Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

L’aluminium est un des éléments chimiques les plus abondants dans la croute terrestre. Il se présente sous sa forme oxydée, l’alumine (Al2O3). Ce dernier est produit grâce au procédé Hall et Héroult. Cette technique consiste à réduire l’alumine en aluminium en présence d’une source de carbone (anode) et de l’énergie électrique. À ce propos, l’anode en carbone est composée des quatre principales matières premières qui sont le coke de pétrole, le brai de houille, les mégots ainsi que les déchets crus et cuits. La qualité de l’anode en carbone est affectée par celles des matières premières. Dans ces dernières années, la qualité des matières premières utilisées s’est vue dégrader. Certains chercheurs ont proposé d’améliorer la qualité du brai et du coke en ajoutant des additifs chimiques. Cette amélioration a été bénéfique d’une manière générale pour la qualité de l’anode; mais, des études supplémentaires sont nécessaires pour les appliquer au niveau industriel. D’autres chercheurs ont mélangé deux types de coke avec des teneurs en soufre différentes. Ces études ont démontré qu’avec des anodes qui contiennent plus de coke à haute teneur en soufre, la densité de l’anode est plus élevée et la réactivité à l’air et au CO2 est plus basse. Mais, on ne peut pas utiliser trop de coke à haute teneur en soufre à cause des contraintes environnementales. Ces dernières années, un autre matériau a été proposé pour être utilisé comme matière première dans le but de remplacer une partie du coke de pétrole, ce matériau est le biocharbon. Il est connu que le biocharbon est un matériau fiable au coût de production et faible teneur en soufre. L’utilisation du biocharbon dans la recette de l’anode en carbone permettra de rendre l’anode plus respectueuse pour l’environnement est cela par la réduction des gaz à effet de serre (GES). A ce propos, plusieurs chercheurs ont étudié l’impact de l’utilisation du biocharbon dans l’anode. Ils ont observé une détérioration de l’ensemble des propriétés des anodes et cela a été expliqué par la faible densité (haute porosité) du biocharbon. Une seule étude a pu démontrer que le remplacement de 3% des particules très fines du coke par celles du biocharbon n’a pas pu dégrader la qualité de l’anode. L’interaction (mouillabilité) entre le brai et le biocharbon est une autre raison qui a permis de contribuer à la dégradation de la qualité des anodes. Cette interaction est due à la faible concentration des groupements fonctionnels riche en hétéroatomes sur la surface du biocharbon qui favorise une meilleure mouillabilité. Pour cela, une modification chimique est envisageable. Afin d’améliorer l’interaction du biocharbon avec le brai et de pouvoir l’utiliser dans la recette de l’anode comme matière première, une modification chimique du biocharbon a été effectuée. Dans ce projet l’objectif principal a été de réduire les émissions de GES tout en évitant la diminution de la qualité de l'anode en utilisant le biocharbon. La réalisation de ce projet a été faite à l’échelle laboratoire. Cette étude a été réalisée au sein de la Chaire de recherche sur les matériaux industriels CHIMI. A ce propos, cette étude a été répartie en trois sections. Dans la première section, trois échantillons de biocharbon, non modifiés, modifiés à l’aide de 3% d’un additif et modifiés à l’aide de 4% d’un additif ont été produits. Le pourcentage de coke remplacé par le biocharbon modifié ou non modifié été de 3 et 4%. L’effet de la modification sur les propriétés du biocharbon a été étudié. Premièrement, la caractérisation chimique a été effectuée à l’aide de la spectrométrie photoélectronique à rayons X (XPS) pour vérifier si des groupes fonctionnels ont été ajoutés à la surface biocharbon pendant la modification. Pour étudier l’influence de la modification du biocharbon sur les interactions biocharbon/brai, on a mesuré la mouillabilité des biocharbons non modifiés et modifiés par le brai de goudron de houille, qui est utilisé comme liant dans les anodes, à l’aide d’un essai de goutte-sessile. Par la suite, les anodes à l’échelle du laboratoire ont été produites et leurs densités avant et après cuisson, leurs résistivités électriques, les réactivités de l’air et du CO2 et leurs résistances à la flexion ont été mesurées. Les résultats ont montré que la modification biocharbon été efficace. Un certain nombre de nouveaux groupes chimiques de surface ont été ajoutés à la surface du biocharbon. Cela a amélioré la mouillabilité biocharbon/brai, affectant ainsi les propriétés de l’anode. Dans la deuxième section, l’effet du type de coke remplacé par du biocharbon sur la qualité de l’anode a été étudié. Trois types de cokes ont été utilisés; coke à haute teneur en soufre (CHTS), coke à basse teneur en soufre (CBTS) et le coke mélange. Le test XPS a démontré que le CHTS possède le plus de groupements fonctionnels riche en hétéroatomes ce qu’a lui donné une meilleure interaction avec le brai. Le pourcentage de coke qui a été substitué par du biocharbon modifié (modifié avec 3% d’additif) ou non modifié était de 3%. L’ensemble des propriétés des anodes qui contenaient du biocharbon non modifié ont été détériorés. Concernant les anodes qui contenaient 3% du biocharbon modifié (modifié avec 3% d’additif), une amélioration de toutes les propriétés a été observée en les comparants à celles où le biocharbon non modifiée a été utilisé. Les résultats de cette section ont montré que le biocharbon modifié peut remplacer 3% de chacun des trois types utilisés sans détériorer la qualité des anodes. Dans la troisième section, une modification chimique du biocharbon a été effectuée à l’aide de trois additifs (A(1), A(2) et A(3)) dans le but d’améliorer les interactions biocharbon-brai pour prévenir la détérioration de la qualité de l’anode. Les résultats de cette section ont montré que les interactions biocharbon-brai été améliorées lorsque le biocharbon a été modifié avec A(1) et A(3). Les anodes contenant du biocharbon modifié avec ces deux additifs avaient des propriétés similaires à celles de l’anode standard (c.-à-d. sans biocharbon). L’utilisation de l’additif A(2) n’a pas montré la même tendance. Dans ce projet, il faut faire une analyse économique et un choix. Premièrement, le biocharbon est moins cher que le coke calciné. En outre, la prise en compte de la taxe sur le carbone peut rendre l’utilisation du biocharbon plus attrayante si elle est appliquée par le gouvernement dans une région donnée. En outre, le remplacement partiel du coke de pétrole par du biocharbon réduit également les émissions de GES provenant de la calcination de la quantité de coke remplacée et de son transport.

Aluminum is one of the most abundant chemical elements in the earth’s crust. It occurs in oxidized form, alumina (Al2O3). It is produced through the Hall and Héroult process. This technique involves reducing alumina to aluminum in the presence of a source of carbon (anode) and electrical energy. In this regard, the carbon anode is composed of the four main raw materials which are petroleum coke, coal tar pitch, butts and green and baked rejects. The quality of the carbon anode is affected by the quality of the raw materials. In recent years, the quality of the raw materials has deteriorated. Some researchers have proposed to improve the quality of pitch and coke by adding chemical additives. This improvement was generally beneficial for the quality of the anode; but, further studies are needed to apply them in industry. Other researchers have mixed two types of coke with different sulphur contents. These studies have shown that with anodes that contain more high sulphur coke, the anode density is higher and the reactivity to air and CO2 is lower. But too much high sulphur coke cannot be used because of environmental constraints. In recent years, another material has been proposed for use as a raw material to replace part of the petroleum coke, which is biocoke. Biocoke is known to have a reasonable cost of production and its low sulphur content. The use of biocoke in the carbon anode recipe will make the anode more environmentally friendly by reducing the emission of greenhouse gases (GHGs). In this regard, several researchers have studied the impact of the use of biocoke in the anode. They observed a deterioration in all anode properties and this was explained by the low density (high porosity) of the biocoke. Only one study was able to show that the replacement of 3% of the very fine particles of the coke by those of the biocoke did not degrade the anode quality. The weak interaction (wettability) between pitch and biocoke is another reason that contributes to the degradation of anode quality. This is due to the low concentration of functional groups rich in heteroatoms on the surface of the biocoke that promotes better wettability. For this reason, a chemical modification will be helpful. In order to improve the interaction of biocoke with pitch and use it in the anode recipe as a raw material, a chemical modification of the biocoke was carried out. In this project, the main objective was to reduce GHG emissions while avoiding the reduction of anode quality by using biocoke. Before using biocoke in anodes, a chemical modification with different additives was performed. This project was carried out on a laboratory scale. This study was carried out in the frame of the Research Chair on Industrial Materials/Chaire de recherche sur les matériaux industriels (CHIMI). The study was divided into three sections. In the first section, three samples of biocoke, unmodified, modified with 3% and 4% of additive were produced. The percentage of coke replaced by modified or unmodified biocoke was 3% and 4%.The effect of the modification on biocoke properties has been studied. First, chemical characterization was performed using photoelectronic X-ray spectrometry (XPS) to verify if functional groups were added to the biocoke surface during the modification. In order to study the influence of biocoke modification on biocoke/pitch interactions, the wettability of biocoke by unmodified and modified coal tar pitch, which is used as a binder in anodes, was measured using a sessile drop test. Subsequently, laboratory-scale anodes were produced and their density before and after baking, electrical resistivities, air and CO2 reactivities, and bending strengths were measured. The results showed that the biocoke modification was effective. New surface chemical groups have been added to the biocoke surface. This improved biocoke/pitch wettability, affecting anode properties. In the second section, the effect of the type of coke replaced by biocoke on anode quality was studied. Three types of cokes were used: high sulphur coke (HSC), low sulphur coke (LSC) and coke mixture. The XPS analysis showed that HSC has the most functional groups rich in heteroatoms, which increased its interaction with pitch. The percentage of coke that was replaced with modified (modified with 3% additive) or unmodified biocoke was 3%. All the properties of anodes that contained unmodified biocoke were degraded. The properties of anodes that contained 3% of the modified biocoke (modified with 3% additive), had improved compared to the properties of those produced with unmodified biocoke. The results of this part of the project showed that the modified biocoke can replace 3% of each of the three coke types used without impairing anode quality. In the third section, a chemical modification of biocoke was carried out using three additives (A(1), A(2) and A(3)) in order to improve biocoke-pitch interactions to prevent deterioration of anode quality. Results from this part showed that biocoke-pitch interactions were improved when biocoke was modified with A(1) and A(3). Anodes containing biocoke modified with these two additives had similar properties to those of the standard anode (i.e. without biocoke). The use of additive A(2) did not have the same effect. This project requires an economic analysis and a choice. First, biocoke is cheaper than calcined coke. In addition, taking into account the carbon tax can make the use of biocoke more attractive if this tax is applied by the government in a given region. Also, the partial substitution of petroleum coke by biocoke also reduces GHG emissions from the calcination of the quantity of coke replaced by biocoke and its transport.