eSpace Community: Theses repository

Treatment of Per and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Groundwater by Reactive Activation of Sulfite and Iodide Through UV-Natured Treatment (RADIANT) System

2026-09-11T14:39:09Z

Title: Treatment of Per and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Groundwater by Reactive Activation of Sulfite and Iodide Through UV-Natured Treatment (RADIANT) System Authors: Xu, Yang Abstract: Per and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a large class of synthetic organofluorine compounds which demonstrate many desirable properties such as hydrophobicity, oleophobicity, tensioactivity, and exceptional stability. These properties have led to their widespread use in industry and commercial applications, and subsequently their ubiquity in the environment. Concerns surrounding environmental contamination of PFAS have mounted with increasing evidence of the toxicological effects associated with many of these PFAS compounds. While absorptive and filtration based technologies are successful at removing PFAS from the environment, the development of an effective destructive technology is required to address the issue of PFAS contamination. O’Connor et al. reported complete degradation of notoriously recalcitrant PFAS compounds in deionized (DI) water using a UV-sulfite/iodide system, which was further developed into the Reactive Activation of Sulfite and Iodide through UV-Natured Treatment (RADIANT) system. However, successful implementation of this technology in real-world applications requires further development to meet the challenges posed by more complex environmental matrices such as groundwater. This thesis aimed to assess the feasibility of applying the RADIANT system in the treatment of PFAS-contaminated groundwater. A systematic study was conducted exploring the individual and combined effects of humic acid and nitrate, two common groundwater components identified as potential interferents to the RADIANT system. Experiments performed in DI water found the presence of humic acid to cause strong inhibitory effects on the degradation of PFOS, decreasing degradation efficiency from >99% to 86% with a 50 mM sulfite treatment. When humic acid was present, a delay in degradation was observed after the start of treatment, referred to as a “lag time” of 30 min. In contrast, nitrate did not cause a lag in treatment, and in certain experimental conditions was observed to increase the rate of degradation. The groundwater matrix appeared to mitigate the inhibitory effects of humic acid that were observed in DI water, eliminating the lag in degradation and increasing treatment efficiency to 99%. Groundwater also improved overall RADIANT system performance, and over 99% degradation of PFOS was achieved in all experiments performed in groundwater. Treatment of short and ultra-short chain PFAS (PFPeA, TFA, PFPrS, and PFBS) was investigated under two treatment conditions (10 and 50 mM sulfite). PFPeA and TFA, both perfluorocarboxylic acids (PFCAs), were shown to degrade rapidly under both treatment conditions, reaching >99% degradation within 10 minutes of treatment. However, short and ultra-short chain perfluorosulfonic acids (PFSAs) were shown to be more recalcitrant. Greater than 99% degradation of PFBS was achieved after 8 hours through the application of an intermittent sulfite addition protocol, and the rate of reaction was shown to be increased when treatment was performed in synthetic hard water. Ultra-short chain PFPrS was shown to be the most recalcitrant form of PFAS studied in this work, with 95% degradation after 8 hours of treatment with the intermittent sulfite addition protocol. Finally, RADIANT system performance at the cuvette (1 mL) scale was compared with the beaker (800 mL) set-up. Greater than 99% degradation of PFOS was achieved at both scales, but reaction rates at the beaker scale were up to three times higher than the reaction rates observed at the cuvette scale. The addition of mixing and elevated temperatures during treatment were identified as parameters associated with the beaker apparatus that are likely to influence RADIANT system performance. In addition, the effect of changing experimental conditions was consistent across both experimental set-ups. Improved degradation in groundwater was observed at both scales, and it is suggested that the impact of factors such as DOC may be translated to the larger scale.; Les substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées (PFAS) constituent une vaste classe de composés organofluorés de synthèse présentant de nombreuses propriétés intéressantes telles que l'hydrophobie, l'oléophobie, la tensioactivité et une stabilité exceptionnelle. Ces propriétés ont conduit à leur utilisation généralisée dans l'industrie et le commerce, et par conséquent à leur présence omniprésente dans l'environnement. Les préoccupations liées à la contamination environnementale par les PFAS se sont accrues face aux preuves croissantes des effets toxiques associés à nombre de ces composés. Si les technologies d'absorption et de filtration permettent d'éliminer efficacement les PFAS de l'environnement, le développement d'une technologie de destruction efficace est nécessaire pour résoudre le problème de la contamination par les PFAS. O'Connor et al. ont rapporté la dégradation complète de composés PFAS particulièrement récalcitrants dans l'eau déminéralisée (DI) grâce à un système UV-sulfite/iodure, qui a ensuite été perfectionné pour donner naissance au système RADIANT (Reactive Activation of Sulfite and Iodide through UV-Natured Treatment). Cependant, la mise en œuvre réussie de cette technologie dans des applications concrètes nécessite des développements supplémentaires afin de relever les défis posés par des matrices environnementales plus complexes telles que les eaux souterraines. Cette thèse visait à évaluer la faisabilité de l'application du système RADIANT au traitement des eaux souterraines contaminées par des PFAS. Une étude systématique a été menée afin d'explorer les effets individuels et combinés de l'acide humique et des nitrates, deux composants courants des eaux souterraines identifiés comme interférents potentiels avec le système RADIANT. Des expériences réalisées en eau désionisée ont révélé que la présence d'acide humique induit de forts effets inhibiteurs sur la dégradation du PFOS, diminuant l'efficacité de dégradation de plus de 99 % à 86 % avec un traitement au sulfite à 50 mM. En présence d'acide humique, un délai de dégradation a été observé après le début du traitement, appelé « temps de latence », de 30 minutes. En revanche, les nitrates n'ont pas induit de délai de traitement et, dans certaines conditions expérimentales, ont même accéléré la dégradation. Des expériences menées en eau souterraine ont montré que la matrice de l'eau souterraine semblait atténuer les effets inhibiteurs de l'acide humique observés dans l'eau désionisée, éliminant ainsi le délai de dégradation et portant l'efficacité du traitement à 99 %. L'eau souterraine a également amélioré les performances globales du système RADIANT, et une dégradation du PFOS supérieure à 99 % a été obtenue dans toutes les expériences réalisées en eau souterraine. Le traitement des PFAS à chaîne courte et ultracourte (PFPeA, TFA, PFPrS et PFBS) a également été étudié dans deux conditions de traitement (10 et 50 mM de sulfite). Le PFPeA et le TFA se sont dégradés rapidement dans les deux conditions, atteignant une dégradation supérieure à 99 % en 10 minutes de traitement. Cependant, les PFAS à chaîne courte et ultracourte se sont révélés plus récalcitrants. Une dégradation du PFBS supérieure à 99 % a été obtenue grâce à l'application d'un protocole d'ajout intermittent de sulfite, et la vitesse de réaction s'est avérée accrue lors du traitement en eau dure synthétique. Il a été démontré que le PFPrS à chaîne ultra-courte était la forme de PFAS la plus récalcitrante étudiée dans ce travail, avec une dégradation de 95 % après 8 heures de traitement avec le protocole d'ajout intermittent de sulfite. Enfin, les performances du système RADIANT à l'échelle de la cuvette (1 mL) ont été comparées à celles obtenues avec le bécher (800 mL). Une dégradation du PFOS supérieure à 99 % a été atteinte aux deux échelles, mais les vitesses de réaction à l'échelle du bécher étaient jusqu'à trois fois plus élevées qu'à l'échelle de la cuvette. L'agitation et l'élévation de la température pendant le traitement ont été identifiées comme des paramètres liés au dispositif en bécher susceptibles d'influencer les performances du système RADIANT. De plus, l'effet des modifications des conditions expérimentales était constant pour les deux dispositifs. Une dégradation améliorée dans les eaux souterraines a été observée aux deux échelles, ce qui suggère que l'impact de facteurs tels que le carbone organique dissous (COD) pourrait se confirmer à plus grande échelle.

UNDERSTANDING THE ROLE THAT BIOFILMS PLAY IN THE SPECIATION AND REMOVAL OF ARSENIC FROM WATER IN NON-AERATED AND AERATED CONSTRUCTED WETLAND MESOCOSMS

2026-08-26T08:35:26Z

Title: UNDERSTANDING THE ROLE THAT BIOFILMS PLAY IN THE SPECIATION AND REMOVAL OF ARSENIC FROM WATER IN NON-AERATED AND AERATED CONSTRUCTED WETLAND MESOCOSMS Authors: Hnain, Antoine Abstract: A potentially cheap and effective way to remove the toxic metalloid, arsenic, from water may be to use constructed wetland systems. There are many interacting factors that influence arsenic removal in constructed wetlands. Factors previously assessed include pH, redox, the availability of nutrients, the types of substrates used and the type of microbial activity present in the wetlands. This thesis, while including and assessing previously studied aspects affecting arsenic removal, expanded the understanding of how novel Equisetum sp. (horsetails), biofilms and aeration contribute and drive arsenic removal in constructed wetland systems. In the first study, the ability of three species of horsetail plants (Equisetum hyemale, Equisetum fluviatile and Equisetum scirpoides) to take up arsenate under hydroponic conditions at 1 and 10 mg/L was assessed. This was done to to test how tolerant the plants were to arsenic and to select the species that would be best suited for planting in constructed wetlands treating arsenic. The speciation of arsenic in E. hyemale and E. fluviatile tissues using X-ray absorption spectroscopy (XAS) was used to understand the kinds of arsenic species found in the plants after exposure and gain a better understanding of how the plants physiologically responded to high concentrations of arsenic. All Equisetum sp. removed less arsenic from the hydroponic solution at the higher As(V) dose than at the lower As(V) dose (78%, 71% and 53% at 1 mg/L As(V) compared to 67%, 55% and 43% at 10 mg/L As(V) for E. fluviatile, E. hyemale and E. scirpoides respectively). Plant tissue arsenic concentrations increased with increasing arsenic dose, where arsenic concentrations were higher in the roots than the shoots for all Equisetum sp. The plant species that showed the highest arsenic root and shoot arsenic concentrations during growth at the highest As(V) dose was E. hyemale (Shoots: 162 mg/kg dw As, roots: 510 mg/kg dw As). There was a higher proportion of As(III) and As(III)-S species in the plant tissues of E. fluviatile, at the highest dose of As(V). As(III)-S, found in the roots of E. fluviatile, was hypothesized to be a thiolated arsenic species that restricted the movement of arsenic to the shoots. Most of the arsenic in E. hyemale remained as As(V) at both doses and may be the reason why E. hyemale was able to take up more arsenic in the shoots. To underpin the remaining studies described in this thesis, a total of 12 mesocosms (3 non-aerated planted, 3 non-aerated unplanted, 3 aerated planted and 3 aerated unplanted) were set up to test their ability to remove 1 mg/L As(V) of arsenic from water. The mesocosms were planted with E. hyemale. The experiment lasted 33 weeks. The mesocosms were fed a nutrient solution that supported the growth of plants and microbes on a weekly basis. Arsenic was added 1 day after fresh nutrients were added to the mesocosms. The mesocosms were extensively monitored by collecting data on water quality, nutrient cycling, microbial activity and plant growth. Porewater samples were also collected to determine arsenic concentrations and identify the species of arsenic present. Water samples were also filtered to collect biofilm samples to identify the prokaryotes in the porewater through next generation 16s rRNA sequencing. At the end of the 33 week experiment, the mesocosms were dismantled and biofilm and plant samples were collected. Biofilms were detached from gravels to determine the concentration of arsenic in the biofilms as well as the mineral composition through X-ray diffraction analysis (XRD) as well as the types of arsenic species found in the biofilms through X-ray absorption spectroscopy (XAS). Detached gravel and root biofilms were also collected for next generation 16s rRNA sequencing. The arsenic remaining in the biofilm detachment solutions were used to attempt to determine the amount of arsenic that was adsorbed onto the biofilms and substrates. Plant tissues were collected to determine the concentration of arsenic as well as the type of species found in the plant tissues through XAS (roots and shoots). In the second study, we examined the fate and removal of arsenic in the mesocosms. It was discovered that non-aerated mesocosms removed more arsenic (% removal of 70%) than aerated mesocosms (% removal of 40%) because the non-aerated biofilms (115 mg/kg dw As) contained more arsenic than the aerated biofilms (30 mg/kg dw As). Based on mass balance calculations, non-aerated mesocosms retained more arsenic in biofilms (19 - 37%) and through adsorption on to biofilms and substrates (18 - 24%) than aerated mesocosms (biofilms 4 - 6%, substrate/biofilm adsorbed (8 - 9%). Plants accounted for <0.4% of the total arsenic retained in the mesocosms in all planted mesocosms. Further examination of the mineral composition of the biofilms from the mesocosms revealed that non-aerated mesocosms may have retained arsenic through the biogenic formation of pyrite (2 - 15 wt%) that can adsorb/co-precipitate arsenic with iron oxyhydroxides. This may have occurred due to the activity of sulfate reducing and fermentative bacteria. The sulfate reducing bacteria likely produced hydrogen sulfide and the fermentative bacteria lowered the pH through the release of organic acids and carbon dioxide that caused the dissolution of ankerite and release of iron(II). The reaction of iron(II) and hydrogen sulfide may have led to the formation of pyrite. The abiotic formation of As-S species such as orpiment (As2S3) in lower quantities was not ruled out. In the third study, arsenic speciation was examined in the porewater, detached gravel biofilms and plants in order to further explain removal in both types of mesocosms. Although we know that non-aerated mesocosms removed more arsenic than aerated mesocosms from the previous investigation, porewater samples taken 20 min, 1 day and 6 days after addition on weeks 1, 6 and 14 revealed that non-aerated mesocosms rapidly removed the maximum amount of arsenic 1 day after addition whereas aerated mesocosms required more than 1 day to hit maximal removal. Most of the arsenic in the porewater from oxidizing aerated mesocosms remained as As(V) by day 6 for weeks 1, 6 and 14. There was a higher proportion of DMA(V) and MMA(V) in the reducing non-aerated porewaters. As(III) found in the non-aerated gravel biofilms was likely released and converted into the methylated arsenic by porewater bacteria. Non-aerated gravel biofilms also contained a high proportion of As-S species, indicating the potential formation of abiotic orpiment. Biofilms from aerated mesocosms showed no arsenic transformations. There was no discernable speciation pattern between plant tissues from non-aerated and aerated mesocosms, as most of the arsenic was found as As(V) and As(III) with some samples showing the formation of As-S species hypothesized to be arsenic bound to thiols/phytochelatins, mostly in roots, similar to our hydroponic As(V) uptake study in Chapter 3. Finally, in the last study of the thesis we examined the identity, microbial activity and ecophysiological role of the prokaryotes found in non-aerated and aerated porewaters and detached gravel and root biofilms. It was found that although the microbial activity of porewater prokaryotes from non-aerated mesocosms remained higher than that of prokaryotes from aerated mesocosms throughout the exposure period, the microbial activity of prokaryotes in non-aerated mesocosms decreased over the exposure period while the activity in aerated mesocosms remained the same. This may have been due to the production of more toxic arsenic species in the non-aerated mesocosms. We identified the most common and abundant prokaryotic genera in porewaters, gravel and root biofilms from our mesocosms through 16s rRNA next generation sequencing. There was a higher richness and diversity of prokaryotes in biofilms than in porewaters for all mesocosms. There was a higher diversity of prokaryotes in porewaters from aerated mesocosms compared to those from non-aerated porewaters. Root biofilms in non-aerated planted mesocosms had a higher prokaryote diversity than in non-aerated porewater. Both non-aerated porewaters and biofilms are characterised by having prokaryotes that are capable of fermentation, sulfide reduction and sulfide oxidation irrespective of planting status. Prokaryotes found in porewater and biofilms from non-aerated mesocosms were largely dominated by highly versatile facultative and strict anaerobic prokaryotes capable of fermentation (Candidatus Omnitrophus, Endomicrobium, Candidatus Competibacter) , nitrate reduction/denitrification (Candidatus Omnitrophus, Candidatus Competibacter, Thauera), sulfate reduction (Desulfomonile) and sulfide oxidation (Thiovirga, Sulfuricurvum, Thauera) with the capability of switching metabolisms depending on the availability of carbon, nitrogen and sulfur. These organisms led to the removal of nitrate and carbon within 24 hrs of nutrient addition. The presence of fermentative and sulfate reducing prokaryote may have also led to the formation of pyrite prior to addition of arsenic. In contrast, prokaryotes found in porewater and biofilms from aerated mesocosms were dominated by aerobic prokaryotes capable of aerobic respiration and assimilating nitrogen and sulfate for cell growth but not removal of these nutrients (TM7a, Nakamurella, Pir4 lineage, Chryseobacterium, Mycobacterium, Micropruina, Nocardioides, Chryseobacterium, Comamonas, Candidatus Xiphinematobacter as well as others).; L'utilisation de terres humides artificielles représente une méthode potentiellement économique et efficace pour éliminer l'arsenic, un métalloïde toxique, de l'eau. Plusieurs facteurs interagissent et influencent l'élimination de l'arsenic dans ces milieux humides. Parmi les facteurs déjà évalués figurent le pH, le potentiel redox, la disponibilité des nutriments, les types de substrats utilisés et l'activité microbienne présente. Cette thèse, tout en intégrant et en évaluant les aspects précédemment étudiés concernant l'élimination de l'arsenic, approfondit la compréhension du rôle de nouvelles espèces d'Equisetum (prêles), des biofilms et de l'aération dans ce processus au sein des zones humides artificielles. Dans un premier temps, la capacité de trois espèces de prêles (Equisetum hyemale, Equisetum fluviatile et Equisetum scirpoides) à absorber l'arséniate en culture hydroponique à des concentrations de 1 et 10 mg/L a été évaluée. L'objectif était de tester la tolérance des plantes à l'arsenic et de sélectionner les espèces les plus adaptées à la plantation dans des milieux humides artificiels pour le traitement de l'arsenic. La spéciation de l'arsenic dans les tissus d'Equisetum hyemale et d'Equisetum fluviatile, analysée par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS), a permis d'identifier les différentes espèces d'arsenic présentes dans les plantes après exposition et de mieux comprendre leur réponse physiologique à de fortes concentrations d'arsenic. Toutes les espèces d'Equisetum ont éliminé moins d'arsenic de la solution hydroponique à forte dose d'As(V) qu'à faible dose (78 %, 71 % et 53 % à 1 mg/L d'As(V), contre 67 %, 55 % et 43 % à 10 mg/L d'As(V) pour E. fluviatile, E. hyemale et E. scirpoides, respectivement). Les concentrations d'arsenic dans les tissus végétaux ont augmenté avec la dose d'arsenic, et étaient plus élevées dans les racines que dans les parties aériennes pour toutes les espèces d'Equisetum. L'espèce végétale présentant les concentrations les plus élevées d'arsenic dans les racines et les parties aériennes lors de sa croissance à la dose la plus élevée d'As(V) était E. hyemale (parties aériennes : 162 mg/kg de matière sèche As, racines : 510 mg/kg de matière sèche As). On a observé une proportion plus élevée d'espèces As(III) et As(III)-S dans les tissus végétaux d'E. fluviatile, à la dose la plus élevée d'As(V). L'As(III)-S, présent dans les racines d'E. fluviatile, serait une espèce d'arsenic thiolée limitant la diffusion de l'arsenic vers les parties aériennes. La majeure partie de l'arsenic présent chez E. hyemale est demeurée sous forme d'As(V) aux deux doses, ce qui pourrait expliquer sa capacité d'absorption plus importante dans les parties aériennes. Douze mésocosmes (3 non aérés et plantés, 3 non aérés et non plantés, 3 aérés et plantés, et 3 aérés et non plantés) ont été mis en place pour tester leur capacité à éliminer 1 mg/L d'arsenic As(V) de l'eau. Les mésocosmes plantés contenaient de l'Eucalyptus hyemale. L'expérience a duré 33 semaines. Une solution nutritive favorisant la croissance des plantes et des micro-organismes a été ajoutée chaque semaine aux mésocosmes. L'arsenic a été ajouté un jour après chaque apport de solution nutritive. Les mésocosmes ont fait l'objet d'un suivi rigoureux, avec la collecte de données sur la qualité de l'eau, le cycle des nutriments, l'activité microbienne et la croissance des plantes. Des échantillons d'eau interstitielle ont également été prélevés pour déterminer les concentrations d'arsenic et identifier les espèces présentes. Des échantillons d'eau ont été filtrés afin de recueillir des échantillons de biofilm pour identifier les procaryotes présents dans l'eau interstitielle par séquençage de nouvelle génération de l'ARNr 16S. À la fin de l'expérience de 33 semaines, les mésocosmes ont été démantelés et des échantillons de biofilm et de plantes ont été prélevés. Les biofilms ont été détachés des graviers pour déterminer la concentration d'arsenic et la composition minérale par diffraction des rayons X (DRX), ainsi que les espèces d'arsenic présentes par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS). Des biofilms détachés des graviers et des racines ont également été prélevés pour un séquençage de nouvelle génération de l'ARNr 16S. L'arsenic restant dans les solutions demdétachement des biofilms a été utilisé pour tenter de déterminer la quantité d'arsenic adsorbée sur les biofilms et les substrats. Des tissus végétaux ont été prélevés afin de déterminer la concentration d'arsenic ainsi que les espèces présentes par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) (racines et parties aériennes). Dans une deuxième étude, nous avons examiné le devenir et l'élimination de l'arsenic dans les mésocosmes. Nous avons constaté que les mésocosmes non aérés éliminaient plus d'arsenic (élimination de 70 %) que les mésocosmes aérés (élimination de 40 %), car les biofilms non aérés (115 mg/kg de matière sèche As) contenaient plus d'arsenic que les biofilms aérés (30 mg/kg de matière sèche As). Selon les calculs de bilan massique, les mésocosmes non aérés ont retenu davantage d'arsenic dans les biofilms (19 à 37 %) et par adsorption sur les biofilms et les substrats (18 à 24 %) que les mésocosmes aérés (biofilms : 4 à 6 %, adsorption sur substrat/biofilm : 8 à 9 %). Les plantes représentaient moins de 0,4 % de l'arsenic total retenu dans les mésocosmes plantés. L'analyse de la composition minérale des biofilms a révélé que les mésocosmes non aérés pourraient avoir retenu l'arsenic par la formation biogénique de pyrite (2 à 15 % en poids), capable d'adsorber/coprécipiter l'arsenic.

TOWARDS SUSTAINABLE ENTROPY Investigations into the influence of confinement on the behaviour of chemical systems

2026-08-14T12:34:34Z

Title: TOWARDS SUSTAINABLE ENTROPY Investigations into the influence of confinement on the behaviour of chemical systems Authors: McTaggart, Matthew Robert Abstract: Abstract The chemical reactions that make life possible occur under confinement within structures whose interior dimensions complement the size and shape of the reactants they contain. The molecular machinery of life operates under a thermodynamic regime that is far from equilibrium and so not well described by the theory taught to chemists. Because evolution favours energy conservation, the existence of enzymatic nanoreactors to control and support biochemical processes points to an advantage universally employed by living organisms – so why has this not yet translated into the chemical sciences? This thesis explores the question in two parts: the physical science of entropy-driven reactions within nanostructures and the social methods of knowledge translation. Theoretical and experimental research tracks how entropy impacts reactivity and how low-dimensional reaction spaces can affect the entropic costs of a chemical reaction. After surveying the development of entropy from its roots to its current applications in chemical research, chapters explore its expression in molecular bonds, in chemical synthesis, and in the assembly of nanoscale building blocks to macroscopic structures. The second section examines the challenges and opportunities that arise from translation between independent systems of knowledge, first the overlap of chemical and military knowledge in a teaching context and then the overlap of academic and political knowledge in a research context. I include an example of nanomaterials for multi-drug resistant cancer treatment to illustrate how both technical and social systems must align to successfully progress against complex challenges. I argue that molecular structures that confine reactants within a potential gradient grant access to the entropy – and so the direction and rate – of the reaction. By attending to the values shared across the relevant scientific and social knowledge systems, the ability to design nanoarchitectures that govern the entropy of reactions has the potential to make a substantial contribution to sustainability practices.; Résumé Les réactions chimiques qui rendent la vie possible se produisent dans des structures confinées dont les dimensions intérieures correspondent à la taille et à la forme des réactifs qu'elles contiennent. Le mécanisme moléculaire de la vie fonctionne selon un régime thermodynamique loin de l'équilibre et donc mal décrit par la théorie enseignée aux chimistes. L'évolution favorisant la conservation de l'énergie, l'existence de nanoréacteurs enzymatiques permettant de contrôler et de soutenir les processus biochimiques indique un avantage universellement utilisé par les organismes vivants. Pourquoi cela ne s'est-il pas encore traduit dans les sciences chimiques ? Cette thèse explore la question en deux parties : la science physique des réactions entraînées par l'entropie au sein des nanostructures et les méthodes sociales de transfert des connaissances. La recherche théorique et expérimentale suit l'impact de l'entropie sur la réactivité et la manière dont les espaces de réaction peuvent affecter les coûts entropiques d'une réaction chimique. Après avoir examiné le développement de l'entropie depuis ses origines jusqu'à ses applications actuelles dans la recherche chimique, les chapitres explorent son expression dans les liaisons moléculaires, dans la synthèse chimique et dans l'assemblage de blocs de construction à l'échelle nanométrique. La deuxième partie examine les défis et les opportunités qui découlent de la transposition entre des systèmes de connaissances indépendants, d'abord le chevauchement des connaissances chimiques et militaires dans un contexte pédagogique, puis le chevauchement des connaissances académiques et politiques dans un contexte de recherche. J'inclus un exemple de nanomatériaux pour le traitement du cancer afin d'illustrer comment les systèmes techniques et sociaux doivent s'aligner pour progresser avec succès face à des défis complexes. Je soutiens que les structures moléculaires qui confinent les réactifs dans un gradient de potentiel donnent accès à l'entropie – et donc à la direction et à la vitesse – de la réaction. En tenant compte des valeurs communes aux systèmes de connaissances scientifiques et sociaux pertinents, la capacité à concevoir des nanoarchitectures qui régissent l'entropie des réactions peut contribuer de manière substantielle aux pratiques de durabilité.

A Systematic Approach to Designing Low Altitude Long Endurance Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicles

2026-08-07T14:47:39Z

Title: A Systematic Approach to Designing Low Altitude Long Endurance Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicles Authors: Mydland, Hayden Abstract: Long endurance solar powered flight missions are highly sensitive to the available solar power and onboard energy capacity. The location and time of year are critical factors which determine whether a specific design will be able to fly continuously for more than 24 hours. The onboard energy capacity must be sufficient to support a continuous power draw throughout the night until sufficient solar power is available in the morning to recharge the batteries. The extended endurance has practical applications including intelligence, surveillance, reconnaissance, signals relay, and environmental monitoring. Current endurance record holders and other successful solar powered Unmanned Aerial Vehicle (UAV) designs feature glider-like wings and sleek fuselage designs. There is minimal justification that a glider is the most suitable for low altitude solar UAVs. To determine the most promising UAV configuration for long endurance solar flight, this work includes a detailed parametric comparison analyzing different combinations of the vehicle configuration, the battery capacity, the number of solar cells, and the wing planform. Results show that configurations with a T-tail empennage are the most promising and that the intended payload has a significant influence on the other optimal design traits. Of the configurations with the T-tail, it is inconclusive as to which wing configuration is most promising: a clean wing or one with nacelles intersecting the span. Both wing configurations are carried forward through the UAV optimization, where each wing configuration with a T-tail is optimized for two different payload cases. From the optimization results, a clean wing and T-tail solar UAV has the greatest potential for long endurance missions for year-round operations for a sample case based in Kingston, ON. A final geometry is proposed for production featuring a 10 ft wingspan and maximum takeoff weight of 9.3 lbf. Lastly, the properties of the proposed solar UAV are connected to a trajectory and control optimization tool to determine suitable and practical flight strategies for maximizing energy margins of this solar UAV.; Les missions de temps de vol plus longues alimentées par l'énergie solaire sont très sensibles à l'énergie solaire disponible et a à la capacité énergétique embarquée. L'endroit géographique et la période de l'année sont facteurs crucials qui déterminent si une design peut voler sans pause pour plus de 24 heures. La capacité énergétique embarquée doit être suffisante pour répondre à la consommation d'électricité tout au long de la nuit, jusqu'à ce que l'énergie solaire soit suffisante le lendemain matin pour recharger les batteries. Le temps de vol plus long a des applications pratiques comme le renseignement, la surveillance, la reconnaissance, le relais de signaux, et la surveillance environnementale. Les détenteurs courants des records de temps de vol et d'autres modèles de véhicules aériens sans pilote (ASP) à l'énergie solaire à réussite sont dotés d'ailes planeur et d'un fuselage profilé. Il n'y a que peu de justification qu'une aile planeur est le plus approprié pour les ASP solaires volant à basse altitude. Pour déterminer la configuration de l'ASP plus appropriée pour les missions de temps de vol longue, cette thèse inclue une comparaison paramétrique avec les combinaisons différentes du type de configuration, de la capacité des batteries, du nombre de cellules solaires, et de la forme de l'aile. Les résultats démontrent que les configurations avec un empennage en T sont les plus appropriées et que les charges utiles ont une influence considérable sur les autres caractéristiques de design. Parmi les configurations à empennage en T, il n'est pas possible de conclure quelle configuration d'aile est la plus appropriée : une aile sans nacelles ou une aile avec des nacelles qui coupent l'envergure. Les deux configurations de l'aile sont utiliser dans l'optimisation de l'ASP avec deux cas des charges utiles. L'optimisation conclue qu'une configuration sans nacelles avec un empennage en T présent le plus grand potentiel pour les missions de temps de vol long dans le cadre d'opérations tout au long de l'année pour un cas d'échantillon basé à Kingston, en Ontario. Une configuration finale est proposée pour la production avec un envergure de 10 ft et un poids maximal au décollage de 9.3 lbf. Enfin, les caractéristiques du ASP proposé sont associées à un outil d'optimisation de trajectoire et de commande afin de déterminer des stratégies de vol appropriées et pratiques afin de maximiser les marges énergétiques de cet ASP solaire.