Réactivité des matériaux carbones vis-à-vis du sodium

par Laurent Joncourt

Thèse de doctorat en Génie des Procédés

Sous la direction de Michel Mermoux et de Philippe Touzain.

Soutenue en 1996

à Grenoble INPG , en partenariat avec Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....) (laboratoire) , Laboratoire de science des surfaces et matériaux carbonés (Grenoble198.-199.) (laboratoire) et de Carbone Savoie (entreprise) .

Le président du jury était Jean-Claude Poignet.

Le jury était composé de Daniel Dumas, Yves Chabre.

Les rapporteurs étaient Daniel Guérard, Jean-Noël Rouzaud.

mots clés

• Matériaux carbonés
• Sodium
• Spectroscopie Raman
• Diffraction X
• Graphitisation
• Composés d’insertion
• Spectroscopie électrochimique
• Pycnométries
• Electrolysis
• Aluminium production
• Cathode
• Carbonaceous materials
• Heat treatment
• Porous material
• Multiphase system
• Sodium
• Nc
• Insertion
• Adsorption
• Capillary condensation
• Raman spectrometry
• X ray diffraction
• Experimental study
• Sodium
• Graphite
• Aluminium
• Procédés de fabrication

Résumé

La fixation du sodium a été étudiée dans différents matériaux carbonés, principalement trois cokes de brai graphitisables et sept anthracites de provenances différentes. Ces matériaux constituent en effet les revêtements cathodiques des cuves d’électrolyse servant à la production de l’aluminium et on pense que la pénétration (insertion) du sodium dans ces matériaux carbonés est responsable de leur dégradation. Nous nous sommes tout d’abord attachés à décrire l’évolution de ces matériaux au cours du traitement thermique. Les anthracites sont des matériaux hétérogènes, poreux et polyphasés qui évoluent brutalement entre 2000°C et 2400°C suivant leur provenance pour devenir des carbones graphitisables ou du moins partiellement graphitisables. Trois modes de fixation de sodium ont été observés : insertion, adsorption et condensation capillaire. Pour tous ces carbones non graphitisés, le paramètre déterminant pour l’insertion est la température de traitement thermique : plus celle-ci est élevée, plus la quantité de sodium inséré est faible. Enfin plus le matériau est poreux plus les phénomènes de sorption sont importants

Titre traduit

Sodium reactivity with carbon materials

Résumé

This work is related to the interaction of sodium with carbon materials in particular with three graphitizable pitch coke and seven different anthracites. Indeed, these carbons are widely used as cathodic materials in the aluminum electrolysis cells, and there is a general agreement that the penetration of sodium atoms is responsible of the swelling and subsequent destruction of the electrode. At first, we tried to describe the evolution of the microtexture of these materials during heat treatment. Our results (X ray diffraction, Raman spectroscopy and pycnometry) show that the anthracites are highly porous, heterogeneous compounds. They are found to evolue at about 2000-2400°C to become partially graphitizable carbons. Concerning the interaction of sodium with these materials, three phenomena are observed : intercalation, adsorption and capillary condensation. The sodium intercalation is found to be very sensitive to the previous heat treatment temperature : the uptake of intercalated sodium is all the more important the heat treatment temperature is lower. The non-intercalated sodium uptake is correlated to the porous texture of these materials