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1 09/09/2013 Conférence … http://lgc.cnrs.fr
IUT Paul Sabatier Génie Chimique- Génie des Procédés
Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Présentation de stage de fin d’étude
Réalisé du 07.04.2015 au 12.06.2015 Tuteur de stage : M. Kevin LACHIN Maître de stage : Mme. Catherine GHOSN
Nurwazni BINTI MAZLAN
2 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Introduction Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
• Laboratoire de Génie Chimique (LGC) – STPI
• Encadrée par M.LACHIN, doctorant en 2ᵉᵐᵉ année • Sujet de thèse : Etude de la coagulation de latex de type acrylique dans des milliréacteurs
Objectifs du stage : Mettre en place des méthodes de déstabilisation et assurer leur suivi dans le cas de deux type de coagulation (péricinétique et
orthocinétique)
- suspension colloïdale - taille de l’ordre nm - µm
-phénomène d’agrégation de particules
3 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Plan
Introduction
1. Présentation du Laboratoire
2. Stabilité du latex
3. Étude de la coagulation Orthocinétique
3.1) Rappels théoriques
3.2) Étude expérimentale
Conclusion
4 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
1.Présentation du Laboratoire
5 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Laboratoire de Génie Chimique Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
• Créé en 1965
• Unité mixte de recherche Institut National Polytechnique (INP) Université Paul Sabatier (UPS) Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
• Plus de 300 employés
• Domaines : eau et effluents, énergie, chimie, agroalimentaire, santé, matériaux, biotechnologie et pétrochimie.
6 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Organisation de LGC
Directrice : Béatrice BISCANS
Laboratoire de Génie chimique UMR 5503 INP/CNRS/UPS
Départements scientifiques
Services d’appui à la recherche
Différents conseils (CS, CL…)
GIDM PE IRPI BioSym STPI PSI
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
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2.Stabilité du latex
8 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Le Latex étudié: principales caractéristiques Introduction
Présentation du laboratoire
Produit étudié
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
Caractéristiques du latex fourni
Øparticules 80 nm
N (indice de réfraction)
1,59
ρ à 20°C 1,026 g/m³
%massique 33 %
polymère acrylique
Après l’ajout de tensioactif
- COOˉ
État initial
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Stabilisation colloïdale
• Équilibre entre les forces attractives et les forces répulsives
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
VT = VA + VR
H⁺
- COOˉ - COOH
Théorie DLVO
FA
FR
VT : potentiel d’interaction lié aux différentes forces
• Déstabilisation assurée en diminuant VR
Une solution envisageable pour le latex étudié: diminuer le pH
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3.Étude de la coagulation Orthocinétique (Un exemple de résultats obtenus)
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Cause de la coagulation
• Résulte du cisaillement induit par le mouvement du fluide
• Cinétique du phénomène :
Avec: G le taux de cisaillement (sˉ¹) ai, aj le diamètre de particule (m) k Constante (m³/s) N Concentration en particules (particules.m³)
2.Nkdt
dN
3)2
.2
.(.3
4 jiaa
k G
Objectif de l’étude: 1. valider la déstabilisation en système millifluidique 2. tester des conditions de concentrations permettant le suivi de l’évolution des tailles de particules Objectif à terme: déterminer des cinétiques de coagulation par cisaillement
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
12 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Présentation du pilote Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
13 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Présentation du pilote
L = 10,2 m
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
FIC 2
FIC 1
14 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Métrologie: Principe: mesure de la distribution granulométrique par diffraction multiple de la lumière Appareil utilisé: Mastersizer 2000 Malvern
Suivi de la coagulation: mesure de la taille des particules
Laser rouge
Détecteur
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
Cellule de mesure
Répartition granulométrique ( % volumique = f(taille))
15 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Conditions opératoires
Conditions hydrodynamiques (favorables aux cisaillements)
Diamètre de réacteur (mm) 2
Débit total (ml/min) 34
Vitesse (m/s) 0,18
Nombre de Reynolds 370 régime laminaire
Cisaillement (sˉ¹) 497
Temps de séjour max. (s) 180
Déstabilisation avec H2S04 (0,02 M), pH <2 : pH << pKa tensioactif (4-5) Latex 0.05 % massique
Conditions physico-chimiques : (phénomène péricinétique négligeable)
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
16 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
0
2
4
6
8
10
12
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
1 (L = 1,257 m)
2 (L = 2,55 m)
3 (L = 3,825 m)
5 (L = 6,375 m)
6 (L = 7,65 m)
7 (L = 8,925 m)
8 (L = 10,2 m)
volu
me
(%
)
taille des particules (𝞵m)
Résultats
8 7 6 5 4 3 2 1
x
y R
Profil du cisaillement :
G max : paroi G min : centre
Diminution de la turbidité
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
17 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
0
50
100
150
200
250
300
350
0 50 100 150 200
Taill
e m
oye
nn
e d
es
par
ticu
les
(µm
)
Temps de séjours (s)
Validation du pilote comme dispositif de suivi d’une coagulation orthocinétique
Nécessité, dans les conditions fixées, d’augmenter la longueur du réacteur pour accéder à une taille de latex stabilisée.
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
18 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Conclusion
• Mise au point d’un protocole expérimental et validation de l’utilisation du Turbiscan pour le suivi de la coagulation péricinétique (non présenté ici)
• Validation du dispositif expérimental millifluidique pour le suivi de la coagulation orthocinétique
Quantification de la croissance des agglomérats
- augmentation de la taille moyenne au cours du temps
- persistance d’un volume important de particules de tailles inférieure à 100 mm liée à l’inhomogénéité des cisaillements sur une section du réacteur
Nécessité d’avoir des longueurs de réacteur adaptées aux conditions physico-chimiques (concentration de latex)
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
19 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Conclusion personnelle
• Utilisation dans un cadre professionnel des connaissances acquises à l’iut
• Acquisition de nouvelles compétences en métrologie
• Première expérience en recherche enrichissante • Recherche bibliographique
• Travail en équipe
• Mise en place d’expériences afin de répondre aux questions posées
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
20 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Bibliographie
Documents papiers
1. LACHIN Kevin. Rapport Bibliographique MEGeP : La coagulation de latex. Thèse de doctorat, Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse, Juin 2014.
2. LACHIN Kevin. Manuel d’utilisation du pilote. Thèse de doctorat, Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse, Mars 2015.
Documents électroniques
1. WIKIPEDIA. [En ligne]. Loi de Stokes. Dernière mise à jour : 04-02-2015. [ref. du 03-06-2015]. Disponible sur le Web : http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Stokes
2. MALVERN. Mastersizer 2000 : integrated systems for particle sizing. [En ligne]. Dernière mise à jour : 01-02-2006. [ref. du 03-06-2015]. Disponible sur le Web : http://www.atomikateknik.com/pdf/Mastersizer2000.pdf
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MERCI DE VOTRE ATTENTION
22 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
VT = VA + VR
VA
VR
VA = Avec : R rayon des particules (m) d diamètre interparticulaire (m) A constante de Hamaker (J)
Intrinsèque au matériau
utilisé, NON!
VR =
Avec : ε Permittivité du milieu (F.) Potentiel de surface (V) k Longueur de Debye (m-1)
OUI!
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
d
RA
.12
.
).(2
0 .....2 dkeR
0
23 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Echantillonnage dans 16mL NaOH (3*10-3 mol/L) et 24 mL glycérol pur
-rétablir les charges et on retrouve un état stable du latex -diminuer la vitesse de
sédimentation -Loi de stokes :
9
)(2 2
gr
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
24 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Représentation graphique
Barrière de potentiel
Pas suffisant!
Apporter de l’énergie cinétique
Par diffusion
Par phénomènes liés à l’hydrodynamique du procédé
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
25 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
premier passage deuxième passage troisieme passage
volu
me
taille des particules (𝞵m)
Pic >1000 µm sont des caractéristiques bulles d’air
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
26 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
4.Étude de la coagulation Péricinétique
27 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Coagulation Brownienne
• Diffusion des particules par le biais du mouvement Brownien
• Cinétique du phénomène :
Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation Brownienne
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
Avec: N Concentration en particules (particules.m³) K Constante (m³/s) WBr Ratio de stabilité (fonction du pH)
2.Nkdt
dNBR
)1
(Br
BrW
fk
Objectif de l’étude: validation du suivi de l’évolution d’une solution de latex après déstabilisation à l’acide
Objectif à terme: déterminer la valeur de WBR en fonction du pH
28 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Expériences Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation Brownienne
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
Métrologie:
Principe: Mesure du faisceau diffracté et transmis par les particule
Appareil utilisé: Turbiscan LAB
Balayage sur toute la hauteur Faisceau transmis (concentration faible) Faisceau rétrodiffusé (concentration fort)
Conditions :
Concentration en particules 0,5 % massique
Volume dans la cellule 16 ml
Température et viscosité
Concentration en acides 1) 6.10ˉ⁴ mol/L 2) 4.10ˉ⁴ mol/L
29 09/09/2013 Conférence … 23/06/2015 Déstabilisation du latex par coagulation péricinétique ou orthocinétique
Résultats Introduction
Présentation du laboratoire
Stabilité
Du latex
Étude de la coagulation Brownienne
Étude de la coagulation
Orthocinétique
Conclusion
• 6.10ˉ⁴ mol/L d’acide
-Diminution de T et R au cours du temps Déstabilisation effective
• 4.10ˉ⁴ mol/L d’acide
-T et R n’évoluent pas Pas de déstabilisation
Validation de la méthode expérimentale de déstabilisation et de suivi Possibilité, à partir des données, de déterminer les valeurs de WBR