L'aluminium métallique est produit par électrolyse, où l'alumine et les anodes de carbone sont les principales matières premières de ce processus. L'anode de carbone est un matériau composite car elle est constituée de coke de pétrole calciné et de brai de houille comme liant. Le fait que ces matières premières ne soient pas renouvelables soulève des inquiétudes quant à la disponibilité de fournitures de haute qualité pour les besoins futurs de l'industrie de l'aluminium. De plus, la consommation de l'anode de carbone lors de l'électrolyse entraîne un rejet de CO₂ dans l'atmosphère. Ce CO₂ fossile est l'un des gaz à effet de serre contribuant au réchauffement climatique. Le liant goudron de houille est principalement composé d'hydrocarbures aromatiques polycycliques considérés comme cancérigènes et nocifs pour l'environnement. Les problèmes d'approvisionnement et la prise de conscience accrue de la nécessité de réduire l'empreinte carbone de l'industrie de l'aluminium ont motivé les chercheurs à rechercher des matériaux en carbone renouvelables et respectueux de l'environnement pour produire les anodes en carbone. La biomasse, comme les arbres, peut être transformée en bio-carbones par pyrolyse. Ce processus donne du biochar solide et de la bio-huile liquide. Les bio-carbones sont considérés comme des ressources en carbone renouvelables, abondantes et respectueuses de l'environnement. Ces deux produits sont des candidats intéressants pour remplacer les matières premières conventionnelles dans la production d'anodes. Cependant, les bio-carbones n'ont pas été largement étudiés en tant que matières premières pour les applications anodiques en raison de leurs caractéristiques différentes par rapport aux conventionnelles. L'objectif de cette thèse était d'utiliser le bio-brai comme liant pour remplacer le brai de houille dans la production d'anodes. Le premier défi était de trouver les paramètres de traitement thermique idéaux pour convertir la bio-huile en bio- brai. Pour cela, la température finale du traitement thermique et la vitesse de chauffage ont été ajustées avec précision pour produire un bio-liant capable d'interagir avec les particules de coke pendant l'étape de mélange. Le bio-brai a été utilisé pour remplacer le brai de houille dans les anodes à l'échelle du laboratoire. Nous avons pensé que la faible valeur de cokéfaction et la structure désordonnée du carbone du bio-brai détériorent les propriétés des anodes de bio-brai. Cependant, ces anodes présentaient des caractéristiques similaires à celles du brai de houille. La bonne adhérence entre le bio-brai et les particules de coke se traduit par un rétrécissement de volume uniforme dans les anodes cuites. Le rétrécissement de volume uniforme implique des distances plus courtes et un meilleur contact entre les agrégats de coke. Ceci a compensé l'effet négatif de la faible valeur de cokéfaction du bio-brai sur les propriétés finales de l'anode. Enfin, les performances électrochimiques des anodes bio-brai ont été évaluées dans une cellule d'électrolyse de laboratoire. Ces anodes ont montré une surtension légèrement inférieure et une meilleure mouillabilité avec l'électrolyte car elles ont montré une capacitance plus élevée par rapport aux anodes de brai de houille. Selon ces découvertes, l'utilisation de bio-brai comme liant pourrait non seulement produire des anodes de bonne qualité, mais elle pourrait également être bénéfique pour l'économie d'énergie pendant l'électrolyse. / Aluminum metal is produced by electrolysis, where alumina and carbon anodes are the main raw materials in this process. The carbon anode is a composite material as it is made of granular calcined petroleum coke and the coal-tar-pitch as a binder. The fact that these primary materials are nonrenewable raises the concerns about the availability of high-quality supplies for the future needs of the aluminum industry. In addition, consumption of the carbon anode during electrolysis results in discharging CO₂ to the atmosphere. This fossil CO₂ is one of the greenhouse gases which contributes to the global warming. The coal-tar-pitch binder is mainly composed of polycyclic aromatic hydrocarbons which are considered as carcinogenic and damaging for the environment. The supply issues and the increased awareness about the need to reduce the carbon-footprint of the aluminum industry motivated the researchers to look for renewable and environmentally friendly carbon materials to produce the carbon anodes. Biomass, such as trees, can be transformed to bio-carbons via pyrolysis. This process results in solid biochar and liquid bio-oil. Bio-carbons are considered as renewable, abundant, and environmentally friendly carbon resources. These two products are attractive candidate to replace the conventional raw materials in the anode production. However, bio-carbons were not extensively studied as raw materials for the anode applications due to their different characteristics comparing to the conventional ones. The focus of this theses was about the possibility of using the bio-pitch as a binder to replace the coal-tar-pitch in anode production. The first challenge was to find the ideal heat treatment parameters to convert the bio-oil to a thermoplastic pitch-like material. For that purpose, the final heat treatment temperature, and the heating rate were fine-tuned to produce a bio-binder able to interact with the coke particles during the mixing stage. The bio-pitch was used to completely replace the coal-tar-pitch in laboratory-scale anodes. The low coking value and the disordered carbon structure of the bio-pitch were believed to deteriorate the properties of the bio-pitch anodes. However, these anodes showed similar characteristics comparing to the coal-tar-pitch ones. The good adhesion between the bio-pitch and the coke particles results in a uniform volume shrinkage in the baked anodes. The uniform volume shrinkage implies shorter distances and better contact between the coke aggregates. This compensated the negative effect of the low coking value of the bio-pitch on the final anode properties. Finally, the electrochemical performance of the bio-pitch anodes was assessed in a laboratory electrolysis cell. These anodes showed slightly lower over potential and better wettability with the electrolyte as they showed higher capacitance comparing to the coal-tar-pitch anodes. According to these findings, using the bio-pitch as a binder not only could produce good quality anodes but it could also be beneficial for the energy saving during electrolysis.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/71115 |
| Date | 13 January 2022 |
| Creators | Hussein, Asem |
| Contributors | Darvishi Alamdari, Houshang |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xvii, 107 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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