Oxidation of carbon materials

• Auteur / Autrice : Thangavelu Jayabalan
• Direction : Pierre Le Cloirec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - École nationale supérieure des mines (Nantes ; 1990-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbone -- Composés

Oxydation

Charbon actif

Résumé

Ce travail s’intéresse à l’oxydation des charbons actifs utilisés industriellement pour leurs capacités d’adsorption des polluants présents dans l’air. L’objectif est d’accéder à une meilleure connaissance des mécanismes physiques et réactionnels impliqués lors de l’oxydation de ces matériaux carbonés. Les lits de charbon actif sont actuellement très répandus dans la pratique industrielle. Cependant de nombreux incidents liés à l’inflammation spontanée des containers en service ou au repos ont été reportés. Ces inflammations accidentelles résultent de phénomènes mal contrôlés, liés à l’introduction d’air dans le système ou à l’accumulation locale de chaleur produite par des réactions exothermiques. La prévention des accidents d’inflammation nécessite une meilleure compréhension des mécanismes initiant l’oxydation. Le but de ce travail est de développer des modèles cinétiques capables de prédire la vitesse d’oxydation des matériaux en fonction de leurs propriétés et paramètres opératoires. La réactivité du charbon actif est mesurée par des analyses (ATG-DSC) sous atmosphère oxygénée sous différentes conditions de températures. Les résultats d’ATG-DSC ont clairement mis en évidence que l’oxydation du matériau était initiée à basse température et qu’elle pouvait être caractérisée par la mesure du Point d’Oxydation Initiale (PIO). Il y a une transition de l'oxydation basse température à l'oxydation haute température qui est accompagnée d’une augmentation rapide du flux de chaleur et d’une diminution de la masse de l'échantillon. L’auto inflammation du matériau est caractérisée par la mesure de paramètres comme les énergies d'activation et SIT (self ignition). Le type d’activation du charbon actifs, leur teneur en oxygène et leur propriété poreuse ont une influence sur l’oxydation. Des outils statistiques comme la Régression Linéaire Multiple (RLM) permettent de quantifier l’influence des propriétés significatives

Activated carbons widely used as adsorbents in air treatments are prone to oxidation and self heating due to external heating, exothermic chemical reactions, and adsorption reactions. The aim of this work is to establish a quantitative relationship between the intrinsic properties of activated carbons and their reactivity leading to oxidation and ignition. The correlation is established by analysing a large number of activated carbons samples having diversified origin and characteristics. Carbon samples were characterized for their physical and chemical properties. Their oxidation and ignition reactivity in air were studied using Thermogravimetry (TG) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). The Point of Initial Oxidation (PIO) representing the beginning of the oxidation reactions and the Spontaneous Ignition Temperature (SIT) where the bed combustion takes place in a self sustaining manner [were experimentally determined. In addition, activation energy (Ea) was calculated from the TG curves indicating the weight loss of the combustion reactions. In a first approach, oxidation and ignition behaviours described by the PIO, SIT, and Ea values versus intrinsic properties of the activated carbon were examined. Global qualitative trends were underlined. In a second step, a more rigorous analysis was realised and quantitative statistical correlations between oxidation and ignition properties and intrinsic characteristics of the porous carbonaceous materials were investigated using multiple linear regression (MLR). Results indicated that the properties of the activated carbons had a significant influence. The surface oxygenated groups and the metal impregnates increased the reactivity of the material whereas the nitrogen content stabilized the reactivity of the samples. The porosity characteristics like the specific surface area, pore volume also contributed to the increase in the reactivity of the material