Amorphous calcium carbonate (ACC) precipitation is modeled using particle nucleation, growth, and aggregation. The particles are tracked in terms of their radial size and particle density using direct quadrature method of moments (DQMOM). Four separate nucleation models are implemented and are compared to experimental data. In discord with a recent study, it is shown that classical nucleation, coupled with equilibrium chemistry, is in good agreement with experimental data. Novel nucleation mechanisms are presented which fit the experimental data with slightly greater accuracy. Using equilibrium chemistry it is shown that the equilibrium value of ACC is pKeq = 7.74 at 24C, which is a factor of two smaller than the originally published equilibrium constant. Additionally, legacy equilibrium chemistry expressions are shown to accurately capture the fraction of calcium carbonate ions formed into ACC nano-clusters. The density, solubility, and water content of ACC are discussed in a brief review, finding that a wide variety of properties are reported in the literature. Based on literature findings, it is proposed that the broad variety of reported properties may be due to ACC having several unique thermodynamic states. Compelling evidence is presented exposing errors made by experimentalists studying the calcium carbonate system. The errors correct for mistakes of experimental kinetic data of the chemical-potential cascade of calcium carbonate due to the formation of meta-stable phases. Correlations are presented which correct for these mistakes. A time-scale analysis shows the overlapping of kinetic scales and mixing scales within the calcium carbonate system. The kinetic scales are based on classical nucleation theory, coupled with diffusion limited growth. The mixing scales were computed using one-dimensional turbulence (ODT).

Yes / In this paper, a dynamic model of fouling is presented to predict the crystallization of calcium carbonate and magnesium hydroxide inside the condenser tubes of Once-Through Multistage Flash (MSF-OT) desalination process. The model considers the combination of kinetic and mass diffusion rates taking into account the effect of temperature, velocity and salinity of the seawater. The equations for seawater carbonate system are used to calculate the concentration of the seawater species. The effects of salinity and temperature on the solubility of calcium carbonate and magnesium hydroxide are also considered. The results reveal an increase in the fouling inside the tubes caused by crystallization of CaCO3 and Mg(OH)2 with increase in the stage temperature. The intake seawater temperature and the Top Brine Temperature (TBT) are varied to investigate their impact on the fouling process. The results show that the (TBT) has greater impact than the seawater temperature on increasing the fouling.

Le talc naturel est utilisé en tant que charge de haute performance des matrices polymères, car il permet d'améliorer leurs propriétés mécaniques. Pour cela, la dispersion de la charge dans la matrice doit être de qualité, ce qui implique que les particules soient nanométriques. Or, obtenir des particules nanométriques par broyage s'avère coûteux énergétiquement et économiquement. L'étude d'une opération de précipitation a conduit à la synthèse de silicate de magnésium amorphe constitué de particules primaires nanométriques. L'analyse de surface du solide par chromatographie gazeuse inverse a été employée afin de prédire les interactions entre le solide et la matrice polymère. La constante d'équilibre du solide amorphe et les vitesses de cristallisation ont pu être identifiées après modélisation des équilibres chimiques. / Natural talc is used as an high performance filler in polymer matrices because it enables to improve mechanical properties. In order to improve these properties, a good-quality dispersion of the filler in the polymer matrix is necessary, that involves particles being nano-sized. However, getting nano-sized particles by milling processes is expensive and very energetic. The study of a precipitation operation has led to the synthesis of amorphous magnesium silicate whose primary particles are nano-sized. Solid surface analysis by inverse gas chromatography has been made in order to predict interactions between solid and polymer matrix. Equilibrium constant of amorphous solid and crystallization rates have been identified after modelling of chemical equilibria.

La réduction des apports phosphorés des eaux usées régie par la Directive Européenne de 1991 (91/271/EEC) est considérée comme le facteur clé de la lutte contre la pollution des rivières et des lacs. Ces travaux concernent exclusivement l'étude de la formation maîtrisée de struvite (MgNH4PO4.6H2O) par précipitation comme alternative originale de récupération du phosphore et, par voie de conséquence, de l'ammonium à partir d'eaux usées. Un atout de ce procédé concerne la valorisation du précipité en tant que fertilisant. Dans ce contexte général, l'objectif consiste à développer une démarche combinant des aspects expérimentaux et de modélisation de la précipitation de la struvite. Un effluent synthétique contenant du phosphore, du magnésium et de l'ammonium a servi de solution modèle pour étudier le rôle de la température, de la concentration en réactifs, et du pH sur l'efficacité de la précipitation de la struvite ainsi que sur la distribution de la taille des cristaux obtenus. Les essais expérimentaux ont été réalisés par précipitation en cuve agitée. Diverses méthodes d'analyse des phases solide et liquide (spectrophotométrie, absorption atomique, granulométrie laser, MEB et Morphométrie) ont été utilisées. Le dosage du magnésium, ainsi que celui d'ammonium et du phosphore permet de déterminer le taux de conversion de ces composés et d'étudier une éventuelle formation d'un sous-produit. L'approche développée dans ce mémoire permet de déterminer les conditions de pH et de température favorisant l'efficacité maximale pour la récupération de la struvite. Deux voies complémentaires ont été proposées. La première étape concerne la modélisation des équilibres chimiques, d'une part, pour calculer le taux de conversion du phosphate final en fonction du pH à l'équilibre pour plusieurs températures et, d'autre part, pour évaluer l'impact de la température sur la constante de solubilité de la struvite. La stratégie numérique implique un algorithme génétique (NSGA II) pour initialiser efficacement un algorithme de résolution classique (Newton Raphson) et garantir la robustesse de la procédure. Dans la seconde étape, un modèle numérique basé sur un bilan de population couplé avec le modèle thermodynamique prédit la distribution de taille des particules,. Cette approche s'est avérée particulièrement stable d'un point de vue numérique lors du calcul des paramètres des vitesses de nucléation et de croissance, utilisés ensuite pour prédire la distribution de taille à l'aide d'une méthode de reconstruction. La forme de la distribution de taille des cristaux obtenue est typique d'un modèle nucléation – croissance. La méthodologie proposée trouve tout son intérêt pour traiter des effluents de qualité variable et prédire l'efficacité du procédé dans lequel le contrôle du pH et de la sursaturation constituent des paramètres clés. / The reduction of phosphorus contribution in wastewater, governed by the European directive of 1991 (91/271/EEC) is regarded as the key factor of the fight against pollution of rivers and lakes. This work concerns exclusively the study of the controlled struvite formation (MgNH4PO4.6H2O) by precipitation as an alternative removal of phosphorus and, consequently, of ammonium from waste-water discharges. The valorization of the precipitate as a fertilizer constitutes an asset of the process. In this general context, the objective consists in developing a methodology combining an experimental approach with struvite precipitation modelling. A synthetic effluent containing phosphorus, magnesium and ammonium was used as a model solution to study the role of temperature, concentration in reagents and pH on struvite precipitation efficiency as well as on particle size distribution in a stirred tank reactor. Various analysis methods of both solid and liquid phases (spectrophotometry, atomic absorption, laser granulometry, MEB and Morphology) were used. The residual concentration of magnesium, ammonium and phosphorus allows to determine the conversion rate of these compounds and to study a likely formation of a co-product. The proposed framework is based on a two-level modelling approach. The former level, based on an equilibrium prediction of the study system Mg-PO4-NH4, involves, on the one hand, the computation of the final conversion rate of phosphate as a function of equilibrium pH at different temperatures and, on the other hand, the temperature impact assessment on struvite solubility product. The numerical strategy implies a genetic algorithm (NSGA II) to initialize a traditional algorithm of resolution (Raphson Newton) and to guarantee the robustness of the process. In the second stage, a population balance-based model coupled with the thermodynamic one predicts the particle size distribution. This approach turns out to be particularly numerically stable for the identification of nucleation and particle growth kinetics parameters that are then used to predict the size distribution, typical of a nucleation - growth model, using a method of reconstruction. The proposed methodology is particularly interesting for the treatment of industrial waste-water discharges that may be of variable quality as well as for the prediction of the process efficiency for which pH control and supersaturation constitute key parameters.