Recherche Avancée

Thèse soutenue

Insertion du sodium et pénétration de l’électrolyte dans le carbone en milieu NaF fondu à 1025°C

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Auteur / Autrice : Nafaâ Adhoum
Direction : Jean-Claude Poignet
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Électrochimie
Date : Soutenance en 1996
Etablissement(s) : Grenoble INPG
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
autre partenaire : Ecole nationale supérieure d'électrochimie et d'électrométallurgie (Grenoble1921-2008)
Jury : Président / Présidente : Jean-François Fauvarque
Examinateurs / Examinatrices : Daniel Dumas
Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Bertaud, Pierre Taxil

Résumé

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Pendant l’électro-élaboration de l’aluminium par le procédé Hall-Héroult en milieu de cryolite fondue, il y a production parasite de sodium qui imprègne le carbone du bloc cathodique, suivi de près par l’électrolyte. Ceci provoque le gonflement du carbone et conduit à la limitation de la durée de vie de la cellule d’électrolyse. Dans l’objectif d’élucider les mécanismes d’interaction entre le sodium et le carbone, nous avons mené une étude de cinétique électrochimique en milieu NaF pur fondu à 1025°C. L’utilisation de diverses techniques électrochimiques (voltampérométrie, chronopotentiométrie et coulométrie) a mis en évidence l’existence d’une interaction complexe entre le sodium et le carbone. En effet, le métal alcalin est distribué entre deux types de sites correspondant à deux activités différentes. La forme la moins fortement liée au carbone correspond au sodium piégé dans la micro-porosité, alors que la forme plus stable est attribuée au sodium inséré entre les plans de graphène. Nous avons aussi montré l’existence d’un transfert lent et irréversible des espèces piégées vers les sites normaux d’insertion. De plus, en raison de l’évaporation du sodium à partir de l’interface, le produit Na-C subit une décomposition. Le transport du métal alcalin dans le réseau hôte est limité par une transition de phase du premier ordre. En tenant compte de toutes ces observations expérimentales, nous avons proposé un mécanisme réactionnel, construit le modèle mathématique associé et résolu le système d’équations différentielles, ainsi obtenu, en utilisant la méthode des différences finies. Les résultats obtenus montrent un bon accord entre les courbes théoriques et les résultats expérimentaux et permettent l’estimation des différents paramètres cinétiques des processus d’interaction Na-C. Enfin, nous avons montré que la pénétration du sodium provoque un changement de la tension interfaciale NaF-C et induit la progression du bain fondu par capillarité à partir d’une fraction molaire minimale en sodium (XNa=1,4. 10-2)