Méthode de caractérisation des échantillons

3.3.1 Préparation des échantillons

Les dépôts prélevés en industrie et dans les cellules de laboratoire sont entreposés dans une boîte à gants sous atmosphère d’argon afin de réduire la dégradation. Les échantillons industriels ont été prélevés dans le talus, dans le pied de talus et à la surface du bloc cathodique. La figure 3.6 représente une cellule industrielle avant son autopsie.

Figure 3.6 Surface d’une cellule d’électrolyse industrielle avant l’autopsie

Dépôts de surface (mince)

Les techniques d’échantillonnage varient selon la forme du dépôt. Les dépôts de surface sont prélevés, entre autres, par carottage. Lorsque ces dépôts sont présents sur une grande superficie, il est aussi possible de prélever un morceau de bloc de carbone avec son interface pour faire une étude de surface. Cette méthode d’échantillonnage permet de conserver l’intégralité de l’interface carbone-dépôts et elle facilite l’analyse des échantillons par microscope. L’interface bloc-dépôt est caractérisée par microscopie optique et par microscopie à balayage électronique (MEB). Par la suite, le bain au-dessus du bloc est séparé et il est broyé. La poudre est caractérisée par DRX et analyse élémentaire pour en connaître la composition.

Dépôts de pied de talus

Les dépôts de pied de talus sont carottés ou cassés en morceaux. L’orientation et la position des dépôts dans la cellule d’électrolyse sont systématiquement notées. Toutefois, le pied de talus ne se prête pas bien à l’échantillonnage par carotteuse puisque ses propriétés le rendent très difficile à extraire avec cet équipement. La présence d’aluminium dans ces dépôts semble faire glisser les dents de la scie-cloche et celle-ci a tendance à se briser rapidement, rendant

par conséquent l’échantillonnage par cette méthode très couteux. Les échantillons de boue et de talus sont prélevés de façon similaire au pied de talus. Les dépôts épais sont coupés en plusieurs tranches à l’aide d’une scie à diamant. L’épaisseur de chaque tranche est notée et les tranches sont ensuite broyées avant d’être caractérisées. Cette poudre est caractérisée par DRX et analyse élémentaire pour en connaître la composition.

3.3.2 Microscopie optique

Les images des différents échantillons ont été prises à partir d’un stéréomicroscope de marque Leica© _{et de modèle MZ FLIII. Le microscope permet un zoom de 8x à 100x avec un objectif} 1,0x et des oculaires 10x. Le modèle de la caméra numérique de marque Leica© _{est DC300. La} résolution maximum est de 3,15 millions de pixels et le ratio largeur-hauteur est 4:3.

Cet appareil est utilisé pour observer et mesurer les interfaces des échantillons de talus, de pied de talus et de dépôts à la surface cathodique. Certains échantillons particuliers sont aussi observés afin de visualiser leurs morphologies. Il s’agit d’une étape préliminaire aux analyses de microscope à balayage électronique et de spectroscopie par dispersion d’énergie. Les surfaces des échantillons analysés par cet appareil ont été tranchées par une scie à diamant de laboratoire.

3.3.3 Microscopie à balayage électronique et spectroscopie par dispersion d’énergie Le microscope à balayage électronique (MEB) utilisé pour analyser la surface des échantillons est fabriqué par Hitachi© _{et le modèle est le S-4700. L’environnement de travail est sous vide} partiel, la tension d’accélération est de 20 kV et l’intensité du rayon est de 10 µA. La distance de travail est de 12 mm. Le module d’analyse dispersive en énergie (EDS) est de la compagnie Oxford Instruments et le modèle est X-Max 50 mm2_{. Certaines images ont été prises par un} MEB provenant aussi d’Hitachi©_{, mais de modèle S-3000N. Ce dernier est utilisé uniquement} pour effectuer des comptes statistiques des diamètres de particules.

3.3.4 Diffraction des rayons X et détection du calcium par fluorescence X

Les échantillons de dépôts broyés ont été placés dans un porte-échantillon rotatif à 1 s-1_{. Ils ont} été analysés par un diffractomètre X'Pert PRO MPD en utilisant la raie du Cu Kα (longueur d’onde = 1,5406 Å) et par un détecteur XRF POTFLUX CHANNEL pour la mesure du calcium total. Les données de diffraction ont été collectées à l’aide d’un détecteur PIXcel1D muni d’un filtre de nickel (0,0200 mm) à un 2θ entre 10 et 74° à chaque 0,0263° durant 0,12 s.

Un masque de 20 mm, une fente divergente de ¼°, une fente convergente de ½° et fente d’antidispersion de 7,5 mm ont été utilisés pour diriger le faisceau vers l’échantillon et ensuite vers le détecteur. Le voltage et l’intensité du générateur ont été fixés à 40 kV et 40 mA respectivement.

3.3.5 Analyse élémentaire de l’oxygène

Le bilan sur l’oxygène a été obtenu par l’appareil LECO TCH 600 calibré selon les normes de l’appareil. Les résultats DRX sont insuffisants pour déterminer la quantité d’alumine présente dans l’échantillon vu la fraction amorphe des échantillons. La mesure de l’oxygène permet d’estimer la quantité d’alumine totale en considérant que tout l’oxygène est provient de l’alumine. L’absence de phase cristalline contenant de l’oxygène, autre que l’alumine, tend à confirmer cette hypothèse.

3.3.6 Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)

Certains échantillons ont été analysés par calorimétrie différentielle à balayage dans l’objectif de vérifier les transitions de phases dans les échantillons. La majeure partie des tests a été menée avec un Netzsch DSC 404 F3 Pegasus. Les taux de chauffe et de refroidissement utilisés étaient de 10 °C/min. Les creusets utilisés pour les tests, menés avec l’appareil de Netzsch, étaient faits de graphite et un couvercle était déposé sur chaque creuset. Le couvercle contenait un petit évent pour empêcher que la pression augmente à l’intérieur du creuset. L’utilisation du couvercle a permis de réduire l’évaporation et de stabiliser les valeurs inscrites dans le thermogramme.

3.3.7 Analyse thermodifférentielle (DTA)

Certains tests ont été menés avec un appareil de Setaram modèle Setsys 24. Il a été utilisé pour faire de la thermogravimétrie (TG) en plus de l’analyse thermodifférentielle (DTA). Les creusets utilisés étaient ouverts et ils étaient fabriqués en platinum/rhodium 10 %. La vitesse de chauffe était ajustée à 10 °C/min.