Les procédés utilisant la catalyse hétérogène1 nécessitent la conception et le développement de matériaux innovants, aux propriétés mécaniques et texturales contrôlées, pour réaliser des supports de catalyseurs efficaces. En effet, la microstructure poreuse de ces supports est déterminante dans la performance du catalyseur supporté, puisqu’elle affecte fortement la résistance mécanique du support et les phénomènes de transferts impliqués. La fabrication industrielle de supports aluminiques appelés « extrudés » est mise en œuvre suivant un procédé de malaxage-extrusion, qui vise à passer d’un précurseur d’alumine sous forme de poudre (la boehmite) à des solides micrométriques.
Ce procédé de mise en forme permet d'optimiser les propriétés d’intérêt du support en jouant sur les conditions de chacune des deux opérations unitaires.
Une étude expérimentale menée dans le cadre d’une thèse en cours2 a porté exclusivement sur l’opération de malaxage, en vue de caractériser ses effets sur les propriétés de pâtes de boehmite [1, 2]. Pour cela, plusieurs pâtes ont été préparées dans un malaxeur pilote (illustré Figure 1), en mélangeant de la poudre de boehmite et des solutions aqueuses acides et basiques. Les propriétés texturales et mécaniques des pâtes ainsi obtenues ont été étudiées en fonction de la durée de malaxage (de 3 min à 4 h), de la vitesse de rotation des bras (de 10 à 100 tr/min) et de la composition de la pâte (pH résultant de 5 à 9, modulé par ajout de solutions basiques à différentes concentrations). La distribution des tailles des pores, la surface spécifique et le volume poreux ont été analysés par physisorption d’azote et par porosimétrie au mercure sur des échantillons séchés, tandis que les propriétés mécaniques ont été caractérisées in-situ dans le malaxeur par une simple mesure du couple de malaxage.
(b) Photo d’une pâte de boehmite à pH = 6,2, prise hors du malaxeur.
Les résultats obtenus montrent que la composition de la pâte contrôle fortement les propriétés des échantillons. C’est ainsi que l’on observe une augmentation du couple mesuré dans le malaxeur, ainsi que de la porosité de la pâte séchée (Figure 2) pour les compositions au pH plus élevé. De plus, l'évolution temporelle du couple mais aussi celle des propriétés texturales des supports est régie par la déformation cumulée, grandeur calculée comme le produit de la vitesse de rotation et du temps de malaxage et homogène à un nombre de tours subis par la pâte. Enfin, il s’avère qu’un paramètre pertinent pour rationaliser l’évolution de ces propriétés texturales - telles que mesurées pour une large gamme de pH, de durée de malaxage et de vitesse de rotation - est le produit de cette déformation cumulée par le pH de la pâte.
Cette étude, dédiée à la caractérisation des effets du malaxage sur les propriétés texturales et mécaniques des pâtes de boehmite, a permis d’identifier distinctement l’influence acido-basique de leur composition et la contribution mécanique du malaxeur. L’identification d’un paramètre de contrôle unique (produit de la déformation et du pH de la pâte) permettra, à l’échelle du laboratoire, de savoir exactement quelles conditions opératoires de malaxage appliquer pour fabriquer une pâte de porosité choisie. Ce résultat s’avère donc intéressant pour le développement de nouveaux catalyseurs hétérogènes innovants. Enfin, la suite de ce travail consistera à caractériser ex-situ les propriétés mécaniques des pâtes avec des techniques telles que la rhéométrie, l’indentation et la compression, afin de caractériser plus rigoureusement l’effet du malaxage sur les propriétés mécaniques de pâtes de boehmite.
1- Tels que les procédés d’hydrotraitements ou de reformage catalytique.
2- Thèse de Mathilde Auxois, Identification et étude de descripteurs du malaxage d’une pâte de boehmite pour la conception de nouveaux solides.
Références :
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Mathilde Auxois, Marine Minière, Chloé Bertrand-Drira, Fabien Salvatori, Jan Verstraete, Sébastien Manneville, Thibaut Divoux, Tuning properties of catalysts supports via kneading conditions of colloidal pastes, European Colloid and Interface Society congres, 2023
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Mathilde Auxois, Marine Minière, Chloé Bertrand-Drira, Fabien Salvatori, Jan Verstraete, Sébastien Manneville, Thibaut Divoux, Textural properties of dense granular pastes produced by kneading, arXiv:2402.09220
Contacts scientifiques : mathilde.auxois@ifpen.fr et marine.miniere@ifpen.fr