Mise au point d'une méthode de caractérisation de l'interface d'un matériau composite carboné utilisé pour la fabrication d'électrodes et mise en évidence de l'influence des modifications des propriétés physico-chimiques d'un composant sur l'interface

Development of a method for characterizing the interface of a carbonaceous composite material used in the manufacture of electrodes and demonstration of the influence of physico-chemical properties modifications of a component on the interface

• Auteur / Autrice : Quentin Bernabe
• Direction : Roger Gadiou, Laurent Vonna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 30/11/2018
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Viscosité

Mouillage (chimie des surfaces)

Coke

Aluminium -- Composés

Anodes

Mots clés libres

Anodes en carbone

Coke

Brai

Mouillabilité

Imbibition

Liquides visqueux

Milieux poreux

Aluminium

Carbon anodes

Coke

Pitch

Wettability

Imbibition

Viscous liquids

Porous environments

Aluminium

Résumé

L’entreprise Fives Solios (branche Aluminium du Groupe Fives) conçoit et réalise des installations clés en main pour la fabrication d’anodes en carbone destinées à l’électrolyse de l’alumine pour la production d’aluminium, ainsi que pour le retraitement des polluants émis lors de cette fabrication. C’est pourquoi cette étude se focalise sur le procédé de fabrication des anodes en carbone en relation avec les matières premières mises en jeu : le brai de houille et le coke de pétrole.L’objectif scientifique est de comprendre les mécanismes menant à la pénétration du brai de houille dans les pores du coke de pétrole et à l’étalement du brai autour des pores du coke lors du mélange des matières premières pour obtenir la pâte crue. Lorsque cette pâte est calcinée pour obtenir l’électrode, ces deux paramètres sont essentiels à l’obtention d’une anode performante, c’est à dire la plus dense possible. Pour cela, une démarche de compréhension graduelle a été suivie, en commençant par définir l’impact de la taille des porosités et de la viscosité du liquide à l’aide de matériaux modèles. Puis en remplaçant les matériaux modèles par nos matériaux d’intérêt afin d’arriver au couple coke/brai utilisé industriellement. Cette décomposition des mécanismes impactant la pénétration et l’étalement a permis une compréhension fine de l’impact des différents paramètres physico-chimiques du système.La problématique de départ a été généralisée à la problématique de l’imbibition de milieux poreux par un liquide de viscosité très variable que l’on retrouve dans de nombreux domaines, on peut citer par exemple l’extraction d’hydrocarbure, l’impression sur papier, les matériaux composites, la biologie, le bâtiment, ainsi que les industries textile, pharmaceutique et agro-alimentaire. Différentes techniques ont été proposées afin d'étudier ce remplissage. Parmi celles-ci, l’étude de la dynamique d’une goutte posée sur un milieu poreux est devenue une technique standard. Cette approche est en effet représentative de nombreux phénomènes industriels ou naturels, et permet, au travers de l’étalement et de la variation du volume de la goutte lors de l’imprégnation, de caractériser le remplissage, et par extension, également le milieu poreux. Deux paramètres principaux sont utilisés au sein de la littérature afin de rendre compte des cinétiques d’imbibition : le temps de vie des gouttes déposées [9] et la dépendance temporelle de la progression du liquide au sein du milieu poreux. La technique de la goutte posée est une technique simple, polyvalente, ne demandant qu’une faible quantité de matière et donnant des résultats fiables. Celle-ci repose sur l’équilibre des tensions de surface au point triple et est utilisée dans de nombreux domaines . Par exemple l’étude de l’étalement de gouttes de sang, de la dispersion dans le sol de neurotoxiques à usage militaire, mais aussi pour estimer le mouillage du coke de pétrole par le brai de houille dans la fabrication d’anodes pour l’industrie de l’aluminium. Le principal attrait de cette méthode est qu’elle permet de simuler simplement les conditions se produisant en pratique dans de nombreuses applications. Malgré sa simplicité, des données différentes peuvent être trouvées dans la littérature pour une même expérimentation, cette dispersion des résultats peut être attribuée à l’atmosphère dans lequel se déroule l’expérimentation ainsi qu’au montage expérimental utilisé (atmosphère, système de dépôt de la goutte, température, …). [...]

Fives Solios (Aluminium branch of the Fives Group) designs and manufactures turnkey installations for the manufacture of carbon anodes for the electrolysis of alumina for the production of aluminium, as well as for the reprocessing of pollutants emitted during this manufacture. This is why this study focuses on the manufacturing process of carbon anodes and the raw materials used for this production: coal tar pitch and petroleum coke.The scientific objective is to understand the mechanisms leading to the penetration of coal tar pitch into the pores of petroleum coke and the spreading of pitch around the coke grains when mixing raw materials to obtain the raw paste. When this paste is calcined to obtain the electrode, these two parameters are essential to obtain an efficient anode, i.e. the densest possible. To do this, a gradual understanding approach was followed, starting by defining the impact of porosity size and liquid viscosity using model materials. Then by replacing the model materials by our materials of interest in order to achieve the industrially used petroleum coke/coal tar pitch combination. This decomposition of the mechanisms impacting penetration and spreading has allowed a detailed understanding of the impact of the various physicochemical parameters of the system.The initial problem was generalized to the problem of the imbibition of a porous media by a liquid of highly variable viscosity, which is found in many fields, such as hydrocarbon extraction, printing on paper, composite materials, biology, construction, as well as the textile, pharmaceutical and food industries. Different techniques have been proposed to study this imbibition. Among these, the study of the dynamics of a drop deposited on a porous medium has become a standard technique. This approach is representative of many industrial or natural phenomena, and allows, through the spreading and variation of the volume of the drop during impregnation, to characterize the filling, and by extension, also the porous medium. Two main parameters are used in the literature to account for imbibition kinetics: the lifetime of the deposited drops and the time dependence of the liquid progression within the porous medium. The drop deposition technique is a simple and versatile technique that requires only a small amount of material and gives reliable results. It is based on the balance of surface tensions at the triple point and is used in many areas. For example, the study of the spreading of blood drops, the dispersion in the soil of nerve agents for military use, but also to estimate the wetting of petroleum coke by coal tar pitch in the manufacture of anodes for the aluminium industry. The main advantage of this method is that it allows to simply simulate the conditions occurring in practice in many applications. Despite its simplicity, different data can be found in the literature for the same experiment, this dispersion of results can be attributed to the atmosphere in which the experiment is carried out as well as to the experimental set-up used (atmosphere, drop deposition system, temperature, etc.). [...]