Formation du sulfate de calcium hémihydrate de type α à partir de gypse par un procédé de dissolution-cristallisation : étude cinétique expérimentale et modélisation

par Yi Rong

Thèse de doctorat en Energétique et procédés

Sous la direction de Alain Gaunand et de Fabienne Espitalier.

Le président du jury était Christine Frances.

Le jury était composé de Alain Gaunand, Fabienne Espitalier, Sylvaine Neveu, Yves Le Quesne, Marie Debacq, Fabien Baillon.

Les rapporteurs étaient Hervé Muhr.


  • Résumé

    De nombreuses transformations de solides en solution, polymorphiques ou non, en industrie minérale ou pharmaceutique, se déroulent par la dissolution d'un premier solide en vue de la cristallisation du second. Au lieu de la voie traditionnelle de séchage, la transformation du gypse (sulfate de calcium dihydrate) en alpha-bassanite (sulfate de calcium hémihydrate) peut s’effectuer en solution aqueuse : en augmentant suffisamment la température, le gypse devient plus soluble dans l'eau que l’hémihydrate, qui a alors la possibilité de cristalliser. Un appareillage et un mode opératoire originaux ont été conçus pour investiguer la sensibilité de la cinétique de la transformation et des caractéristiques des cristaux d’hémihydrate obtenus à ces conditions opératoires. En effet, cette voie de dissolution-recristallisation permet le contrôle du facteur d'aspect des cristaux d’hémihydrate, voire celui de leur taille moyenne et de leur dispersion de taille, par le choix de ses conditions physico-chimiques : température, pH, utilisation d’additifs, et ensemencement de la solution avec des particules d’hémihydrate appropriées. Les techniques d'analyse images sont développées afin d'identifier le rapport d'aspect des particules. Un modèle cinétique prenant en compte la dissolution du gypse, la nucléation et la croissance du sulfate de calcium hémihydrate, les équilibres en phase aqueuse et de solubilité, a été élaboré, et ses équations résolues avec le logiciel MATLAB. Couplée à une méthode numérique d'optimisation, cette résolution sous MATLAB permet d'examiner la validité des hypothèses sur les processus retenus et d'identifier leurs paramètres cinétiques.

  • Titre traduit

    Formation of α-calcium sulphate hemihydrate from gypsum by a dissolution-crystallization process : experimental kinetic study and modelling


  • Résumé

    In mineral or pharmaceutical industry, many transformations of solids in solution (polymorphic or not), take place by the dissolution of the first solid and the crystallization of the second solid. Instead of the traditional drying process, the conversion of gypsum (calcium sulfate dihydrate) to alpha-bassanite (calcium sulphate hemihydrate) can be carried out in aqueous solution by increasing the temperature sufficiently. At this moment, the gypsum becomes more soluble in water than the hemihydrate, which then has the possibility to crystallize. An apparatus and an original procedure have been designed to investigate the sensitivity of the kinetics of transformation and the characteristics of the hemihydrate crystals obtained under its operating conditions. In fact, this dissolution-recrystallization route allows to control the aspect ratio of the hemihydrate crystals, and even their average size and size dispersion, by the choice of its physicochemical conditions such as temperature, pH, use of additives, and seeding the solution with the appropriate hemihydrate particles. Image analysis techniques are developed to identify the aspect ratio of the particles.A kinetic model taking into account the dissolution of gypsum, the nucleation and the growth of calcium sulphate hemihydrate and their equilibrium in aqueous phase and solubility had been developed and the equations of this model are solved with the help of MATLAB software. Coupled with a numerical optimization method, this resolution under MATLAB makes it possible to examine the validity of the assumptions on the selected processes and to identify their kinetic parameters.


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