Caractérisation de la taille des particules et qualité du produit lors de la production de particules fines et de nanoparticules par un procédé de broyage en voie humide, Particle sizing and product quality in production of fine and nano particles by means of wet grinding process

Muhammad Asif Inam

Description

Sous la direction de Christine Frances
Thèse soutenue le 10 mai 2010: INPT
Le procédé de broyage en voie humide est une opération intéressante permettant la production de particules fines ou de nanoparticules. La caractérisation de la taille des particules est une donnée essentielle pour l'interprétation des données, le contrôle et l'optimisation de ces procédés selon divers aspects. Il y a un manque de connaissances relatif à la caractérisation de la taille de particules en relation avec les procédés de broyage en voie humide. Cette caractérisation est spécifique pour différentes raisons. (i) Les dispersions traitées par broyage contiennent souvent des impuretés et (ou) des additifs. Nous savons assez peu comment les impuretés et les additifs influencent la taille des particules en suspension dans ces procédés. (ii) Lors de procédés de broyage en voie humide, des dispersions de différentes concentrations peuvent être utilisées. Il est important de savoir comment la concentration de la dispersion peut influencer la mesure de la taille des particules lors du procédé. (iii) La modification de la taille moyenne des particules, résultant de leur fragmentation, est rapide. (iv) Le degré de polydispersité dans le produit change au cours du temps. (v) La nature des interactions entre les particules change; avant broyage les particules sont non-colloïdales, elles le deviennent après un certain temps d'opération. De même, il y a un manque de connaissances permettant de comprendre comment la qualité du produit broyé final est affectée lors du broyage. Dans cette étude nous explorons plusieurs aspects de la caractérisation de taille et de la qualité du produit au cours d'un procédé de broyage en voie humide du CaCO3, réalisé à l'aide d'un broyeur à billes agité. La spectroscopie acoustique qui est une technique connue pour ses potentialités en matière de caractérisation de taille de dispersions en ligne, sous des conditions réelles de procédés et sans nécessiter une dilution des échantillons, a été utilisée dans cette étude en complément de la diffusion dynamique de la lumière. Ce travail a montré sous quelles conditions les effets des impuretés et des additifs etc. sur la taille des particules en suspension pouvaient être déterminés par spectroscopie acoustique. De plus, nous avons comparé et analysé les résultats des mesures de taille obtenus avec les deux techniques. Les différences observées ont été analysées. Nous avons montré que la diffusion multiple observée à forte concentration en solide lors des procédés de broyage en voie humide pouvait conduire à une mauvaise interprétation des résultats relatifs à la taille des particules. En outre, la qualité est un concept relatif. Dans ce travail, nous avons adopté une démarche pour mesurer les effets de différents paramètres sur les caractéristiques du produit broyé en se basant sur une définition de la qualité telle que dans la norme ISO 9000 :2005. La démarche a permis de prendre en compte différents paramètres opératoires importants (tels que les conditions de fonctionnement du broyeur, la mesure de la taille des particules et les propriétés du matériau), ainsi que différentes propriétés caractéristiques du produit (comme la taille moyenne des particules, la largeur de la distribution de taille, la stabilité de la dispersion, le taux d'impuretés, l'énergie spécifique apportée au système et l'apparence visuelle du produit). Nous avons montré que nous pouvions établir une relation entre les paramètres opératoires et différentes qualités de produits obtenus par un procédé de broyage en voie humide.
-Broyeur à billes agité
-Colloïdes
-Diffusion dynamique de la lumière
-Impuretés
-Particules fines et nanoparticules
-Procédé de broyage en voie humide
-Qualité du produit et spectroscopie acoustique
Wet grinding process is an interesting means of producing fine and nano particles. The particle sizing plays an important role in interpretation, control and optimization of various aspects of the wet grinding process. There is a lack of knowledge in understanding different aspects of particle sizing during a wet grinding process. The particle sizing in a wet grinding process is typical in the sense: (i) The dispersions in a wet grinding process, often, involve additives and (or) impurities. It is less known how impurities and additives influence the particle size of the dispersions in the wet grinding process. (ii) In a wet grinding process, dispersions of different concentrations may be used. It is less known how dispersions of different concentration may influence the particle sizing in a wet grinding process. (iii) In a wet grinding process, the change in average particle size of the product is rapid due to relatively fast breakage of the particles. (iv) The degree of poly dispersity in product changes with grinding time. (v) The nature of interaction between particles is non-colloidal before grinding process; this interaction becomes colloidal after a certain grinding time. Similarly, there is a lack of knowledge to understand how quality of final ground product is influenced in a wet grinding process. This study investigates the different aspects of particle sizing and product quality of aqueous dispersions of CaCO3 in a wet grinding process carried out in a stirred media mill. Acoustic attenuation spectroscopy that is known for measuring particle size of dispersions on line, under real process conditions and without diluting the sample has been employed in the study in addition to the technique of dynamic light scattering. The study brings out the conditions in which the effects of impurities and additives etc. on particle size of the dispersions may be determined using acoustic attenuation spectroscopy. Furthermore, the study compares and analyze the particle sizing results obtained though acoustic attenuation spectroscopy and dynamic light scattering. The causes of differences in the results of two techniques have been investigated. We report presence of multiple scattering at high concentration of the dispersions during wet grinding process that result in misleading results of the particles sizes. Quality is an intangible concept. In order to understand how different operating parameters influence product quality, we propose a method based upon the definition of quality as defined in ISO 9000:2005. The method takes into consideration the important operating parameters of wet grinding process (such as the operating condition of the mill, the measurement of particle size and the material) and important product characteristics ( such as average particle size, range of width of particle size distribution, stability of dispersion, degree of impurities, specific energy input and physical appearance). We bring out how a relationship between operating parameters and products of different grades may be established in a wet grinding process.
-Acoustic attenuation spectroscopy
-Colloids
-Dynamic light scattering
-Fine and nano particles
-Impurities
-Product quality
-Stirred media mill and wet grinding process
Source: http://www.theses.fr/2010INPT0028/document

Sujets

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Extrait

Dedicated to my parents






















ii Acknowledgements


First and foremost, I would like to thank the supervisor of my thesis, Dr. Christine FRANCES deep
from my heart for her valuable guidance, great help and dedicated support on this study.
I am quite grateful to Higher Education of Pakistan for the scholarship that permitted me to undertake
this study.
I am grateful for kind help and administrative support of “Société française d'exportation des
ressources éducatives (SFERE)” for my studies in France.
I would like to thank my colleagues Madam Mallorie TOURBIN, Madam Sylvie SHETRITE and Mr.
Soualo OUATTARA for their kind support in different aspects of my work.
I cannot forget to thank technical and administrative teams of Laboratoire de Génie Chimique, for their
untiring and steady support in the laboratory.
I would also like to thank to my father (late), mother, my brothers & sister for their endless love and
constant support throughout my academic career.











Muhammad Asif Inam





iii Abstract

Wet grinding process is an interesting means of producing fine and nano particles. The particle sizing
plays an important role in interpretation, control and optimization of various aspects of the wet
grinding process. There is a lack of knowledge in understanding different aspects of particle sizing
during a wet grinding process. The particle sizing in a wet grinding process is typical in the sense: (i)
The dispersions in a wet grinding process, often, involve additives and (or) impurities. It is less known
how impurities and additives influence the particle size of the dispersions in the wet grinding process.
(ii) In a wet grinding process, dispersions of different concentrations may be used. It is less known
how dispersions of different concentration may influence the particle sizing in a wet grinding process.
(iii) In a wet grinding process, the change in average particle size of the product is rapid due to
relatively fast breakage of the particles. (iv) The degree of poly dispersity in product changes with
grinding time. (v) The nature of interaction between particles is non-colloidal before grinding process;
this interaction becomes colloidal after a certain grinding time. Similarly, there is a lack of knowledge
to understand how quality of final ground product is influenced in a wet grinding process. This study
investigates the different aspects of particle sizing and product quality of aqueous dispersions of
CaCO in a wet grinding process carried out in a stirred media mill. Acoustic attenuation spectroscopy 3
that is known for measuring particle size of dispersions on line, under real process conditions and
without diluting the sample has been employed in the study in addition to the technique of dynamic
light scattering. The study brings out the conditions in which the effects of impurities and additives
etc. on particle size of the dispersions may be determined using acoustic attenuation spectroscopy.
Furthermore, the study compares and analyze the particle sizing results obtained though acoustic
attenuation spectroscopy and dynamic light scattering. The causes of differences in the results of two
techniques have been investigated. We report presence of multiple scattering at high concentration of
the dispersions during wet grinding process that result in misleading results of the particles sizes.
Quality is an intangible concept. In order to understand how different operating parameters influence
product quality, we propose a method based upon the definition of quality as defined in ISO
9000:2005. The method takes into consideration the important operating parameters of wet grinding
process (such as the operating condition of the mill, the measurement of particle size and the material)
and important product characteristics ( such as average particle size, range of width of particle size
distribution, stability of dispersion, degree of impurities, specific energy input and physical
appearance). We bring out how a relationship between operating parameters and products of different
grades may be established in a wet grinding process.
Key words: Acoustic attenuation spectroscopy, colloids, dynamic light scattering, fine and nano
particles, impurities, product quality, stirred media mill and wet grinding process.
iv Résumé (abstract in French)


Le procédé de broyage en voie humide est une opération intéressante permettant la production de
particules fines ou de nanoparticules. La caractérisation de la taille des particules est une donnée
essentielle pour l’interprétation des données, le contrôle et l’optimisation de ces procédés selon divers
aspects. Il y a un manque de connaissances relatif à la caractérisation de la taille de particules en
relation avec les procédés de broyage en voie humide. Cette caractérisation est spécifique pour
différentes raisons. (i) Les dispersions traitées par broyage contiennent souvent des impuretés et (ou)
des additifs. Nous savons assez peu comment les impuretés et les additifs influencent la taille des
particules en suspension dans ces procédés. (ii) Lors de procédés de broyage en voie humide, des
dispersions de différentes concentrations peuvent être utilisées. Il est important de savoir comment la
concentration de la dispersion peut influencer la mesure de la taille des particules lors du procédé. (iii)
La modification de la taille moyenne des particules, résultant de leur fragmentation, est rapide. (iv) Le
degré de polydispersité dans le produit change au cours du temps. (v) La nature des interactions entre
les particules change; avant broyage les particules sont non-colloïdales, elles le deviennent après un
certain temps d’opération. De même, il y a un manque de connaissances permettant de comprendre
comment la qualité du produit broyé final est affectée lors du broyage. Dans cette étude nous
explorons plusieurs aspects de la caractérisation de taille et de la qualité du produit au cours d’un
procédé de broyage en voie humide du CaCO3, réalisé à l’aide d’un broyeur à billes agité. La
spectroscopie acoustique qui est une technique connue pour ses potentialités en matière de
caractérisation de taille de dispersions en ligne, sous des conditions réelles de procédés et sans
nécessiter une dilution des échantillons, a été utilisée dans cette étude en complément de la diffusion
dynamique de la lumière. Ce travail a montré sous quelles conditions les effets des impuretés et des
additifs etc. sur la taille des particules en suspension pouvaient être déterminés par spectroscopie
acoustique. De plus, nous avons comparé et analysé les résultats des mesures de taille obtenus avec les
deux techniques. Les différences observées ont été analysées. Nous avons montré que la diffusion
multiple observée à forte concentration en solide lors des procédés de broyage en voie humide pouvait
conduire à une mauvaise interprétation des résultats relatifs à la taille des particules. En outre, la
qualité est un concept relatif. Dans ce travail, nous avons adopté une démarche pour mesurer les effets
de différents paramètres sur les caractéristiques du produit broyé en se basant sur une définition de la
qualité telle que dans la norme ISO 9000 :2005. La démarche a permis de prendre en compte différents
paramètres opératoires importants (tels que les conditions de fonctionnement du broyeur, la mesure de
la taille des particules et les propriétés du matériau), ainsi que différentes propriétés caractéristiques du
produit (comme la taille moyenne des particules, la largeur de la distribution de taille, la stabilité de la
dispersion, le taux d’impuretés, l’énergie spécifique apportée au système et l’apparence visuelle du
v produit). Nous avons montré que nous pouvions établir une relation entre les paramètres opératoires et
différentes qualités de produits obtenus par un procédé de broyage en voie humide.
Mots clés : Broyeur à billes agité, colloïdes, diffusion dynamique de la lumière, impuretés, particules
fines et nanoparticules, procédé de broyage en voie humide, qualité du produit et spectroscopie
acoustique.

































vi Table of contents


Acknowledgements.......................................................