Présentation
EnglishRÉSUMÉ
La thermogravimétrie est la technique la plus adaptée à l’évaluation de la cinétique des réactions hétérogènes de type solide-gaz. Elle permet d’en expliquer le déroulement pour in fine déterminer l’équation de vitesse et les mécanismes réactionnels. Cet article présente d’abord les éléments de base de la cinétique hétérogène en décrivant les systèmes réactionnels solide-gaz et les processus fondamentaux qui régissent leurs transformations. Le concept de l’étape déterminante est rappelé et l’équation générale de la vitesse qui en découle est précisée. Cette dernière est confrontée à une équation simplifiée mais néanmoins très répandue dans la bibliographie. Enfin les méthodes expérimentales préconisées pour l’obtention de données cinétiques fiables et interprétables sont présentées.
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Michèle PIJOLAT : Professeur Centre SPIN, Laboratoire Georges Friedel – CNRS UMR 5307, École des mines de Saint-Étienne, Saint-Étienne, France
INTRODUCTION
La thermogravimétrie est la technique la plus largement utilisée pour déterminer la vitesse de réaction d'un solide massif ou divisé lorsqu'il se transforme par décomposition thermique ou réaction avec un ou plusieurs gaz. Elle s'utilise dans de nombreux domaines d'application qui vont des procédés chimiques pour les solides divisés jusqu'à la corrosion haute température des matériaux. Modéliser le déroulement d'une réaction hétérogène à partir des processus fondamentaux – germination et croissance – fait appel à la cinétique hétérogène, discipline exigeante mais incontournable pour qui veut prédire le comportement d'un système solide-gaz réel quel qu'il soit, comme celui de poudres dans un four de calcination ou d'un matériau placé sous conditions corrosives extrêmes. Les progrès scientifiques accomplis depuis plus d'une centaine d'années sont essentiellement dus à l'existence de deux communautés parallèles de chercheurs : ceux travaillant dans le domaine des procédés de transformations de solides divisés (« génie des procédés » pour les laboratoires français et « chemical engineering » des anglo-saxons) et ceux travaillant dans le domaine des matériaux (métallurgistes, céramistes). La scission actuelle entre les deux groupes est telle que les premiers utilisent des méthodes mathématiques pour interpréter des données cinétiques obtenues en rampe de température tandis que les seconds ont posé les bases de la théorie d'oxydation des métaux en décrivant très précisément les mécanismes réactionnels à partir d'essais isothermes et isobares. Les premiers sont peu soucieux des caractéristiques physiques des poudres étudiées et recherchent la meilleure loi de vitesse apparaissant dans une « liste » de modèles reproduite d'article en article, tandis que les seconds élaborent des modélisations physiques sophistiquées mais généralement limitées à une symétrie plane. Toutefois, la transposition des connaissances d'une communauté à l'autre permet d'enrichir leurs approches respectives et surtout de généraliser les concepts de cinétique chimique en proposant une méthodologie adaptée à l'établissement de lois de vitesse prédictives tout en élucidant les mécanismes réactionnels.
L'objectif de cet article est de faire le lien entre les deux approches en revisitant la cinétique hétérogène pour fournir aux ingénieurs et chercheurs les outils nécessaires à une bonne compréhension des réactions hétérogènes dans les systèmes solide-gaz ainsi qu'à leur modélisation.
L'approche développée est destinée à l'interprétation des courbes cinétiques expérimentales décrivant les variations de masse au cours du temps d'un solide placé dans des conditions thermodynamiques données (thermogravimétrie isotherme et sous mélange de gaz à pressions partielles fixées). Pour cela, les modèles analytiques pseudo-stationnaires basés sur l'approximation de l'étape déterminante sont privilégiés, les méthodes de résolution numérique de systèmes d'équations différentielles étant difficilement utilisables compte tenu de la multitude de paramètres inconnus. L'équation de la vitesse est alors décomposable en un produit de deux fonctions à variables thermodynamiques et morphologiques séparées, équation très générale et s'appliquant à tous les types de systèmes hétérogènes possibles, poudres ou massifs. La modélisation de réacteurs hétérogènes à échelle 1 ou la prédiction de la durée de vie d'un matériau sont envisageables, une fois déterminées les expressions de ces deux fonctions.
Dans cet article sont présentés :
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les processus fondamentaux tels que la germination et la croissance, les zones réactionnelles et la nature des variables ;
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une analyse critique du formalisme de l'équation de vitesse de la littérature généralement utilisée pour interpréter les données cinétiques obtenues pour les transformations de solides divisés ;
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des recommandations pour l'acquisition de courbes cinétiques fiables, c'est-à-dire obtenues dans des conditions les plus proches possibles de celles des modèles.
L'hypothèse de base des modèles de cinétique hétérogène – approximation de l'étape déterminante – permet de simplifier le calcul de la vitesse en fonction du temps ; elle est très souvent vérifiée dans un domaine de température et de pressions partielles qu'il convient de déterminer. La méthode des décrochements qui permet, entre autres, de valider cette hypothèse est décrite dans la dernière partie de l'article.
MOTS-CLÉS
Mécanismes réactionnels Cinétique hétérogène Procédés chimiques Corrosion haute température
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Bases de la cinétique hétérogène
1.1 Réactions dans les systèmes solide-gaz
Ce sont des réactions qui mettent en jeu au moins trois phases : le solide initial, le solide final et l'atmosphère gazeuse en contact avec les phases solides. Lorsque les conditions thermodynamiques locales le permettent, une nouvelle phase solide B se forme aux dépens de la phase solide initiale A faisant apparaître des zones réactionnelles nouvelles aux interfaces solide/solide et solide/gaz (figure 1) . Ces zones sont décrites en détails dans le paragraphe 1.3.3.
La réaction chimique représentant le bilan entre les réactifs et les produits peut s'écrire :
avec :
- :
- coefficient stœchiométrique algébrique du gaz Gi ,
- νB :
- coefficient stœchiométrique...
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Bases de la cinétique hétérogène
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TUPIN (M.) - Approfondissement des mécanismes d'oxydation de deux alliages de zirconium : Zircaloy-4 et ZrNbO, sous oxygène et sous vapeur d'eau : comparaison des régimes cinétiquement limitants. - Thèse de Doctorat, École des Mines de Saint-Étienne (2002).
-
(2) - FAVERGEON (L.) - Étude de la germination en surface dans les transformations chimiques des solides – Cas de la déshydratation du sulfate de lithium monohydraté. - Thèse de Doctorat, École des Mines de Saint-Étienne (2005).
-
(3) - ROUCHON (L.) - Étude cinétique expérimentale et modélisation de la réaction de carbonatation de l'oxyde de calcium. - Thèse de Doctorat, École des Mines de Saint-Étienne (2012).
-
(4) - AVRAMI (M.) - * - J. Chem. Physics, 7, p. 1103 (1939), 8, p. 212 (1940), 9, p. 177 (1941).
-
(5) - VYAZOVKIN (S.), BURNHAM (A.), CRIADO (J.M.), PÉREZ-MAQUEDA (L.A.), POPESCU (C.), SBIRRAZZUOLI (N.) - ICTAC kinetics committee recommendations for...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Nationaux
Journées d'études sur la cinétique hétérogène (JECH) : ont lieu chaque année en mars ou avril, organisées par un laboratoire académique http://jech.fr/
Journées de calorimétrie et d'analyse thermique (JCAT) http://www.afcat.net
Journées scientifiques et techniques du CEFRACOR (Centre français de l'anticorrosion) : rencontres entre laboratoires académiques et industriels https://www.cefracor.org/fr
Internationaux
ESTAC, European Symposium on Thermal Analysis and Calorimetry : tous les quatre ans, deux ans après/avant l'ICTAC
ICTAC, International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry : tous les quatre ans, deux ans/après l'ESTAC
HTPCM, International Symposium on High-Temperature Corrosion and Protection of Materials, a lieu tous les quatre ans sur l'île des Embiez (France)
HAUT DE PAGE
Sétaram http://www.setaram.fr/
Mettler-Toledo http://fr.mt.com/fr/fr/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/TA_Family_Browse/TGA.html
Netzsch...
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