shown to enhance the efficiency of catalytic treatment for the CECs removal and disinfection of E. coli. The apparent kinetic reaction between oxidative species (ozone and hydroxyl radicals) and atrazine (ATZ) was studied in a batch reactor in MQW with the addition of scavengers. The reusability experiments demonstrated that TiO2/Al2O3 and AL-1010S maintained their efficiency over four consecutive days, with removal of ATZ at the level of more than 90% and disinfection efficiency exceeding the one obtained using non-catalytic ozonation by more than 1.5 MPN Log units. Polonite® provided the least stable efficiency as a function of time but provided significant increase in disinfection. The second manuscript reports on the effect of wastewater characteristics (chemical oxygen demand (COD) and nitrite (NO2) concentration) and operating conditions (ozone to catalysts ratio, ozone concentration, and hydraulic retention time (HRT)) on process efficiency using the two most promising materials identified, Polonite® and AL-1010S. The optimal parameters for disinfection and ATZ removal were defined to be 8 g-O3 nm3 of ozone gas concentration, 10 minutes of HRT and a ratio of 0.11 of ozone gas concentration to catalyst loading. Both NO2 and COD concentrations greatly impacted the efficiency of treatment but the use of AL-1010S or Polonite® rendered the process less sensitive to variations of these wastewater characteristics. The benefits of catalytic ozonation using AL-1010S or Polonite® were verified for the disinfection of effluent wastewaters collected from two municipal wastewater treatment plants but analytical challenges limited the information available to conclude on the potential for improved CEC removal.Les réglementations de plus en plus strictes relatives à la qualité des eaux usées et l'incapacité du traitement conventionnel des eaux usées à éliminer adéquatement les contaminants d'intérêt émergent (CIE) rendent essentiel le développement de nouvelles approches de traitement pour bonifier les systèmes de traitement existants. L'ozonation catalytique est l'un des plus récents procédés d'oxydation avancée (AOP) étudiés en tant que stratégie visant à améliorer la qualité des eaux usées avant leur rejet dans l'environnement. La présente thèse de doctorat est axée sur le développement de nouvelles connaissances relative à l'ozonation catalytique et l'identification de nouveaux matériaux comme catalyseurs efficaces pour l'élimination des CIE et la désinfection des eaux usées. Les résultats de cette recherche sont présentés dans deux manuscrits. Le premier article porte sur l'identification de catalyseurs potentiels, sur la cinétique apparente de réaction et sur la réutilisabilité des catalyseurs les plus prometteurs. L'étude a été effectuée dans un réacteur semi-continu dans de l'eau MilliQ (MQW) et de l'eau usée synthétique. Les résultats ont démontré que le TiO2/Al2O3, le AL-1010S (catalyseur à base de Al2O3) et le Polonite® amélioraient l'efficacité du traitement catalytique pour l'élimination des CIE et la désinfection de E. coli. La réaction cinétique apparente entre les espèces oxydantes (ozone et radicaux hydroxyles) et l'atrazine (ATZ) a été étudiée dans un réacteur semi-continu dans une matrice d'eau MQW et à l'aide de piégeurs de radicaux. Les expériences de réutilisation ont démontré que le TiO2/Al2O3 et AL-1010S maintenaient leur efficacité pendant quatre jours consécutifs d'opération, avec une élimination de l'ATZ supérieure à 90% et une efficacité de désinfection supérieure à celle obtenue avec une ozonation non catalytique de plus de 1,5 MPN Log unités. Le Polonite® a fourni le rendement le moins stable en fonction du temps, mais a fourni la meilleure désinfection. Le deuxième article rapporte l'effet des caractéristiques des eaux usées (concentration chimique en oxygène (DCO) et nitrite (NO2) et des conditions opératoires (rapport ozone / catalyseurs, concentration d'ozone et HRT) sur l'efficacité du procédé en utilisant les deux matériaux identifies comme étant les plus prometteurs, le Polonite® et le AL-1010S. Les paramètres optimaux pour la désinfection et l'élimination des ATZ ont été définis comme étant une concentration 8 g-O3 nm3 de le gaz d'alimentation, un temps de rétention de 10 minutes et un rapport de 0,11 de la concentration d'ozone relative à la charge de catalyseur. Les concentrations de NO2 et de DCO ont grandement influencé l'efficacité du traitement, mais l'utilisation d'AL-1010S ou de Polonite® a rendu le procédé moins sensible aux variations de ces caractéristiques des eaux usées. Les avantages de l'ozonation catalytique avec le AL-1010S ou le Polonite® ont été vérifiés pour la désinfection des effluents d'eaux usées collectés dans deux stations d'épuration municipales, mais les difficultés analytiques ont limité les informations disponibles pour conclure sur le potentiel d'amélioration de l'enlèvement des CIE
The quest for an «optimal balance» civil liberties in an era of securitization: An analysis of Canadian anti-terror legislation
No full textCanada is a nation governed by principles such as the rule of law and is built on democratic values such as those expressed in its Charter rights. In the last two decades, the need for enhanced national security to combat terrorism has been manifested where, the War on terror has become the object of much public attention. There exists an obvious clash between the values of security and rights, where to ensure the safety of Canadians, legislation has impinged on civil liberties and freedoms. When enacting anti-terror laws, branches of government should be engaged in striking an optimal balance between freedom and security. Striking an optimal balance helps quash dissent towards limitative counterterrorist measures and legitimizes anti-terror legislation. To strike an optimal balance, it is suggested that legislation meets both a constitutional standard, but also an efficiency standard, measured by an innovative five-criterion examination mechanism. This thesis will demonstrate that Canada does not strike an optimal balance in its main anti-terror legislation (Bill C-51), and should thus heed to the recommendations that are advanced.Le Canada est une nation régie par des principes tels que la primauté du droit et repose sur des valeurs démocratiques telles que les droits garantis par la Charte. Au cours des deux dernières décennies, la nécessité de renforcer la sécurité nationale pour lutter contre le terrorisme s'est manifestée là où la Guerre contre le terrorisme est devenue un objet d'intérêt public. Il existe un conflit évident entre les valeurs de la sécurité et des droits, où en tentant d'assurer la sécurité des Canadiens, la législation porte atteinte aux libertés civiles de ces derniers. Lors de l'adoption de lois antiterroristes, le gouvernement doit s'efforcer de trouver un équilibre optimal entre la liberté et la sécurité. Trouver un équilibre optimal permet de réduire la dissidence envers les politiques antiterroristes qui peuvent porter atteinte aux droits, et peut légitimer la législation antiterroriste. Pour atteindre un équilibre optimal, il est suggéré que la législation respecte à la fois une norme constitutionnelle, mais également une norme d'efficacité, mesurée par un mécanisme novateur comportant cinq facteurs. Cette thèse démontrera que le Canada n'atteint pas un équilibre optimal dans sa principale législation antiterroriste et devrait donc considérer les recommandations qui sont avancées
Synchrophasor-based state estimation for online voltage stability monitoring in power systems
No full textPower distribution systems are faced with rising operational challenges and require continuous stability monitoring as the integration of renewable energy resources is increasing and the load demand is rapidly growing. In order to provide timely information about any impending grid problems to system operators, this thesis focuses on the analysis and monitoring of voltage stability on distribution system side. The implementation of synchrophasors in distribution systems enhances the situational awareness of the system. Synchrophasor measurement offers increased visibility, faster response time and more reliable state estimation, which provides a unique opportunity for developing new monitoring algorithms. This thesis proposes a voltage stability monitoring algorithm based on the synchrophasor-based linear state estimation method. Particularly, the voltage monitoring algorithm combines a set of early warning indicators with the BDS independence test (a statistical hypothesis test, after the initials of W. A. Brock, W. Dechert and J. Scheinkman). The early warning indicators are derived based on critical slowing down phenomenon in dynamical systems, and the BDS test serves as a diagnostic test to avoid false detections. The main advantage of the algorithm over other voltage stability indicators used in transmission side is that it can detect the onset of voltage instability in a faster and more accurate manner while avoiding false alarms when the system is still away from the stability boundary. Case studies conducted on a rural Quebec test feeder confirm the effectiveness of the proposed voltage stability monitoring algorithm. Reliable and fast detection of the proximity of the system states to voltage collapse conditions is achieved without false alarms.Les réseaux de distribution électrique font face à des défis opérationnels grandissants et requièrent une surveillance constante de leur stabilité au fur et à mesure de l'intégration grandissante d'énergies renouvelables et d'une demande à la croissance rapide. Cette thèse se concentre sur l'analyse et la surveillance de la stabilité de la tension dans le contexte de la distribution électrique afin de pouvoir prévenir rapidement le gestionnaire du réseau de problèmes imminents sur le réseau.La mise en place de synchrophaseurs dans les réseaux de distribution améliore l'estimation de l'état du système. L'utilisation de synchrophaseurs offre une visibilité accrue, un temps de réponse plus rapide, ainsi qu'une estimation plus fiable de l'état du réseau, ce qui représente une opportunité parfaite pour développer de nouveaux algorithmes de contrôle plus performants. Cette thèse propose un algorithme de contrôle de la stabilité de la tension reposant sur la méthode d'estimation linéaire d'état basé sur les synchrophaseurs. Cet algorithme utilise un ensemble de signes avant-coureurs combinés au test d'indépendance BDS (un test d'hypothèse statistique, après les initiales de W. A. Brock, W. Dechert et J. Scheinkman). Les signes avant-coureurs sont déduits des phénomènes de ralentissements dans les systèmes dynamiques, et le test BDS est employé comme un outil de diagnostic afin d'éviter les fausses alertes. L'avantage fondamental de cet algorithme, par rapport aux autres indicateurs de stabilité de tension utilisés dans les réseaux de transmission, est qu'il peut détecter l'apparition d'une instabilité de tension plus rapidement et plus précisément tout en évitant les fausses alertes quand le système est toujours loin de sa frontière de stabilité. Des études de cas effectuées sur une ligne d'alimentation dans une zone rurale du Québec confirment l'efficacité de l'algorithme de contrôle de la stabilité de la tension proposé. La détection fiable et rapide de la proximité de l'état du système d'un effondrement de tension est accomplie sans fausse alarme
Handedness in percussion performance
No full textPercussion's need for accurate, symmetrical movements between hands make it uniquely apropos to the study of handedness in music. Past research has identified both kinematic and functional differences between the hands when playing percussion. Kinematic differences refer to the trajectory of each arm and mallet, while functional differences concern the use of each hand within a musical context. By conducting a two-part motion capture experiment, this work seeks to confirm past results as well as investigate new topics regarding the effects of handedness in percussion performance. This thesis first focuses on functional differences by characterizing patterns in hand use in right-handed and left-handed players by observing percussionists' stickings during a sight-reading and rehearsed performance of a specially designed musical excerpt. We confirm prior results by observing all participants beginning the exercises with their dominant hand. We further investigate the effects of handedness on sticking strategy and note that the strong preference for the dominant hand in the right-handed group, indicated by both handedness score and reported dominant hand during percussion performance, is clearly illustrated in the group's sticking strategy. All five right-handed percussionists performed using a similar strategy that relied heavily on their right hands, known as right-hand lead. Contrastingly, left-handed players showed no such agreement, using various strategies. This aligns with the left-handed group's less extreme preference for their dominant hand as shown by their handedness scores and reported lead hand. Systematic differences between sticking strategies used in the sight-reading and rehearsed performance indicate a combination of training and handedness affect sticking strategy. An investigation of kinematic differences follows that includes differences created by musical articulation as well as handedness. Percussion is often seen as much as heard, so it is not surprising that different articulations are created by gestures that mimic the nature of the sound. Measurable differences between stroke types have been observed in past research and is observed in our data as well. By extracting salient quantities from each stroke (preparatory height and striking velocity), we are able to demonstrate clear differences between articulations within each percussionist. By normalizing the data, clearer patterns between percussionists emerge. These measures are then used to identify the degree of difference between hands for each percussionist. We note that information from only the z axis, preparatory height and striking velocity, is sufficient to discriminate between articulations but is not sufficient to observe systematic differences between hands.La pratique de la percussion, en ce qu'elle requiert des mouvements à la fois précis et symétriques des deux mains, est un champ d'étude adéquat pour les recherches sur la latéralité en musique. Des recherches antérieures ont montré qu'il existe des différences à la fois cinématiques et fonctionnelles entre les mains lors du jeu d'instruments à percussion. Les différences cinématiques correspondent à la trajectoire de chaque bras et de chaque baguette, tandis que les différences fonctionnelles sont liées à l'usage de chaque main en fonction du contexte musical. En réalisant une étude expérimentale de capture du mouvement en deux phases, la présente recherche vise à confirmer les résultats antérieurs - tout en explorant de nouveaux aspects liés aux effets de la latéralité dans le jeu de la percussion. Cette thèse se penche tout d'abord sur les différence fonctionnelles en caractérisant les modes d'utilisation des mains chez les musiciens droitiers ou gauchers, en observant les doigtés que ceux-ci utilisent durant le déchiffrage et l'exécution préparée d'un extrait musical préparé spécifiquement. Nous confirmons les résultats antérieurs selon lesquels les participants commencent tous avec leur main dominante. Des recherches plus approfondies permettent de noter que la forte préférence pour la main dominante dans le groupe de droitiers, qui apparaît à la fois dans le score de latéralité et la déclaration des musiciens quant à leur main préférée durant le jeu, est parfaitement illustrée par les types de doigtés employés par ce groupe. Les cinq percussionnistes droitiers ont ainsi joué en ayant recours à la même stratégie qui s'appuie essentiellement sur leur main droite, selon la technique connue sous le nom de 'right hand lead'. En revanche, les résultats des musiciens gauchers ne sont pas aussi uniformes, ces derniers utilisant diverses stratégies. Ceci correspond à une préférence moins marquée dans ce groupe pour la main dominante, tant dans les scores de latéralité que dans les déclarations des musiciens sur la main de préférence. Par ailleurs, on notedes différences systématiques entre le déchiffrage et l'exécution préparée, ce qui indique que les stratégies de choix de doigtés sont affectées à la fois par la latéralité et par l'apprentissage. L'étude des différences cinématiques se penche ensuite sur les différences créées par les articulations musicales ainsi que sur les effets de la latéralité. Le jeu de la percussion comporte un aspect visuel autant qu'un aspect sonore, et il n'est pas surprenant de constater que différentes articulations sont causées par des gestes qui imitent la nature du son produit. Les recherches antérieures ont pu mesuré des différences entre plusieurs types de frappes, ce que confirment nos données. En extrayant les données les plus pertinentes pour chaque type de frappe (hauteur préparatoire et vélocité de la frappe), nous pouvons démontrer des différences claires entre les types de frappe, pour chaque percussionniste. En normalisant les données, des modèles plus différenciés apparaissent entre les percussionnistes. Ces mesures sont ensuite utilisées pour identifier le degré de différence entre les mains de chaque percussionniste. On remarque que les informations provenant de l'axe z, de la hauteur préparatoire et de la vélocité de la frappe sont suffisantes pour distinguer les différentes articulations, mais sont insuffisantes pour observer des différences systématiques entre les mains