Vitesse de dissolution de l’alumine

Les scientifiques qui ont étudié le mécanisme et la vitesse de dissolution de l’alumine sont nombreux depuis les cinquante dernières années. Le travail du Professeur Sverre Rolseth, en 1994, est une référence dans le domaine et son projet décrit le phénomène et les mécanismes de dissolution de l’alumine dans la cryolithe fondue. L’expérience était relativement semblable avec le projet RDCell et consistait à injecter une dose d’alumine dans un bain de cryolithe d’environ neuf kilogrammes. Outre le projet RDCell, il s’agit de l’expérience qui utilise le plus de cryolithe répertoriée dans la littérature. Un schéma du montage expérimental et des résultats des courbes de dissolution obtenues sont présentés à la figure 7.1.

Figure 7.1 : Montage expérimental et courbes de dissolution de Rolseth (1994)

Le montage expérimental de Rolseth et ses collègues est semblable sur de nombreux points à celui du projet RDCell, notamment parce qu’ils utilisent les techniques électroanalytiques et d’échantillonnage de bain pour mesurer la quantité d’alumine

dissoute. En analysant les courbes de dissolution présentées dans cet article, il est possible d’observer que le temps requis pour atteindre un pourcentage de dissolution de 90 % est d’environ deux à trois minutes. Ces résultats sont un peu plus élevés que ce qui a été observé dans le présent projet, mais se situent dans le même ordre de grandeur. La différence entre les résultats observés peut être due à la dimension du montage et aux différences dans les conditions d’opérations.

Les travaux de Welch et Kuschel [2007] sont fréquemment cités dans les articles dans le domaine de la dissolution de l’alumine. Au milieu des années 2000, ils ont effectué une série d’expériences dans un creuset de 10 cm de diamètre avec environ un kilogramme de bain électrolytique afin de déterminer l’impact de certaines caractéristiques de l’alumine sur son mécanisme de dissolution dans la cryolithe. Ils ont aussi mesuré la vitesse dissolution de l’alumine avec différentes méthodes, notamment avec la voltammétrie. Ils ont réussi à établir des courbes de dissolution d’alumine en injectant des doses qui représentent entre 0,7 % et 1,5 % massique d’alumine dans leur montage expérimental. Un schéma du montage expérimental et les résultats principaux de leur recherche sont présentés et à la figure 7.2.

Figure 7.2 : Montage expérimental et courbes de dissolution de Welch et Kuschel (2007)

Les résultats présentés sont très pertinents et plutôt similaires avec les mesures électriques mesurées dans le montage à petite échelle (figure 7.2). Il est possible d’observer l’injection d’une dose d’alumine « à dissolution rapide » d’environ 1 % massique nécessite à peu près 20 secondes avant d’atteindre un plateau à environ 90 % de dissolution. De son côté, l’alumine « à dissolution lente » atteint environ 70 % de dissolution en 100 secondes. Bien que certains éléments des montages expérimentaux soient différents (type de brassage, dimensions), les résultats de Welch et Kushel sont comparables avec les résultats obtenus avec la mesure de résistance utilisée dans le projet RDCell. La vitesse de dissolution obtenue dans le présent projet se situe entre les deux courbes présentées par Welch et Kuschel. Ces similitudes dans les résultats permettent d’affirmer que les résultats obtenus avec la méthode de la mesure de résistivité sont conséquents avec ce qui a déjà été mesuré et publié dans le domaine.

Une autre expérience, effectuée en 2009 par le chercheur Xianwen Wang, permet de comparer les vitesses de dissolution obtenues dans le cadre du projet RDCell. De son côté, il a utilisé une technique de voltammétrie avec disques rotatifs pour mesurer la concentration d’alumine dans le temps à la suite de l’injection de doses d’alumine de 1 %. Un schéma du montage expérimental et les résultats principaux de sa recherche sont présentés et à la figure 7.3.

Figure 7.3 : Montage expérimental et courbes de dissolution de Wang [2009]

Les mesures de vitesse de dissolution effectuées par Wang sont différentes de celles précédemment publiées par les deux groupes de chercheurs. Les conclusions de Wang énoncent que la vitesse de dissolution d’alumine dans le bain électrolytique est plus lente que ce que Welch et Rolseth avaient conclu. Les résultats de Wang sont donc différents des résultats obtenus dans le cadre du projet RDCell. La quantité de bain utilisé dans le montage de Wang n’est pas mentionnée dans l’article et pourrait être la cause principale qui expliquerait la différence dans la mesure de la vitesse de dissolution.

La comparaison des temps de dissolution pour les trois expériences comparées avec le montage RDCell est présentée au tableau 7.1.

Tableau 7.1 : Comparaison des temps de dissolution

Rolseth

(1994) Welch (2007) (2009) Wang RDCell Temps pour atteindre 75 %

de dissolution 90 s 10-30 s 120-420 s 30-50 s

Temps pour atteindre 90 %

de dissolution 180 s + de 20 s + de 600 s + de 60 s

Le tableau permet de constater une grande disparité dans les résultats expérimentaux obtenus en ce qui concerne le temps de dissolution de l’alumine. La raison qui explique cet écart est la différence des montages expérimentaux. En effet, le mécanisme de dissolution et la vitesse de dissolution de l’alumine dépendent énormément des dimensions du montage expérimental utilisé. Par exemple, la quantité de l’injection d’alumine et l’aire de la surface du bain électrolytique ont un grand impact sur la vitesse de dissolution. Un rapport masse

de l’injection/surface du bain faible favorise une vitesse de dissolution rapide étant donné

que l’épaisseur de la croûte de gelée et la quantité d’alumine sur celle-ci est plus faible que lorsqu’un rapport élevé est observé. Il est donc difficile de comparer avec exactitude les vitesses de dissolution mesurées dans des montages expérimentaux différents. Cependant, la disparité entre les résultats expérimentaux souligne l’importance d’avoir un montage expérimental qui représente le plus fidèlement possible les dimensions et les conditions d’opérations d’une cuve industrielle.