Modification du brai

Les brais sont modifiés en ajoutant préalablement l’additif sélectionné dans une éprouvette, puis le brai, selon les concentrations présentées au tableau 4.2 pour une masse totale de 20 g. L’éprouvette est placée dans un socle de métal au centre d’une enceinte isolée, sous atmosphère d’azote (N2) afin de prévenir l’oxydation du brai au-delà du point de ramollissement (≈ 120 °C). L’enceinte est chauffée avec un pistolet thermique (Master Appliance corp. Model VT-750C). La température interne du brai est mesurée à l’aide d’un thermocouple relié à un thermomètre électronique (Fluke 52 II). Le système atteint une température de 170 °C en environ trois minutes, soit la température habituellement utilisée en industrie correspondant à 50 °C au-dessus du point de ramollissement. Puis la température est maintenue entre 170 et 190 °C pendant une minute durant l’agitation manuelle du mélange. Le tube est alors refroidi sous flux d’azote pendant environ cinq minutes afin d’abaisser le brai modifié sous le point de ramollissement. Lorsque le mélange est à température ambiante, l’éprouvette est cassée afin de récupérer le brai solide (exempt de verre). L’homogénéité du brai modifié est vérifiée par l’analyse FTIR. Des prélèvements du mélange en plusieurs endroits de l’éprouvette sont analysés pour chacun des additifs chimiques (Additif 1 (A1), Additif 2 (A2) et Additif 3 (A3)) ajoutés au Brai 1 (B1) selon une concentration c4, soit les brais modifiés : A1c4B1, A2c4B1 et A3c4B1 (tableau 4.2). La méthode de chauffage pour la modification du brai a aussi été appliquée aux brais non modifiés sans ajouter de tensioactifs ou d’agents de modification de surface de sorte que la

modification du brai n’influence pas la comparaison des brais non modifiés et modifiés. L’ensemble des brais modifiés a été caractérisé par l’analyse FTIR selon la méthode employée pour les brais non modifiés.

Tableau 4.2. Codification des différentes modifications des brais selon la concentration d’additif chimique employée.

Brai

Tensioactif ou agent de modification de surface

Additif A1 Additif A2 Additif A3

Concentration (% g/g) Concentration (% g/g) Concentration (% g/g)

c1 c2 c3 c4 c1 c2 c4 c1 c2 c3 c4

B1 A1c1B1 A1c2B1 A1c3B1 A1c4B1 A2c1B1 A2c2B1 A2c4B1 A3c1B1 A3c2B1 A3c3B1 A3c4B1

B2 A1c1B2 A1c2B2 A1c3B2 A1c4B2 A2c1B2 A2c2B2 A2c4B2 A3c1B2 A3c2B2 A3c3B2 A3c4B2

B3 A1c1B3 A1c2B3 A1c3B3 A1c4B3 A2c1B3 A2c2B3 A2c4B3 A3c1B3 A3c2B3 A3c3B3 A3c4B3

B4 A1c1B4 A1c2B4 A1c3B4 A1c4B4 A2c1B4 A2c2B4 A2c4B4 A3c1B4 A3c2B4 A3c3B4 A3c4B4

4.3.4. Analyse FTIR des brais modifiés

Les brais modifiés ont été caractérisés par FTIR selon la méthode employée pour les brais non modifiés. Dans cette étude, l’analyse FTIR permet de déterminer l’évolution de l’intensité des pics associés aux groupes fonctionnels sur les surfaces du brai modifiés par les additifs chimiques. Dans le but de déterminer si un brai est chimiquement modifié, l’absorbance mesurée du brai modifié est comparée à l’absorbance calculée du brai non modifié selon une moyenne pondérée. Par exemple, pour le brai modifié A1c2B3 mesuré, l’absorbance du brai B3 à une longueur d’onde donnée (λ) est additionnée à l’absorbance correspondante de l’additif A1 pur, A1c2B3 calculé, selon l’équation 4.2 :

Absorbance calculée pour A1c2B3 = ( ) ( ( ) ) (4.2) Ensuite, trois différents ratios ont été calculés, soit l’indice d’aromaticité (Ratio A), l’indice de substitution ortho (Ratio O) et l’indice de la présence d’hétéroatomes (Ratio H). Afin de pouvoir comparer l’ensemble des résultats, les bandes d’absorbances choisies doivent être

présentes sur l’ensemble des spectres. Le Ratio A représente l’absorbance des pics aromatiques (≈ 3050 cm-1_{) par rapport au total des pics aromatiques (≈ 3050 cm}-1

) et aliphatiques (≈ 2800 et 2990 cm-1_{). Le Ratio O correspond au rapport entre l’absorbance} des pics de la substitution ortho (≈ 750 cm-1) et l’ensemble des substitutions possibles (ortho, méta et para, soit entre ≈ 700 et 900 cm-1

). Pour le Ratio H, est le rapport entre l’absorbance des hétéroatomes et le total des pics aromatiques (≈ 3050 cm-1

) et aliphatiques (≈ 2800 et 2990 cm-1

). Les bandes entre 3400 et 3600 cm-1, autour de 1700 cm-1 et entre 1000 et 1400 cm-1 contiennent des hétéroatomes. Considérant qu’un même groupement chimique peut générer des pics dans plus d’une de ces régions, seule une de ses bandes doit être sélectionnée dans le calcul du Ratio H. En comparant les résultats pour les différentes bandes, les pics entre 3400 et 3600 cm-1 et autour de 1700 cm-1 ne permettent pas de les mettre en corrélation avec les résultats obtenus pour les tests goutte-sessile. La bande sélectionnée, contenant des hétéroatomes, pour le calcul du Ratio H est donc comprise entre 1000 et 1400 cm-1. Le Ratio H est obtenu en effectuant le rapport de l’absorbance des hétéroatomes sur la majorité des carbones présents dans le brai, soit les aromatiques et les aliphatiques. Ces ratios ont été calculés selon les équations suivantes :

Ratio A : (4.3)

Ratio O : (4.4)

Ratio H : (4.5) Les ratios sont obtenus pour l’ensemble des brais non modifiés, des brais modifiés, ainsi que des brais non modifiés incluant les additifs chimiques purs correspondant à différentes modifications effectuées (tableau 4.2). Les résultats des brais modifiés mesurés

expérimentalement, pour chacun des ratios, sont comparés avec les ratios calculés du brai non modifié et de l’additif associé. Une différence significative entre les absorbances mesurées et calculées implique une modification de la structure chimique. Le changement de la composition chimique du brai signifie que la surface du brai est modifiée. Conséquemment, la modification du brai indique la présence possible de nouvelles fonctions chimiques en surface pouvant améliorer l’interaction entre le brai modifié avec le coke.

4.3.5. Test goutte-sessile

La compatibilité entre le brai et le coke a été étudiée à l’aide de la méthode goutte- sessile. Tel que mentionné, les agrégats secs qui entrent dans la composition de l’anode sont constitués de coke de pétrole frais, de mégot et de rejets d’anode crus et cuits. Toutefois, les impuretés contenues dans le mégot ne peuvent être maintenues constantes affectant par le fait même la composition des rejets d’anode. Par conséquent, seul le coke est employé afin de diminuer l’influence des impuretés sur les résultats des tests. Les expérimentations goutte-sessile sont réalisées avec le système expérimental développé à l’UQAC tel que décrit par Sarkar et al. [5]. La méthode consiste à compacter la poudre de coke dans le creuset d’échantillon pour former un lit de coke dont la surface est lisse. L’échantillon de brai solide (non modifié ou modifié) est placé dans la chambre d'injection. Cette chambre a un petit trou au fond et est placée juste au-dessus de l'échantillon de coke au cours de l'expérience. Les expériences ont été conduites sous atmosphère d'azote (N2). Une ligne de N2 est reliée à la chambre d'injection. La pression de cette ligne est supérieure à celle du système afin de pressuriser légèrement la chambre. L’ouverture de la valse reliée à cette ligne force la sortie d’une goutte de brai liquide vers l'échantillon solide. Les

expériences de goutte-sessile ont été effectuées à 170 °C. La goutte de brai fondu est déposée directement sur le substrat de coke en tournant la chambre d’injection selon la position du trou. Une vidéo de la goutte est captée jusqu’à l’obtention d’un mouillage total. Le système peut capturer des images statiques et dynamiques. Pour mesurer l'angle de contact, le logiciel FTA 32 est utilisé. Pour chaque expérience, l'angle de contact a été pris comme la moyenne des angles mesurés sur deux côtés de la goutte. Chaque expérience a été répétée deux fois et le résultat final représente la moyenne de ces deux expérimentations. Quatre brais non modifiés différents et trois cokes différents ont été expérimentés à l’aide du système goutte-sessile. De même, plusieurs brais modifiés ont été étudiés avec, en totalité ou en partie, les trois cokes sélectionnés. La mouillabilité des échantillons dépend de l’interaction entre le brai en contact avec la surface des particules de coke. Une amélioration de la mouillabilité grâce à un additif chimique pour l’ensemble des brais ayant une composition chimique différente avec plusieurs cokes de nature différente signifie une amélioration possible pour l’ensemble des brais reçu par l’industrie.

4.4. Résultats et discussion