Processus physicochimiques intervenant dans le phénomène de mottage de solides divisés

• Auteur / Autrice : Xavier Rondeau
• Direction : Ljepsa Komunjer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés industriels
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Urée

Surfactants

Résistance des matériaux

Mouillage (chimie des surfaces)

Angle de contact

Milieux granulaires

Capillaires

Absorption

Poudres

Résumé

Le mottage représente l'agglomération spontanée et non désirée de solides divisés en particulier lors des périodes de stockage. L'adsorption de vapeur d'eau et la condensation capillaire sont à l'origine de la formation de ponts liquides entre particules. Pour les solides hygroscopiques, le liquide présent à la surface des particules est une solution saturée. Des variations successives des conditions environnantes provoquent la formation de liaisons solides par des mécanismes de dissolution et recristallisation. Nous nous sommes en particulier intéressés aux modes d'action des surfactants. Nous avons évalué l'influence de cinq agents antimottants commerciaux. Notre étude porte principalement sur le comportement des poudres vis-à-vis de l'humidité relative par gravimétrie d'adsorption, sur l'estimation de la mouillabilité des particules par ascension capillaire et sur l'estimation des forces capillaires par un test de résistance à la compression uniaxiale. Les isothermes d'adsorption de vapeur d'eau sur des billes de verre montrent que l'agent anti-mottant n'est pas réparti de façon homogène à la surface des particules sous la forme d'une monocouche. En revanche, l'efficacité des traitements a été mise en évidence par une succession d'étapes d'absorption/désorption autour de l'humidité relative critique de sels hygroscopiques (chlorure de potassium et urée). Il existe une concentration optimale en traitement qui permet de diminuer la teneur résiduelle en eau. A l'échelle des particules, les traitements augmentent l'angle de contact solide/liquide. L'estimation théorique des propriétés de surface des particules montre que les traitements diminuent l'énergie de surface du solide d'un facteur deux et défavorisent l'étalement du liquide sur le solide. Enfin, les mesures de la résistance mécanique d'agglomérats humides à l'état pendulaire mettent en évidence qu'il existe aussi une concentration optimale en antimottant permettant de limiter les forces capillaires.

Caking is the spontaneous, non desired agglomeration of powders appearing particularly during long storage periods. The increase of cohesion forces occurs mainly due to the adsorption of air moisture onto the particle surface. Liquid bridges formed at contact points by capillary condensation join and attract particles. In case of hygroscopic solids, subsequent evaporation induces growth of solid connections cementing particles together. Our study focus on behaviour of powders with respect to the relative humidity by adsorption gravimetry, on contact angle measurements by the capillary rise technique and on the estimation of capillary forces by a mechanical strength test. The efficiency of five commercial anticaking agents (surfactants) has been investigated. The water vapour adsorption isotherme on glass beads show that the anti-caking agent is not evenly spread as a molecular monolayer on the particle surface. Nevertheless the additive efficiency was highlighted by a succession of absorption/desorption cycles near the critical relative humidity of hygroscopic salts (urea and potassium chloride). Decrease of the residual water content was established for an optimal concentration in additive. Contact angle measurements show that wetting is reduced by the anticaking treatment. The theoretical estimation of surface properties demonstrates that the anticaking agent diminishes both the surface energy of the solid and the spreading of the liquid on the solid. Lastly, measurements of the mechanical resistance of wet agglomerates in a pendular state highïight that there is aïso an optimal additive concentration that lowers capillary forces.