New process for dry synthesis of iron oxide micro and nanoparticles : Characterization, process study and proposal of a reaction mechanism
Nouveau procédé d'élaboration de micro et nanoparticules d'oxyde de fer en voie sèche : Caractérisation, étude du procédé et proposition d'un mécanisme rationnel
Résumé
A simple, compact and continuous process was used to synthesize iron oxide nanoparticles. This process is divided in two parts: dry particles generation and calcination. Different analytical techniques have permitted to characterize the produced particles.The obtained product at the dry particles generation step is ferrihydrite. The particles are constituted of agglomerated nanoparticles. The calcination step allows producing hematite nanoparticles. These ones have a median size less than a micron and a narrow particle size distribution, which is difficult to achieve using conventional methods. These particles are constituted of agglomerated elementary particles which have a size of a few tens of nanometers. The specific surface area and the density of the produced hematite in the process are comparable to those measured on a commercial product. The influence of process conditions was also investigated and the results were analysed to define the optimal operating conditions to produce pure hematite slightly agglomerated. The study of the reaction mechanism, performed in a thermobalance, an oven and a convective dryer showed that the solution of iron nitrate nonahydrate decomposes into hematite according to three steps: removal of free water and seven molecules of constitution water, rapid loss of nitrate molecules until ferrihydrite is formed, removal of remaining nitrate and water leading to the formation of amorphous hematite which is then crystallized at high temperature. The two first steps take place in the fluidized bed reactor, while the third one is performed in the calcination reactor. A kinetic study of the last transformation was performed in a thermobalance. This study showed that the activation energy is low and the reaction is complex.
Un procédé simple, compact et continu a été utilisé pour élaborer des particules nanométriques d’oxyde de fer. Il est constitué principalement de deux étapes : une première étape de génération du solide en réacteur à lit fluidisé, une deuxième étape de calcination couplée à un filtre à manches métalliques qui permet de récupérer des particules nanométriques d’oxyde de fer. Différentes analyses ont permis de caractériser les particules obtenues à chacune des deux étapes. Le produit obtenu au cours de l’étape de génération du solide est de la ferrihydrite sous forme de particules micrométriques constituées d’agglomérats de particules nanométriques. L’étape de calcination conduit à la formation de particules nanométriques d’hématite. Elles ont une taille médiane inférieure au µm et présentent une distribution de taille resserrée, ce qui est difficilement atteignable par les procédés conventionnels. Les particules sont constituées d’agglomérats de grains élémentaires de quelques dizaines de nanomètres. Leur surface spécifique BET et leur masse volumique réelle sont comparables à celles mesurées sur un produit commercial. L’étude de l’influence des conditions opératoires du procédé a permis de définir les paramètres optimaux à fixer pour obtenir une hématite pure et peu agglomérée. L’étude du mécanisme réactionnel, réalisée en thermobalance, dans un four à moufle et à l’aide d’une veine de séchage a montré que la décomposition de la solution de nitrate de fer nonahydraté en hématite se déroule en trois phases : une première phase accompagnée d’une perte de l’eau libre et de sept molécules d’eau de constitution, une deuxième phase rapide accompagnée d’une perte des molécules de nitrate jusqu’à l’obtention de la ferrihydrite, une troisième phase lente accompagnée d’une perte de nitrate et d’eau restants jusqu’à l’obtention d’hématite amorphe qui est ensuite cristallisée à haute température. Les deux premières phases ont lieu dans le réacteur à lit fluidisé, alors que la troisième se déroule dans le réacteur de calcination. Une étude cinétique de cette dernière phase a été réalisée en thermobalance. Elle a démontré que l’énergie d’activation est faible et que le processus est complexe.
Origine : Version validée par le jury (STAR)