Evolution de sols nanométriques d'oxyde de titane durant l'induction d'une précipitation de type sol-gel en réacteur à mélangeur rapide : Mesures granulométriques in-situ et modélisation

Titanium oxide sols evolution during the induction of a sol-gel type precipitation in a reactor with rapid mixer : granulometric measurements and modelling

• Auteur / Autrice : Matthieu Rivallin
• Direction : Alain Gaunand, Andrei Kanaev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Sol-gel, Procédé

Oxyde de titane

Mots clés libres

Oxyde de titane

Procédé sol-gel

Micromélange

Agrégation

Diffusion lumière

Résumé

La synthèse d'oxydes de titane par voie sol-gel consiste, ici, à réaliser l'hydrolyse et la condensation du tétraisopropoxyde de titane. Les actes chimiques élémentaires sont bien connus, mais les cinétiques, outils indispensable pour l'extrapolation à l'échelle industrielle, sont encore mal comprises. L'étude de la période d'induction de cette précipitation a donc été réalisée afin de passer de la synthèse de laboratoire au procédé. Ainsi, un nouveau réacteur sol-gel a donc été mis au point afin de répondre aux attentes suivantes: contrôle du mélange et du micromélange des réactifs par leur injection en quelques secondes à travers un mélangeur statique en T, de la température et de l'atmosphère au sein du réacteur et possibilité de maintien du mélange dans le réacteur par agitation mécanique. Un organe de mesure in-situ de l'évolution des sols a été réalisé. Son fonctionnement est basé sur la diffusion de la lumière par la suspension et l'emploi de fibres optiques. Il peut être utilisé dans un réacteur non transparent, sous agitation modérée et permet de reculer les limites imposées par la diffusion multiple. Ce système réacteur+sonde de mesure a fourni des résultats cinétiques contrôlables et reproductibles, en particulier pour la durée des périodes d'induction et l'évolution du rayon moyen des sols. Les données obtenues ont servi de base à un modèle cinétique d'agrégation de sols à structure polymérique de dimension fractale proche de 1, contrôlée par les réactions d'hydrolyse et de condensation entre les nuclei produits initialement. Il permet de prédire l'évolution de la suspension et donc de contrôler la synthèse d'oxydes de titane par voie sol-gel.

The titanium oxide synthesis by sol-gel process consists, here, to carry out the hydrolysis and the condensation of the titanium tétraisopropoxyde. The elementary chemical steps are well known, but kinetics, essential tools for the scale-up at the industrial dimension, are still badly understood. The study of the induction time of this precipitation thus carried out in order to pass from the laboratory synthesis to the process. A new sol-gel reactor was thus developed in order to answer following waitings: control mixing and micromixing of the reagents by their injection in few seconds through a static T mixer, temperature and atmosphere inside the reactor and possibility to maintain the mixing in the reactor by mechanical agitation. A probe for in-situ measurement of sols evolution was carried out. Its principle is based on the light scattering by the suspension and on the use of optical fibres. It can be used in a non-transparent reactor, under moderate agitation and makes it possible to move back the limits imposed by the multiple diffusion. This system reactor+measurement probe provided controllable and reproducible kinetic results, in particular for induction times and for the evolution of the sols mean radius. Data obtained were used as a basis for a kinetic model of sols aggregation with polymeric structure of fractal dimension close to 1, controlled by hydrolysis and condensation reactions between nuclei initially produced. It makes it possible to predict the suspension evolution and thus to control the titanium oxide synthesis via sol-gel route.