L'influence des ions Pb2+ sur le dépôt de zinc a été étudiée dans l'électrolyte acide de sulfate de zinc avec et sans Mn2+. La polarisation galvanostatique, la polarisation potentiodynamique, la voltammétrie cyclique (VC), les mesures de bruit électrochimique (MBE) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) en conjonction avec la microscopie électronique à balayage (MEB) et la diffraction des rayons-X (XRD) ont été considérés. L'effet de différents paramètres de fonctionnement tels que la concentration de Zn2+, la concentration d’acide sulfurique, la densité de courant, l'agitation de l’électrolyte et la température a été étudié en présence de Mn2+ et Pb2+. Les résultats galvanostatiques utilisant un électrolyte standard de zinc contenant 12 g/L de Mn2+ (ES) ont montré que les ions de plomb ajoutés à l’ES conduisaient à une augmentation du potentiel cathodique et de l'efficacité de courant (EC) du dépôt de zinc. L'augmentation de la concentration de Mn2+ dans l'électrolyte a entraîné une diminution du potentiel cathodique et d’EC du dépôt de zinc à cause de l'effet de dépolarisation du MnO4- formé. En outre, l'augmentation de la densité de courant de 45 à 60 mA/cm2 et de l'agitation de 60 à 412 tr/min ont donné lieu à une augmentation du potentiel et à une diminution d’EC. L'augmentation de la température de 35 à 45°C a conduit à une diminution du potentiel cathodique. Pour l'électrolyse de longue durée (72 h), la teneur de Pb dans le dépôt de zinc en utilisant l'anode Pb-0,7%Ag était de 1,90-1,98 ppm, presque équivalente à celle employant l'anode de Pt avec l’addition de 0,15-0,2 mg/L de Pb2 +. L'électrolyse à 40°C et 52,5 mA/cm2 en présence de plomb jusqu'à 0,1-0,2 mg/L dans un électrolyte contenant 12 g/L Mn2+ pourrait être considérée comme des meilleurs paramètres opérationnels pour le procédé d'extraction électrolytique. Les études SIE ont montré que le dépôt de zinc sur le zinc est plus facile que celui du zinc sur l'aluminium. L’analyse des MBE a révélé que l'augmentation des concentrations de Pb2+ (0,05-0,8 mg/L) dans l'électrolyte de zinc sans Mn2+ s'accompagne d'une diminution de l'inclinaison et d'une augmentation des valeurs du kurtosis qui puissent être corrélées à la morphologie du dépôt de zinc. / The influence of Pb2+ ions on zinc deposition was investigated in acidic zinc sulfate electrolyte with and without Mn2+ ions. Galvanostatic polarization, potentiodynamic polarization, cyclic voltammetry (CV), electrochemical noise measurements (ENM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in conjunction with scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) have been considered. Effects of different operating parameters such as Zn2+ ions concentration, sulfuric acid concentration, current density, electrolyte agitation and temperature were investigated in presence of Mn2+ and Pb2+ ions. The galvanostatic results using standard zinc electrolyte containing 12 g/L Mn2+ (SE) showed that lead ions added to the SE led to an increase in the cathodic potential and current efficiency (CE) of zinc deposit. Increasing Mn2+ concentration in the electrolyte resulted in decrease of cathodic potential and CE of zinc deposit due to the depolarization effect of formed MnO4-. In addition, increases of current density from 45 to 60 mA/cm2 and agitation from 60 to 412 rpm resulted in an increase of overpotential and decrease of CE. Increase of temperature from 35 to 45°C led to a decrease of cathodic potential. For long time electrolysis (72 h), the Pb content in zinc deposit using Pb-0.7%Ag anode was 1.90-1.98 ppm, almost equivalent to that employing Pt anode with addition of 0.15-0.2 mg/L of Pb2+. Electrolysis at 40°C and 52.5 mA/cm2 in presence of lead up to 0.1-0.2 mg/L in an electrolyte containing 12 g/L of Mn2+ could be considered as best conducted operating parameters for electrowinning process. EIS studies showed that zinc deposition on zinc is easier than that of zinc on aluminum. ENM revealed that increase of Pb2+ concentration (0.05-0.8 mg/L) in zinc electrolyte without Mn2+ is accompanied with a decrease of skew and increase of kurtosis values that could be correlated to the morphology of zinc deposit.

L'aluminium est fabriqué par un procédé électrolytique. La réaction consomme des anodes de carbone dont la qualité a une grande influence sur l’opération optimale du procédé. Cependant, leurs propriétés sont mesurées hebdomadairement sur moins de 1% de la production. L'objectif de ce projet est d'améliorer le contrôle de la qualité du procédé de fabrication des anodes par la prédiction de leurs propriétés. Une méthode de régression multivariée appelée projection sur structures latentes est utilisée pour relier les propriétés des matières premières et les paramètres d’opération du procédé aux propriétés des anodes cuites recueillies à l'Aluminerie Alcoa de Deschambault. Plusieurs modèles sont étudiés pour les propriétés physiques et la réactivité aux gaz qui expliquent 20% à 68% des variations de celles-ci. Considérant le niveau de bruit élevé des données industrielles, il est jugé qu’une portion significative de la variabilité est modélisée. De plus, l’interprétation de ces modèles est cohérente par rapport aux connaissances du procédé. / Aluminum is manufactured by an electrolytic process. The reaction consumes carbon anodes. Anode quality has a great influence on the optimal operation of the reduction process. However, their properties are poorly characterized by weekly averages of anode sample laboratory analyses. The goal of this thesis is to improve quality control at the baked anode manufacturing plant by predicting anode properties. A multivariate latent variable regression method called Projection to Latent Structure (PLS) is used to relate the raw material and the manufacturing process data to the baked anode properties collected at the Alcoa Deschambault smelter. Several models are investigated for physical properties and gas reactivity. From 27% to 68% of the physical properties variance and 20% to 49% of the reactivity variations are captured. The models explained a significant amount of variability, considering that industrial data is typically very noisy. The interpretation of the models was found in agreement with process knowledge.

Dans cette thèse, les performances de différentes anodes Pb-Ag utilisées pour l'extraction électrolytique du zinc ± electrowinning ¿ ont été étudiées dans un electrolyte acide de sulfate de zinc avec ou sans la présence d'ions Mn²+ à 38°C, à l'aide de méthodes conventionnelles et plus récentes telles le bruit électrochimique et la spectroscopic d'impédance électrochimique. En outre, l'influence de la gélatine, de l'acide malonique et d'autres additifs sur l'efficacité du courant, la surtension anodique et la morphologie du dépôt de zinc a été examinée pendant l'extraction électrolytique du zinc dans des solutions acides de sulfate de zinc contenant des ions de manganèse avec ou sans impuretés sous une densité de courant de 50 mA/cm² à 38°C. On a montré, par voltammétrie cyclique, que l'utilisation d'une anode en alliage Pb-0,7%Ag pour l'extraction électrolytique du zinc dans un electrolyte acide de sulfate de zinc permettrait de diminuer le pic d'oxydation Pb ?? PbS0₄ par 40% et d'augmenter la hauteur du pic d'oxydation de PbS0₄ -> β-Pb0₂ de 40%. (Chapitre 4) Le comportement de trois anodes en alliage Pb-Ag (avec 0,5%Ag, 0,6%Ag et 0,7%Ag) a été évalué par des mesures galvanostatiques, potentiodynamiques et du bruit électrochimique pendant l'extraction électrolytique du zinc. On a observé que l'anode Pb-0,5%Ag avait la plus haute surtension anodique, suivie par celles contenant 0,6%Ag et 0,7%Ag. En comparaison, l'anode de Pb-0,5%Ag présentait plus de produits de corrosion pendant la polarisation (ou l'électrolyse), avec un plateau important d'une valeur moyenne de 1,61 V/SHE pendant la plus longue période (45 minutes), alors que l'anode en alliage Pb-0,7%Ag a montré la formation de cellules galvaniques plus actives en début de chute de potentiel (11-16 h de chute de potentiel) pouvant correspondre à une corrosion localisée plus importante dû à la présence en plus grande quantité des phases contenant Ag et ce, après 24 h d'électrolyse. Durant la décroissance du potentiel électrochimique, un contenu plus élevé en Ag dans l'anode favorise donc une meilleure résistance à la corrosion. Toutefois, à la toute fin de la chute du potentiel, on a observé qu'une teneur plus élevée en argent dans l'anode augmentait légèrement la vitesse de corrosion. (Chapitre 5) À l'aide de la technique du bruit électrochimique, on a pu montrer que la valeur absolue des pentes reliées à la puissance de la densité spectrale ± PDS ¿ des trois anodes Pb-Ag pouvait correspondre à différentes réactions de corrosion et/ou types de corrosion. En effet, l'anode de plomb contenant 0,5%Ag montre une corrosion uniforme en début d'analyse (première heure) et une corrosion localisée à la fin d'une chute de potentiel de 16 h, alors qu'avec une anode contenant 0,7%Ag, on observe une corrosion localisée importante au début, suivie d'une corrosion uniforme, pour revenir finalement à une corrosion localisée. En comparant les paramètres du bruit électrochimique avec les résultats obtenus par les méthodes conventionnelles, on constate que cette nouvelle approche constitue une technique très valable pour étudier l'influence de l'argent comme élément d'alliage sur la vitesse de corrosion des anodes en plomb. (Chapitre 6) Une anode de l'alliage Pb contenant 0,56%Ag a été étudiée par spectroscopic d'impédance électrochimique ± SIE ¿ dans un electrolyte acide de sulfate de zinc conventionnel contenant MnSO₄ pour évaluer son activité électrochimique pendant et après l'électrolyse. La polarisation galvanostatique sous 50 mA/cm² et à 38°C a été effectuée pendant 5 h. Une chute de potentiel de 6 h a été observée. Durant la première heure de la chute de potentiel, le procédé de diffusion ionique contrôle la réaction électrochimique, alors que durant la période suivante de la chute du potentiel (2 à 6 h), la capacité électrochimique de la couche double et celle du film en surface diminuent en fonction du temps d'immersion. Par contre, la résistance de la couche externe ainsi que la charge de transfert augmentent en fonction du temps. (Chapitre 7) Une anode de l'alliage Pb-0,25%Ag-0,1l%Ca et trois anodes commerciales en plomb contenant 0,56%Ag, 0,6%Ag et 0,69%Ag ont aussi été étudiées dans un electrolyte acide de sulfate de zinc avec ou sans additions de MnS0₄ utilisant les méthodes électrochimiques conventionnelles et la spectroscopic d'impédance électrochimique ± SIE ¿ afin d'évaluer leur activité et comportement à la corrosion durant la chute de potentiel après une electrolyse de 5 h. Un examen des surfaces polies des échantillons ont montré que l'anode renfermant un contenu le plus élevé en Ag possédait le plus bas courant de corrosion parmi les quatre types d'anode examinés, suivie par les anodes contenant 0,6%Ag, 0,25%Ag-0, l%Ca et 0,56%Ag. (Chapitre 8) On a constaté que l'addition d'acide malonique pouvait augmenter l'efficacité de courant d'electrolyse et diminuer les potentiels anodique et cathodique ainsi que le potentiel de la cellule électrolytique dans un electrolyte standard. De plus, dans le cas d'un electrolyte industriel contenant de l'antimoine comme impureté, l'ajout de l'acide malonique ± MA ¿ a conduit à une augmentation du pourcentage d'efficacité de courant non négligeable. Le chlorure de Triethylbenzylammonium ± TEBAC1 ¿ est le meilleur additif pour favoriser une efficacité de courant en présence d'impuretés Ni²⁺ (concentration de ~5 mg/L). On a aussi observé que le TEBAC1 contrecarrait mieux l'effet délétère du Sb³⁺ que les autres additifs tels que le polyethylene glycol, le sulfate laurique de sodium, l'acide de perfluoroheptanoique et l'acide malonique, mais pas aussi efficace que la colle et le chlorure ensemble. L'ajout de 2 mg/L de ± TEBAC1 ¿ à la solution d'acide sulfurique en présence d'ions nickel a augmenté le potentiel cathodique de la réaction d'évolution de l'hydrogène sur le dépôt de zinc de façon plus importante qu'avec une solution contenant 100 mg/L d'acide malonique. (Chapitre 9) L'analyse du bruit électrochimique dans le domaine des temps (paramètres de skewness et de kurtosis) était appropriée pour indiquer l'effet combiné de différentes concentrations de gélatine et d'antimoine sur le procédé d'extraction électrolytique du zinc. Les valeurs des pentes de skewness et de kurtosis tout autour de la moyenne ± 0 ¿ signifient que la distribution des données est symétrique autour de la valeur moyenne et que la forme des courbes est semblable à celle d'une distribution normale. Cela semble correspondre à la meilleure combinaison de l'effet synergique de l'impureté et de l'additif pour une efficacité de courant plus élevée, des surtensions anodique et cathodique faibles et de meilleurs dépôts denses et uniformes. (Chapitre 10)

Ce projet de travail est divisé en deux études principales: (a) l'influence des certains additifs organiques sur la consommation d'énergie et la pureté du métal de zinc déposé dans le processus d'extraction électrolytique, et (b) l’électrodéposition des alliages binaires et ternaires de Fe-Mo et Fe-Mo-P sur des substrats d’acier doux afin d’agir comme cathodes pour la production de chlorate. (a) Parmi les sept différents additifs organiques examinés, les sels des liquides ioniques ont réussi à augmenter le rendement du courant jusqu'à 95,1% comparé à 88,7% qui a obtenu à partir de l'électrolyte standard en présence des ions de Sb3+. La réduction maximale de la consommation d'énergie de ~173 kWh tonne-1 a été obtenue en ajoutant de 3 mg dm-3 du chlorure de 1-butyl-3-méthylimidazolium dans le même électrolyte. La teneur en plomb dans le dépôt de zinc est réduite de 26,5 ppm à 5,1-5,6 ppm en utilisant les sels des liquides ioniques. (b) Des différents binaires Fe-Mo et ternaires Fe-Mo-P alliages ont été électrodéposés sur des substrats d’acier doux. Les alliages préparés ont une tenure en Mo entre 21-47 at.% et une tenure en P de 0 à 16 at.%. L'activité électrocatalytique de ces alliages vers la réaction de dégagement d'hydrogène (RDH) a été étudiée dans des solutions de chlorure de sodium. La réduction maximale de la surtension de RDH de ~313 mV a été obtenue par l’alliage ternaire préparé Fe54Mo30P16 par rapport à celle obtenue pour l'acier doux. La rugosité de surface et l'activité intrinsèque des revêtements de Fe-Mo-P peuvent être l'origine du comportement prometteur de ces électrocatalyseurs vers la RDH. / This work project is divided into two main studies: (a) the influence of certain organic additives on the power consumption and the purity of deposited zinc during electrowinning process, and (b) the electrodeposition of binary and ternary alloys of Fe-Mo and Fe-Mo-P on mild steel substrates to act as cathodes for chlorate production. (a) Among seven different examined organic additives, the ionic liquid salts succeeded to increase the current efficiency up to 95.1% compared to 88.7% obtained from standard electrolyte in presence of Sb3+ ions. Maximum reduction of power consumption of ~173 kWh ton-1 was observed by addition of 3 mg dm-3 of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride to the same electrolyte. Lead content in the zinc deposit is reduced from 26.5 ppm to 5.1-5.6 ppm by using the ionic liquid salts. (b) Different binary Fe-Mo and ternary Fe-Mo-P alloys have been electrodeposited on mild steel substrates. The prepared alloys have Mo content between 21-47 at.% and P content from 0 to 16 at.%. The electrocatalytic activity of these alloys towards the hydrogen evolution reaction (HER) was investigated in sodium chloride solutions. The maximum reduction of HER overpotential of ~313 mV was achieved from the prepared ternary alloy Fe54Mo30P16 compared to that obtained from mild steel. The surface roughness and intrinsic activity of Fe-Mo-P coatings could be the origin of the promising behavior of these electrocatalysts towards the HER.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / The processes of generalized and localized corrosion induced at a cobalt electrode polarized in slightly alkaline aqueous media (pH 7-10) have been investigated using electrochemical methods and surface analysis techniques. In buffer solutions of H2C03/HCO,/CO^ at near neutral pH (7-8), particularly aggressive corrosion phenomena have been observed. The presence of carbonic acid in solution, as well as the high solubility of the CoO oxide, were identified as being responsible for the accelerated metal dissolution. However, the addition of a low concentration of phosphate species to the corrosive environment allows an important inhibition of cobalt dissolution under the form of the Co(CO,)2_ soluble complex. Potentiodynamic experiments have shown the efficiency of benzotriazole to inhibit the active dissolution of cobalt in slightly alkaline media. Using a novel approach to obtain the SERS effect (Surface-Enhanced Raman Scattering) directly from a massive cobalt electrode, the interaction mode of benzotriazole with the metal surface has been determined. Neutral benzotriazole molecules, first chemisorbed under cathodic polarization, are thereafter deprotonated at the zero charge potential of the System. As a result, a thin polymer-like [Co(II)(BTA)2-H20]„ film, insoluble and highly protective, is found on the electrode surface. This passive film restrains the access of chemical species known to be aggressive to the active sites of the electrode. In a situation of incomplete surface coverage by benzotriazole, cobalt species which originate from further dissolution processes, are preferentially complexed to deprotonated benzotriazole species present in the bulk solution. Such a mechanism contributes to the formation of the [Co(II)(BTA)2H20]„ film. To avoid degradation of cobalt through the initiation of localized corrosion induced by chloride ions, a protection method based on the passivation of the metal has been developed. It has been demonstrated that when cobalt is submitted to specific potentiostatic conditions, a passive bilayer film composed of CoO and C03O4 is electrogenerated on the metal surface. The uniform color of that film, attributed to iridescence, shows that the layer has a constant thickness ail over the electrode surface. A complete characterization of the optical and physical properties of that film is presented. / The processes of generalized and localized corrosion induced at a cobalt electrode polarized in slightly alkaline aqueous media (pH 7-10) have been investigated using electrochemical methods and surface analysis techniques. In buffer solutions of H2C03/HCO,/CO^ at near neutral pH (7-8), particularly aggressive corrosion phenomena have been observed. The presence of carbonic acid in solution, as well as the high solubility of the CoO oxide, were identified as being responsible for the accelerated metal dissolution. However, the addition of a low concentration of phosphate species to the corrosive environment allows an important inhibition of cobalt dissolution under the form of the Co(CO,)2_ soluble complex. Potentiodynamic experiments have shown the efficiency of benzotriazole to inhibit the active dissolution of cobalt in slightly alkaline media. Using a novel approach to obtain the SERS effect (Surface-Enhanced Raman Scattering) directly from a massive cobalt electrode, the interaction mode of benzotriazole with the metal surface has been determined. Neutral benzotriazole molecules, first chemisorbed under cathodic polarization, are thereafter deprotonated at the zero charge potential of the System. As a result, a thin polymer-like [Co(II)(BTA)2-H20]„ film, insoluble and highly protective, is found on the electrode surface. This passive film restrains the access of chemical species known to be aggressive to the active sites of the electrode. In a situation of incomplete surface coverage by benzotriazole, cobalt species which originate from further dissolution processes, are preferentially complexed to deprotonated benzotriazole species present in the bulk solution. Such a mechanism contributes to the formation of the [Co(II)(BTA)2H20]„ film. To avoid degradation of cobalt through the initiation of localized corrosion induced by chloride ions, a protection method based on the passivation of the metal has been developed. It has been demonstrated that when cobalt is submitted to specific potentiostatic conditions, a passive bilayer film composed of CoO and C03O4 is electrogenerated on the metal surface. The uniform color of that film, attributed to iridescence, shows that the layer has a constant thickness ail over the electrode surface. A complete characterization of the optical and physical properties of that film is presented. / Les processus de corrosion généralisée et localisée induits à une électrode de cobalt polarisée en milieux aqueux faiblement alcalins (pH 7-10) ont été étudiés à l'aide de méthodes électrochimiques et de techniques d'analyses de surface. Dans des solutions tampons H^CO^/HCOj/CO, de pH quasi-neutres (7-8), des phénomènes de corrosion particulièrement agressifs ont été observés. La présence d'acide carbonique dans la solution, de même que la grande solubilité de l'oxyde CoO dans ces conditions de pH, ont été identifiées comme étant responsables de la dissolution accélérée du métal. Toutefois, l'ajout d'une faible concentration de phosphates dans le milieu corrosif permet d'inhiber considérablement la mise en solution du cobalt sous la forme de l'ion soluble complexe Co(C03)*\ Des expériences potentiodynamiques ont démontré l'efficacité du benzotriazole à inhiber la dissolution active du cobalt en milieux faiblement alcalins. En développant une nouvelle voie d'obtention de l'effet SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) directement à partir d'une électrode de cobalt, le mode d'interaction du benzotriazole avec la surface métallique a été déterminé. Les molécules neutres de benzotriazole, d'abord chimisorbées sous polarisation cathodique, sont déprotonnées au potentiel de charge nulle du système. 11 en résulte la formation d'un mince film polymérique du type [Co(Il)(BTA)2-H20]„, insoluble et hautement protecteur, qui bloque l'accès des espèces réputées agressives aux sites actifs de l'électrode. Dans une situation de recouvrement de surface incomplet par le benzotriazole, les espèces de cobalt issues des processus de corrosion subséquents sont préférentiellement complexées par les espèces de benzotriazole déprotonnées et présentes en solution, consolidant ainsi la formation du film de [Co(II)(BTA)2H20]„. Afin de lutter contre la détérioration du cobalt via l'initiation de la corrosion localisée induite par les ions chlorures, une voie de protection par passivation du métal a été mise en place. En soumettant le cobalt à des conditions potentiostatiques particulières, un film passivant composé d'une bicouche de CoO et de C03O4 a pu être électrogénéré à la surface du métal. La coloration uniforme de ce film, attribuée à un phénomène d'iridescence, montre que la couche est d'épaisseur constante sur toute la surface de l'électrode. Une caractérisation complète des propriétés optiques et physiques de ce film est présentée.

Dans cette thèse, quelques problèmes courants rencontrés lors de l'électroraffinage et l'extraction par voie électrochimique du cuivre ont été étudiés à l'aide de la technique récente du bruit électrochimique (BE) effectuée dans la condition galvanostatique. Les travaux peuvent être divisés en deux sections soient la déposition cathodique et la dissolution anodique. Dans la section cathodique, l'électrodéposition du cuivre en présence de thiourée et de gélatine en tant qu'additifs a été étudiée par BE. Les analyses statistiques et spectrales du BE ont démontré que cette technique peut révéler des informations pertinentes concernant la morphologie et la qualité du dépôt, particulièrement la rugosité, étroitement reliée aux résultats des études macroscopiques et microscopiques. L'influence du sélénium comme impureté lors de la déposition du cuivre a également été investiguée par des mesures de BE dans le domaine du temps. Dans ce travail, une bonne corrélation a été établie entre la morphologie spongieuse et poreuse du dépôt et les résultats des analyses de signaux (skewness et kurtosis). La section anodique a été concentrée sur la passivation de différentes anodes d'alliages de cuivre. Les analyses statistiques, spectrales et ondelettes (wavelet) ont été effectuées sur les signaux du BE reliés aux courbes de chronopotentiogramme dans différentes régions de passivation. Différents paramètres de signaux ont été identifiés comme indicateur d'apparition de la passivation lors de la dissolution d'une anode de cuivre impur. Le potentiel de cette technique considéré comme étant un outil de suivi en continue de la passivation, indépendamment du type d'impuretés d'anode, a également été démontré dans cette thèse. Cette généralisation est importante pour examiner le phénomène d'apparition de la passivation et sa prévision au cours du processus. L'influence des additifs (2 mg/1 de gélatine et de 4 mg/1 de thiourée) sur la passivation de deux alliages de cuivre Cu-Pb et Cu-Sb a été évaluée en utilisant différentes techniques d'analyse du BE. Cette étude a montré que les analyses des signaux du BE sont utiles et prometteuses pour surveiller la passivation pour des études de la corrosion anodique dans des conditions de raffinage simulées en présence d'additifs. Finalement, des formes de corrosion possibles des anodes d'alliages de cuivre ont également été examinées dans différentes régions des courbes choronopotentiométrique correspondantes et ont été corrélées avec certains paramètres obtenus lors des analyses de signaux du BE.

Les cuves d'électrolyse utilisées pour la production aluminium sont soumises à des variations de la qualité des matières premières, à des perturbations diverses encourues en cours de production ou en cours de démarrage. Il est connu que ces perturbations ont un impact sur la durée de vie des cuves ainsi que sur l'efficacité de production, métallurgique et énergétique. L'amélioration des performances passe nécessairement par une meilleure compréhension des sources de variations. Plusieurs travaux ont été présentés jusqu'à présent par le biais d'études univariées entre les différents facteurs et les performances. Cependant, dans ces études, le comportement des cuves n'est pas étudié de manière multivariée, ce qui ne permet pas d'étudier les interactions entre les différentes variables. Cette thèse propose d'étudier les facteurs affectant les performances des cuves d'électrolyse, précisément la duré de vie, le rendement Faraday et la consommation énergétique, par le biais de méthodes statistiques multivariées (PCA et PLS). Premièrement, il est démontré que la durée de vie des cuves est expliquée à 72% en utilisant l'information provenant des préchauffages, des démarrages et de l'opération transitoire, démontrant ainsi l'effet de ces étapes sur la durée de vie des cuves. Cette étude est suivie d'une analyse des facteurs affectant l'efficacité de courant et la consommation énergétique des cuves. L'effet de la qualité de l'alumine, des anodes, des variables manipulées, et des variables d'états des cuves permet d'expliquer 50% des variations des performances. Cette étude démontre l'importance du contrôle de la hauteur de bain. Ainsi, une étude approfondie des facteurs affectant la hauteur de bain est effectuée. La composition du produit de recouvrement des anodes a un impact majeur sur la hauteur de bain. Malheureusement, il est présentement impossible de bien effectuer le suivi et le contrôle de cette composition puisque seulement quelques échantillons sont analysés quotidiennement. Afin de palier à ce manque, cette thèse présente une nouvelle approche, basée sur l'analyse d'image, pour prédire la composition du produit de recouvrement. Cette application faciliterait le suivi et le contrôle de la composition, ce qui améliorerait le contrôle de la hauteur de bain permettant ainsi d'améliorer les performances des cuves.

Le procédé de l’électrolyse Hall-Héroult demeure la méthode principale pour la production mondiale de l’aluminium primaire depuis son invention en 1887. L'utilisation de cathodes mouillables au lieu de cathodes de carbone usuelles a été proposée afin de réduire de plus de 10% de la consommation d'énergie électrique du procédé, ce qui constitue plus de 35% de coûts de la production de l'aluminium. Cependant, à cause des conditions sévères qui prévalent dans le bain d'électrolyse, la fabrication d'une bonne cathode mouillable a été un défi au cours des 60 dernières années et aucune cathode mouillable commerciale n’est encore disponible sur le marché mondial. Dans ce projet, une nouvelle céramique poreuse a été développée par frittage sans pression de TiB2 avec additif de Ti-Fe pré-allié. Ce matériau possède les propriétés requises pour servir de cathode mouillable. Dans cette étude doctorale, le frittage en phase liquide sans pression a été choisi comme méthode de consolidation permettant la fabrication de grandes pièces à un coût relativement bas. Des essais ont été réalisés afin de comprendre l'effet de différentes conditions de traitement y compris la composition d'additif, la température de frittage, le temps de broyage, et la pré-alliage des additifs sur les propriétés physiques, mécaniques et métallurgiques ainsi que le comportement de mouillage et la stabilité des spécimens dans l'aluminium liquide. Après l'ajustement des paramètres de procédé, le matériau sélectionné a été fabriqué par le mélange de TiB2 en poudre avec 10% en poids d'additif 7Ti-3Fe pré-allié dans le broyeur à billes à haute énergie pendant 30 min, suivi par un pressage à 150 MPa et un frittage sous atmosphère de Ar/H2 à 1650°C pendant 1 h. Une microstructure sans fissures avec une distribution uniforme de pores, une densité maximale relative de 91%, une résistance à la flexion de 300 MPa et une résistivité électrique de 54 μΩ.cm ont donc été obtenues. Une goutte d’aluminium a très bien mouillé la surface de l'échantillon et une solidification isotherme s'est produite lors de sa pénétration due à l'interaction avec les additifs métalliques et la formation des phases TiAl3 et Fe4Al13. Malgré la dissolution des additifs métalliques, le matériau développé a montré une excellente stabilité après exposition dans l'aluminium fondu à 960°C pour une durée maximale de 5 jours tout en maintenant sa forme, et aucun signe d’expansion ou de gonflement n’ont été observés. Les analyses microstructurales ont révélé la formation de ponts de TiB2 entre les particules, en présence de phase liquide de Ti-Fe au cours du frittage, et donc la formation d’un squelette TiB2 qui est la cause de la stabilité du matériau développé dans l'aluminium liquide. Par conséquent, ce matériau est proposé en tant qu’un candidat fiable pour l'application en tant que cathodes mouillables dans la production d'aluminium. / Hall-Héroult electrolysis process has been the major method for world production of primary aluminum since its invention in 1887. The use of wettable cathodes instead of usual carbon cathodes has been proposed to reduce more than 10% of the electrical energy consumption of the process which constitutes more than 35% of the aluminum production costs. However, due to the severe conditions of the electrolysis bath, the fabrication of a proper wettable cathode has been a challenge during the last 60 years and no commercial wettable cathode is available in the world market yet. In this project, a novel porous ceramic by pressureless sintering of TiB2 with pre-alloyed Ti-Fe additives was developed. This material showed to meet the required properties to be used as wettable cathode. In this doctoral study, the pressureless sintering in the presence of liquid phase was selected as the consolidation method allowing the fabrication of large parts at relatively lower temperatures and costs. Experimental efforts were made in order to understand the effect of different processing conditions including additive composition, sintering temperature, milling time and pre-alloying of additives on the physical, mechanical and metallurgical properties as well as wetting behavior and stability in liquid aluminum of specimens. Based on the results of the adjustment of processing parameters, the selected material was fabricated by mixing of TiB2 powder and 10 wt% pre-alloyed 7Ti-3Fe additive in high energy ball mill for 30 min, compacting under the pressure of 150 MPa to prepare the green parts, and sintering under Ar/H2 atmosphere at 1650C for 1 h. Uniform crack-free microstructure with even distribution of pores as well as maximum relative density of 91%, bending strength of 300 MPa and electrical resistivity of 54 µΩ.cm were accordingly obtained. Aluminum drop wetted the surface of the specimen very well and isothermal solidification occurred during its penetration due to the interaction with the metallic additives and the formation of TiAl3 and Fe4Al13 phases. Despite of the dissolution of metallic additives, this material showed excellent stability after being exposed to molten aluminum at 960C for up to 5 days by maintaining its shape and no sign of expansion or swelling was observed. Microstructural investigation revealed the precipitation of inter-particle bridges of TiB2 nature in the presence of Ti-Fe liquid phase during sintering forming a TiB2 skeleton, which is the cause of the stability of the developed material in liquid aluminum. This material is proposed as a reliable candidate for application as wettable cathodes in aluminum smelting.