Incidence de l’amélioration de l’écoulement d’une poudre sur sa capacité à générer un empoussièrement

Influence of flowability improvement of powders on its dust generation capacity

• Auteur / Autrice : Maria Camila Jiménez Garavito
• Direction : Véronique Falk, María Graciela Cares Pacheco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 16/06/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Thierry Ruiz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Falk, María Graciela Cares Pacheco, Diego Barletta, Eberhard Schmidt, Fabien Gérardin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Diego Barletta, Eberhard Schmidt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poussière

Viscosité

Dynamique des fluides

Poudres

Mots clés libres

Poudres

Pulvérulence

Nanoparticules

Écoulement

Powder

Powder flow

Dustiness

Nanoparticles

Résumé

Les matières granulaires sont omniprésentes dans la vie quotidienne et dans l'industrie. Après l'eau, c'est la forme de matériau la plus fréquemment manipulée. Cependant, même aujourd'hui, la manipulation des grains implique des opérations maladroites et/ou dangereuses, en raison d'une mauvaise coulabilité et de l'émission de poussières. Bien que les additifs d'écoulement tels que les nanoparticules de silice (S-NP) soient couramment utilisés pour améliorer le comportement de l'écoulement, l'émission de poussières est souvent négligée du point de vue de la formulation. Par conséquent, cette thèse vise à développer une méthodologie pour la conception de produits en poudre qui préserve une bonne fluidité tout en minimisant les émissions de poussières, conduisant à des opérations industrielles plus sûrs et moins compliqués pour les travailleurs et les installations. Pour atteindre cet objectif, des tests expérimentaux ont été réalisés pour améliorer la coulabilité de quatre poudres industrielles en utilisant le S-NP avec différents taux de recouvrement (TR). Les résultats indiquent que le mécanisme d'action principal du S-NP sur l'amélioration de l'écoulement est lié à la modification de la surface, qui a été quantifiée par des mesures de l'énergie de surface. Cependant, les résultats relatifs à la pulvérulence ont montré que l'augmentation de la coulabilité entraînait une augmentation des émissions de poussières. En outre, la propension d'une poudre à libérer de la poussière semble être liée à son interaction adhésive avec le S-NP, qui a été associée aux modifications de l'énergie de surface et spécifiques de la surface par l'action de S-NP. Sur la base de la caractérisation expérimentale de la coulabilité, de l'empoussièrement et des propriétés physicochimiques des échantillons, un modèle a été développé pour prédire l'empoussièrement à partir des mesures de coulabilité. Ces résultats permettent le développement de trois méthodologies de formulation qui pourraient réduire l'utilisation de S-NP tout en garantissant une conception de produit performante et plus sûre, transposable à différentes industries. En optimisant la formulation des poudres, les industries peuvent améliorer la sécurité et l'efficacité de leurs processus, en réduisant les risques potentiels et les coûts associés à la manipulation des matériaux granulaires.

Granular matter is ubiquitous in daily life and industry. After water, it is the second most frequently manipulated material form. However, even today, handling grains entails some sloppy and/or dangerous operations, due to poor flowability and dust emission. Although flow additives such as silica nanoparticles (S-NP) are commonly used to improve flow behaviour, dust emission is often overlooked from a formulation perspective. Therefore, this thesis aims to develop a methodology for powder product conception that preserves good flowability while minimizing dust emissions, leading to safer and less complicated processes for workers and facilities. To achieve this goal, experimental tests were carried out to improve the flowability of four industrial powders using S-NP with varying surface coverage (SC). The results indicated that S-NP main action mechanism on flow improvement is related to surface modification, which was quantified by surface energy measurements. However, dustiness results showed that increasing flowability resulted in increased dust emissions. Moreover, the propensity of a powder to release dust appears to be related to its adhesive interaction with S-NP, which was associated with surface energy and specific surface modifications. Based on the experimental characterization of the samples' flowability, dustiness, and physicochemical properties, a model was developed that predicts dustiness from flowability measurements. Furthermore, the specific surface of the samples was found to be an influential parameter for both end-use properties, allowing their prediction. These results allow the development of three formulation methodologies that could reduce S-NP use while still granting a performing and safer product conception transposable to different industries. By optimizing the formulation of powders, industries can improve their processes' safety and efficiency, reducing the potential risks and costs associated with handling granular materials. This thesis provides a useful approach to developing a systematic methodology for powder product conception that can be implemented in various industrial applications.