EP2470305B1 - Procédé et système de valorisation de matériaux et / ou produits par puissance pulsée - Google Patents

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EP2470305B1
EP2470305B1 EP10729881.2A EP10729881A EP2470305B1 EP 2470305 B1 EP2470305 B1 EP 2470305B1 EP 10729881 A EP10729881 A EP 10729881A EP 2470305 B1 EP2470305 B1 EP 2470305B1
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EP
European Patent Office
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materials
grinding
discharges
reactor
electrodes
Prior art date
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EP10729881.2A
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German (de)
English (en)
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EP2470305A1 (fr
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Abdelaziz Bentaj
Nadir Ouayahya
Jean-Louis Clement
Marc Burey
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Xcrusher
Original Assignee
Xcrusher
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C19/00—Other disintegrating devices or methods
    • B02C19/18—Use of auxiliary physical effects, e.g. ultrasonic waves or irradiation, for disintegrating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C19/00—Other disintegrating devices or methods
    • B02C19/18—Use of auxiliary physical effects, e.g. ultrasonic waves or irradiation, for disintegrating
    • B02C2019/183—Crushing by discharge of high electrical energy

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for the recovery of materials and / or products by pulsed power.
  • the shredding of materials by electric shocks is a known method, having many advantages over conventional methods using mechanical shredders, where the wear of parts deteriorates the efficiency of the system.
  • the resistivity of the ambient liquid as well as the transient state of the material during the pulses causes the passage of charged electric arc channels inside the immersed material and between the grains of the said material, until the creation a single or multiple electric arc between the two electrodes and passing through said submerged material.
  • the passage of the electric arc through said material causes the dislocation of the grains at the points of discontinuity (cleavages, inclusions, fractures), at the inter-granular contacts, and the rupture of certain chemical bonds followed by the chemical recombination of the elements and molecules thus released into new compounds in phase equilibrium with the ambient environment.
  • An object of the invention is to propose a process for the recovery of materials and / or products with still improved pulsed power, in particular in terms of processing time and energy costs, and making it possible to obtain nanoscale materials with high efficiency and lower cost compared to the state of the art.
  • Another object of the invention is to allow a release of the constituent elements of the products and / or materials by fragmentation, sputtering, and if necessary electrokinetic and electrochemical separation, or even by chemical recombinations of some of these elements, without going through pyrometallurgical or heavy chemical and polluting processes.
  • the invention proposes a process for recovering materials by pulsed power in which a succession of electrical discharges is generated between at least two electrodes in a reactor receiving an ambient liquid as well as materials to be upgraded, characterized in that the succession of said electrical discharges produces, due to energy, the frequency of electric discharges, as well as due to the voltage between the electrodes and the switching time, a mechanical shock wave which propagates on the materials and / or products to in the reactor, and in that, when carrying out said method, said ambient liquid is cooled by a continuous cooling system or by carousel, said method for obtaining materials at the nanoscale.
  • the products and / or materials are subjected to a succession of electrical discharges whose energy, the voltage between the electrodes which generate them, the switching time and the discharge frequency are chosen such that said discharges perform a grinding of the material by direct effect of the electric discharges.
  • the method may further comprise a step of capturing the materials resulting from the grinding as a function of the diameter of the particles by the cooling system, said materials resulting from the grinding being in suspension in the ambient liquid.
  • This mechanical shock wave propagating in the reactor and, where appropriate, the complementary electric arc makes it possible to obtain fragmentation, separation, spraying of the materials and / or products to be treated, and promotes chemical recombination. of some constituents or molecules.
  • the invention also proposes a system adapted for the implementation of this method.
  • material and / or product any material or substance monophasic or multi-phase (solid, liquid, gas, vapor, ...), mono or multi-constituent, pure or composite, which may contain crystallization solids or amorphous; for example (non-exhaustive list): mineral, ore, waste or by-product of one or more activities, in particular industrial or human, any product to be subjected to a grinding operation, fragmentation, spraying, crushing, separation in its constituents, decontamination , valuation with as objective an increase in its value added, composite materials based on carbon fibers or resin and metals (titanium, steel, alloys).
  • the method and system described have particular application for obtaining irradiated diamond nanoparticles.
  • Such a method has the advantage of avoiding the use of moving mechanical parts (in the case of mechanical grinders), balls, bars or other wear parts (ball mills, bars, cones). This results in a reduction in the maintenance costs of this process compared to other processes.
  • Another advantage of this process is the non-use of highly toxic chemicals and inorganic reagents that are often required for the processing of ores.
  • Another advantage of this method is that the release, fragmentation, separation, spraying occur in very short times thanks to the switching time of the spark gaps which trigger the discharge of the capacitors which makes it possible to restore the energy stored in very short times (very high pulsed powers) to the reactor containing the products to be treated and / or valoriser, this for a very low overall energy consumption.
  • the products and / or materials are subjected to a succession of electric discharges whose energy, intensity, voltage between the electrodes that generate them, the times and discharge frequency are chosen such that said discharges perform a grinding of the material by direct effect of electric discharges (arcs).
  • the invention proposes a recovery system implementing such a method.
  • the polyfunctional system for the recovery of materials and / or products as represented on the figure 1 comprises several stages of reactors in series, in this case three.
  • stage 1 of mechanical shock wave treatment makes it possible to weaken by impact wave the materials and / or products to be upgraded.
  • the materials or products thus weakened are then fragmented and pulverized in a second time in stage 2 (direct effect of the electric arc).
  • Stage 3 is a drying stage.
  • Stage 1 - indirect effect - comprises two reactors in parallel, operating in an off-set cycle.
  • a reactor is activated (in this case R (1,1)) while the other (R (1,2)) is in the loading or unloading phase of materials and / or products.
  • the mechanical shock wave is generated in the operating reactor, by rapid discharge of electrical energy into the reaction medium (Newtonian or non-Newtonian ambient liquid).
  • the reactors R (1,1) and R (1,2) (Stage 1) comprise several pairs of electrodes, in this case three pairs of triaxial electrodes (E1, E'1), (E2, E ') 2), (E3, E'3) ( Figure 3 ).
  • Each pair is associated with a power supply module M1, M2, M3 high voltage and comprises on the one hand a multi-tip electrode E1, E2, E3 connected to the positive terminal of the high voltage electrical module M1, M2, M3 corresponding; the other electrode E'1, E'2, E'3 is flat and connected to the ground.
  • the distance between two electrodes (E1, E'1), (E2, E'2), (E3, E'3) of the same pair is chosen to be lower than the threshold distance to generate an electric discharge (threshold distance that depends the electrical breakdown field and the voltage applied between the anode and the cathode).
  • the ambient liquid which contains the materials to be treated and / or to be recovered is, for example, water whose phase change properties as a function of the electric voltage and the pulse duration are known. Any other Newtonian or non-Newtonian liquid of known or measurable resistivity can of course be used.
  • a low level NB and a high level NH between which the level of the liquid in the reactor must be.
  • the shape, the size of the reactors R (1,1) and R (1,2), as well as those of the electrodes, are chosen according to the intended application and the materials and / or products to be treated.
  • M1, M2, M3 power modules are used to store electromagnetic energy in load cells (capacitors and / or high performance coils: Marx generator). This energy is released in a circuit of electric discharge composed of a reactor (for grinding and processing of materials) and other components (resistors, coils, etc ...) through a very fast switching system (gaps with a switching time for example between 250 ns and 900 ns, preferably higher 500 ns).
  • the voltages between electrodes are of the order of several kilovolts.
  • the energy used for each reactor is of the order of 600 joules to 50000 joules, for example 600 to 12000 joules depending on the applications.
  • the operating frequency varies between 0.5 Hz and 5 Hz, varying according to the applications, for example between 1 and 2 Hz for certain applications, and between 2 and 5 Hz for other applications.
  • the dead time between two consecutive electric discharges varies between 200 ms and 1 s.
  • the generated mechanical shock wave CMO has a dominant effect during crushing, crushing, fragmentation, spraying and separation of the elements by mechanical compression on said materials and / or products to be treated.
  • the stirring induced by the pulses in the tank (reactor) causes a homogenization of the fragments by facilitating their separation.
  • This mechanical shock wave OCM is due to a succession of overpressures (compressions) and underpressures (relaxations) generated by the electric discharges through electrodes distanced.
  • the discharge of the electrodes in an aqueous medium produces an explosion and a hot plasma.
  • ⁇ is the density of the medium
  • c is the speed of the wave in the medium
  • s is the length of the arc channel generated
  • p is the pressure in the medium, which is given by the relation (equation 4):
  • p t p 0 e - t / ⁇ p 0 (equation 5) being the maximum value of the overpressure produced by the shock wave and ⁇ a time constant which depends on the electrical module.
  • p 0 1 s PCE 2 ⁇ ⁇
  • the electric arc passes through the liquid and passes through the materials and / or product to be valued.
  • the reactors R (2,1) and R (2,2) (Stage 2) comprise for this purpose each three pairs of tip / plane electrodes ( figure 2 ) (we can to increase the number of electrodes in order to amplify the effect of the electric discharge on the material and / or the product to be treated by also modifying the geometry of the reactor, for example: a polyhedron with a number of even faces, one face serves as anode and the other opposite serves as a cathode).
  • the electrical energy is stored in power supply modules M1, M2, M3 and then released in a discharge circuit via a super fast switching system with a switching time between 200 ns to 900 ns, the switches being able to vary according to the applications, with for example switching times between 200 ns and 500 ns, or between 250 ns and 900 ns.
  • the voltages between electrodes are of the order of several kilovolts.
  • the energy used for each reactor is of the order of 50 joules to 1000 joules, which can be of the order of 100 joules to 1000 joules for certain applications.
  • the operating frequency varies between 1 Hz and 40 HZ, which can vary between 1 Hz and 20 Hz depending on the application.
  • the dead time between two consecutive electric discharges varies between 1 ms and 1 s.
  • This second direct effect stage makes it possible to separate the different constitutive elements of said materials and / or products by the crossing of the electric arc resulting in a selective separation of the elements which is due to the fact that the Newtonian or non-Newtonian medium becomes more electrically resistant materials and / or products to be treated during transit of the arc, the variation of the resistivity of the different constituent elements of said materials and / or products and the resonance phenomenon.
  • the presence of elastomeric spheres in the reactor having a stiffness greater than 1 N / cm and, if appropriate, a suitable viscous damping coefficient (preferably between 0.5 and 2 Ns / m) allows to improve the processing and valuation of products.
  • a suitable viscous damping coefficient preferably between 0.5 and 2 Ns / m
  • the reactors R (3,1) and R (3,2) each comprise a microwave generator.
  • the third stage serves to dry materials and / or products by thermal induction due to the microwaves generated by this microwave generator.
  • the drying stage can be used, prior to grinding by direct effect - for example before or after the embrittlement by indirect effect - for the embrittlement of said materials and / or products by evaporation of the water pockets present at the inside, which facilitates grinding and separation in the direct treatment stage.
  • one or two of the stages (i) may not be used.
  • the three stages above can be modified in a continuous system, while preserving the phenomena which oversee the valorization of materials and products.
  • the efficiency of the process is related to the geometrical configuration of the electrodes and the reactor, the energy content and the chronological profile of the shock wave system generated.
  • the breakage of the material and / or product to be valorized makes it possible on the one hand to reach a sufficient shear rate, on the other hand to obtain a selective fragmentation, which optimizes the realized Bond index.
  • the choice of the electrodes depends on the type of application envisaged and the material and / or product to be treated. In order to widen the field of exposure of said material and / or product to electric arcs and to multiply the generation of shock waves, several pairs of points / tips, tips / planes or multi-tips / planes can be used in system polyfunctional, thus the effect of grinding, fragmentation and separation varies from one configuration to another.
  • FIGS. 4a, 4b, 5a and 5b show two examples of multi-point electrodes.
  • the tips are themselves separated by openings ⁇ to mitigate the return effect of the shock wave.
  • each rod is considered as four adjacent points which leads to their self-cleaning by the passage of the electric arc (release of microbubbles present near points).
  • This self-cleaning makes it possible to improve the grinding efficiency, fragmentation and separation of the constituent elements of the materials and / or products treated.
  • a pair of multi-point electrodes ( figure 4 and 5 ) and planar is introduced into a reactor; the electrode support contains, for example, 68 or more locations separated by apertures to attenuate the effect of the return of the shock wave.
  • the electrode support contains, for example, 68 or more locations separated by apertures to attenuate the effect of the return of the shock wave.
  • a conical tip or a stem whose vertex is square which corresponds to four points (one for each vertex of the square).
  • a polyhedral shape is advantageous for the reactors, since it allows the introduction of several pairs of electrodes in each reactor (from 1 to 15 couples for example).
  • a polyhedral reactor can, however, be replaced by a cylindrical reactor with a concave spherical bottom where the anode has a multi-point shape ( FIGS. 4a, 4b and 5a, 5b ) and where the cathode is flat.
  • the figure 6 presents a steering system of the polyfunctional system for the recovery of materials and / or products.
  • the various sensors comprise, for example, an SPM mass spectrograph, a CH chromatograph, CP and CT pressure and temperature sensors, as well as UV radiation sensors.
  • the storage of electrostatic energy in CO capacitors of the power module is provided by the high voltage generator AL.
  • This generator AL is remotely controlled by the same numerical control of the control system of the polyfunctional system (control unit CC). With this type of generator, it is possible to raise the threshold voltage of the tripping of the first spark gap in the electrical circuit and which initiates the rapid discharge of the capacitors CO.
  • the recording and analysis of the signals relating to the voltage at the terminals of the reactor and the electric discharge current flowing through the circuit makes it possible to determine the impedance Z of the charge (reactor) from the phase difference between the two signals and which depends both components of the electrical circuit in question and the material and / or product treated.
  • the multifunctional system is equipped with measurement and analysis devices: CP pressure sensors, CT thermocouples, UV radiation detectors (capUV), CH chromatograph analyzer, SPM mass spectroscope, etc.
  • the control of these measurement and analysis means is ensured by means of the digital control CC of the control system of the polyfunctional system.
  • control system When the control system has detected, through this information, the non-discharge of the capacitors, it controls the grounding of all the capacitors to discharge them and avoid the risk of damaging them. This reduces the cost of maintenance and maintenance of said polyfunctional process.
  • gases are generated through chemical reactions (for example H 2 S).
  • the figure 7a shows a qualitative analysis of oil sand after treatment with the polyfunctional system, there are peaks that correspond to hydrocarbons having a number of carbon / carbon bonds.
  • the figure 7b represents an analysis by gas chromatography coupled with mass spectrometric detection, there is the presence of a peak corresponding to compounds between C20 and C40.
  • the system may include a database that lists granulometric curves for given products based on measured gaseous release rates, deployed energy, number of shots (electrical discharges), and generated gases.
  • the measurement of the pressure inside the reactor at a few points makes it possible to evaluate the effect of the shock wave generated by taking into account the mechanical characteristics of the materials and / or products to be treated or recovered.
  • the products obtained are further analyzed by laser granulometry or on a sieve column with a decreasing granulometry (varying between a few ⁇ m and a few mm).
  • the use of the polyfunctional system causes electrokinetic fragmentation by "explosive" pulsed expansion and stress on the treated diamond crystals, causing them to burst into extremely abrasive splinters.
  • the treatment time to obtain 50% of grains at a size less than 50 .mu.m is of the order of a few minutes. Given the abrasion mode by diamond peeling, the final grain size is limited only by the duration and the number of pulses. It is therefore perfectly possible to make nanometer-sized diamond powders by this technique.
  • the diamond powder is subjected to mechanical shock waves (Stage 1) in order to break the fragile particles, then to the crossing of the electric arcs (Stage 2) to break up the hardest particles.
  • Stage 1 mechanical shock waves
  • Stage 2 to break up the hardest particles.
  • the result is the fragmentation, micronization and nanonization of diamond particles.
  • a flotation of some very fine particles of diamonds is observed, this is due to the phenomena of capillarity and wettability.
  • the addition of surfactants allows the migration of these diamond particles to the bottom of the reactor to better expose them to the electric arc and the shock wave, resulting in better fragmentation and better grinding of the diamond powder .
  • the energy deployed for the preliminary treatment of the diamond powder (diameter between 400 and 500 ⁇ m) in the reactor of stage 1 is of the order of 4000 J by electric discharge, after a application of 50 electric discharges, the recovered diamond powder is introduced into the reactor of stage 2 to undergo 1000 pulses with an energy of 800 J per pulse.
  • stages 1 and 2 are respectively of the order of 0.5 Hz (stage 1) and 5 Hz (stage 2).
  • the dead times between two consecutive electrical discharges are of the order of 500 ms for stage 1 and 900 ms for stage 2 (which allows the fine diamond particles to regroup and to reach the bottom of the reactor in order to promote the action of the electric arc and the mechanical effect of the shock wave on the diamond particles).
  • Surfactant products are added to the ambient liquid in order to overcome the effects of wettability and capillarity.
  • a system of water jets inside the reactors prevents or limits the contact of the diamond particles with the cathode and reduces the treatment of impurities.
  • the cathode is characterized by ferromagnetic properties allowing a separation treatment of impurities by a magnetic field.
  • a particle size less than 20 microns is requested and is reached very quickly (about 2 minutes).
  • the median A / R of the degree of abrasiveness of diamonds is of the order of 1.39 for diamonds with a size of 180 ⁇ m to 300 ⁇ m; it increases to 1.55 for a particle size of 50 ⁇ m to 70 ⁇ m and reaches 1.63 for diamonds of sizes between 20 ⁇ m and 50 ⁇ m (see Table 1).
  • the figure 8 shows the granulometric curve of the fragmentation of the diamond powder by the polyfunctional system, the presence of two Gaussians on the curve is explained by carrying out two particle size analyzes: one for particles having a particle size of less than 180 ⁇ m and the other for particles having a particle size greater than 180 ⁇ m.
  • the present invention proposes to adapt the system and the device described in the patent application FR 09 50945 , not yet published for obtaining nanoscale materials.
  • a specific application of the polyfunctional system is the production of nanoparticles, and more particularly the production of nanodiamonds.
  • the polyfunctional system makes it possible to obtain a powder on a micrometric scale.
  • This application can be generalized to many materials other than diamond powder, for example: oxides (titanium oxide TiO, titanium dioxide TiO 2 TiON (nitrogen-doped), TiCON (doped to nitrogen and carbon)).
  • oxides titanium oxide TiO, titanium dioxide TiO 2 TiON (nitrogen-doped), TiCON (doped to nitrogen and carbon)
  • These nanoscale materials can be used in various applications: electronics, optics, photocatalysis, biotechnology, etc.
  • TiO 2 in the form of nanoscale grains could replace silicon in some cases (photovoltaic cells). The doping of these oxides with nitrogen and carbon improves their potential for better efficiency in the applications mentioned above.
  • the energy of an electric discharge can vary between 100 joules and 1200 joules, or more precisely between 200 and 1000 joules for stage 2 with direct effect, and between 1000 joules and 15000 joules, or more precisely between 2000 and 12000 joules for stage 1 with indirect effect.
  • stage 1 the duration of a discharge is of the order of a few hundred microseconds, while it is of the order of a few tens of microseconds in stage 2.
  • the frequency of recurrence varies between 0.5 and 2 Hz, more precisely between 0.5 and 1 Hz for stage 1 and between 1 and 20 Hz for stage 2.
  • the dead time between two consecutive electric discharges varies between 1 ms and 1 s, or more precisely between 10 ms and 1 s.
  • the switching time of a discharge of a series of discharges is between 250 ns and 2 ⁇ s or more precisely between 300 ns and 900 ns.
  • Cooling tank structure
  • the grinding of the diamond causes a significant thermal rise of the water (or more generally of the liquid used as ambient medium), which therefore raises the question of the cooling of the reactor, and more particularly of the ambient liquid.
  • the figure 9 presents a reactor for producing nanoparticles with an electrode cooling system.
  • the reactor is typically of a polyhedral or cylindrical shape with a spherical base.
  • the device shown comprises a pointed anode E1, E2, E3, and a planar cathode E'1, E'2, E'3 (tip / plane type device, as described above).
  • the cathode E'1, E'2, E'3 is cooled by means of a conventional cooling loop, by circulating a fluid in a conduit 50 in and around the cathode E'1, E'2, E ' 3, this fluid being injected into the conduit 50 through an inlet 52, and leaving an outlet 54 leading to cooling means 56 as known to those skilled in the art, before being reinjected to cool the cathode E '1, E'2, E'3.
  • a fluid is injected through the inlet 22 of a conduit 20 which passes through the anode E1, E2, E3 and then passes through the outlets 24 of said conduit 20.
  • the cooling fluid is then in the core C (i, j) of the reactor R (i, j).
  • the cooling fluid can then pass through outlet pipes, said outlet pipes 30 having inlets 32 disposed along the anode E1, E2, E3, and serving to discharge the fluid from the reactor core R (i , j), to bring it via an outlet 34 in a cooling and filtration circuit 40 as known to those skilled in the art, before being reinjected to cool the anode E1, E2, E3.
  • the grinding causes a suspension of elements in the ambient liquid.
  • the settling speed of these elements depends on their size; the larger the particles, the faster they decant (gravitation and the law of Stockes).
  • Particles of a larger diameter will then not be captured, and remain in the ambient liquid (at a height less than that of the entries 32 of the pipes 30), to be subjected to additional shock waves and arcs, in order to be reduced to the desired particle size.
  • Another possible embodiment is a carousel cooling system.
  • the device comprises several tanks in which are performed operations such as grinding by direct effect and grinding by indirect effect.
  • Operations are performed sequentially; for example, when the grinding by indirect effect is carried out in a first tank, the other tank or tanks are cooled. The direct grinding is then carried out in one of the previously cooled tanks, while the tank used for indirect grinding is cooled in turn.
  • Nanodiamonds are elements used in the medical field, for example as tracers. Nanometer-sized diamond particles are irradiated to fluoresce once injected into a subject's body.
  • Another method is based on air jets, but grinding by this technique is limited to a particle size, that is to say, it does not go below 100 nanometers. The yield in this case is very low and other problems concerning the recovery of the nanoparticles arise.
  • the use of the polyfunctional system allows significant savings in terms of cost; in fact, the conventional means for diamond grinding entail very high energy expenditure over periods of time of the order of a week.
  • the polyfunctional system significantly reduces the time required to obtain diamond nanoparticles, thereby reducing the cost of grinding.
  • the polyfunctional system makes it possible to grind the diamond particles; as mentioned above, the first indirect effect stage (shock waves) makes it possible to weaken the resistance of the diamond, while the second stage with direct effect (electric arcs) will carry out the grinding in itself.
  • Diamond particles tend to become more fragile after exposure to electric shocks, so there is a threshold of energy delivered to these particles (corresponding to a number of discharges in the reactor) from which their fragmentation occurs. accelerates suddenly.
  • the electrons have a very high kinetic energy, of the order of 0.5 to 1 MeV, which makes it possible to irradiate the diamond particles after the impact. where the phenomenon of luminescence.
  • These luminescent diamond nanoparticles can serve as markers in biology and medicine and are of interest to scientists and manufacturers. There is therefore jointly grinding (nanonization) and irradiation of the diamond due to the electric arc.
  • This nanoparticle luminescence phenomenon is due to the presence of NV color centers composed of a nitrogen atom (impurity present in the diamond) and a gap that takes the place of a carbon atom, generated by the crossing. electrons during the electric discharge; thus the excitation of these centers NV results in the emission of a light.
  • the diamond particles thus irradiated can then be used for biomedical tracing because of their luminescence.
  • the grinding and irradiation steps are therefore carried out jointly without requiring an additional step.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Disintegrating Or Milling (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Description

  • L'invention concerne un procédé et un système de valorisation des matériaux et/ou produits par puissance pulsée.
  • Elle trouve application dans le domaine des nanoparticules, typiquement pour le broyage des particules de diamant.
  • Le broyage de matériaux joue un rôle important dans de nombreux procédés de fabrication ou de traitement de matériaux. Les procédés conventionnels présentent toutefois des inconvénients qui ont amené à développer des solutions nouvelles.
  • Le broyage de matériaux par décharges électriques est un procédé connu, présentant de nombreux avantages par rapport aux procédés conventionnels utilisant des broyeurs mécaniques, pour lesquels l'usure des pièces détériore le rendement du système.
  • Des exemples en ce sens ont notamment été décrits dans les différentes brevets ou demandes de brevet suivants : JP 10-180133 ; WO 2008/017172 ; WO 2005/032722 ; US 4 540 127 ; CA 2555476 ; EP 1 375-004 , ou encore DE102004041287 qui présente un procédé selon le préambule de la revendication 1.
  • Classiquement, on applique une succession d'impulsions électriques de très haute puissance sur des produits et matériaux préalablement immergés dans un milieu ambiant liquide.
  • La résistivité du liquide ambiant ainsi que l'état transitoire de la matière lors des impulsions entraîne le passage de canaux d'arcs électriques chargés d'énergie à l'intérieur du matériau immergé et entre les grains du dit matériau, jusqu'à la création d'un arc électrique unique ou multiple entre les deux électrodes et passant à travers ledit matériau immergé.
  • Le passage de l'arc électrique à travers ledit matériau entraine la dislocation des grains au niveau des points de discontinuité (clivages, inclusions, fractures), au niveau des contacts inter granulaires, et la rupture de certaines liaisons chimiques suivie par la recombinaison chimique des éléments et molécules ainsi libérées en de nouveaux composés en équilibre de phase avec le milieu ambiant.
  • Cependant, les procédés conventionnels de broyage pour l'obtention de matériaux à l'échelle nanométrique ne présentent pas des résultats satisfaisants en termes de rendement.
  • Un procédé de valorisation et un système polyfonctionnel amélioré sont décrits dans la demande de brevet FR 09 50945 , non encore publiée.
    • PRESENTATION GENERALE DE L'INVENTION
  • Un but de l'invention est de proposer un procédé de valorisation de matériaux et/ou produits par puissance pulsée encore amélioré, notamment en termes de temps de traitement et de coûts énergétiques, et permettant d'obtenir des matériaux à l'échelle nanométrique avec un rendement élevé et un coût moindre par rapport à l'état de l'art.
  • Un autre but encore de l'invention est de permettre une libération des éléments constitutifs des produits et/ou matériaux par fragmentation, pulvérisation, et le cas échéant séparation électrocinétique et électrochimique, voire par recombinaisons chimiques de certains de ces éléments, sans passer par des traitements pyrométallurgiques ou chimiques lourds et polluants.
  • Notamment, l'invention propose un procédé de valorisation de matériaux par puissance pulsée selon lequel on génère une succession de décharges électriques entre au moins deux électrodes dans un réacteur recevant un liquide ambiant ainsi que des matériaux à valoriser, caractérisé en ce que la succession desdites décharges électriques produit, du fait de l'énergie, de la fréquence des décharges électriques, ainsi que du fait de la tension entre les électrodes et le temps de commutation, une onde de choc mécanique qui se propage sur les matériaux et/ou produits à traiter dans le réacteur, et en ce que, lors de la mise en oeuvre dudit procédé, ledit liquide ambiant est refroidi par un système de refroidissement en continu ou en carrousel, ledit procédé permettant l'obtention de matériaux à l'échelle nanométrique.
  • En complément le cas échéant, après une première étape de fragilisation par l'onde de choc mécanique ainsi produite, on fait subir aux produits et/ou matériaux une succession de décharges électriques dont l'énergie, la tension entre les électrodes qui les génèrent, le temps de commutation et la fréquence de décharge sont choisis telles que lesdites décharges réalisent un broyage du matériau par effet direct des décharges électriques.
  • Le procédé peut en outre comporter une étape de captation des matériaux résultant du broyage en fonction du diamètre des particules par le système de refroidissement, lesdits matériaux résultant du broyage étant en suspension dans le liquide ambiant.
  • Cette onde de choc mécanique qui se propage dans le réacteur et le cas échéant l'arc électrique complémentaire permet(tent) d'obtenir la fragmentation, séparation, pulvérisation des matériaux et/ou produits à traiter, et favorise(nt) la recombinaison chimique de quelques constituants ou molécules.
  • L'invention propose également un système adapté pour la mise en oeuvre de ce procédé.
  • Dans tout le présent texte, on entend par matériau et/ou produit toute matière ou substance monophasique ou pluri-phasique (solide, liquide, gaz, vapeur, ...), mono ou pluri-constituants, pur ou composite, pouvant contenir des solides de cristallisation ou amorphes ; par exemple (liste non exhaustive) : minéral, minerai, déchet ou sous-produit d'une ou plusieurs activités, notamment industrielles ou humaines, tout produit devant subir une opération de broyage, fragmentation, pulvérisation, concassage, séparation en ses constituants, décontamination, valorisation avec comme objectif une augmentation de sa valeur ajoutée, les matériaux composites à base de fibres de carbone ou de résine et métaux (titane, acier, alliages).
  • Le procédé et le système décrits ont une application particulière pour l'obtention de nanoparticules de diamant irradiées.
  • Un tel procédé a l'avantage d'éviter l'utilisation de pièces mécaniques mobiles (cas des broyeurs mécaniques), de boulets, barres ou autres pièces d'usures (broyeurs à boulets, barres, cônes). Il en résulte une réduction des coûts de maintenance de ce procédé par rapport aux autres procédés.
  • Un autre avantage de ce procédé concerne la non-utilisation de produits chimiques hautement toxiques et réactifs inorganiques qui sont souvent nécessaires pour le traitement des minerais.
  • Un autre avantage de ce procédé tient en ce que la libération, la fragmentation, la séparation, la pulvérisation se produisent dans des temps très brefs grâce au temps de commutation des éclateurs qui déclenchent la décharge des condensateurs qui permet de restituer l'énergie stockée en des temps très brefs (puissances pulsées très élevées) au réacteur contenant les produits à traiter et/ou valoriser, ceci pour une consommation énergétique globale très faible.
  • Avantageusement, après une première étape de fragilisation par l'onde de choc mécanique ainsi produite, on fait subir aux produits et/ou matériaux une succession de décharges électriques dont l'énergie, l'intensité, la tension entre les électrodes qui les génèrent, les temps et fréquence de décharge sont choisis tels que lesdites décharges réalisent un broyage du matériau par effet direct des décharges électriques (arcs électriques). Egalement, l'invention propose un système de valorisation mettant en oeuvre un tel procédé.
    • PRESENTATION DES FIGURES
  • D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
    • La figure 1 présente un schéma du système polyfonctionnel tri-étagé ;
    • La figure 2 présente un schéma de réacteur basé sur l'effet indirect ;
    • La figure 3 présente un schéma de réacteur basé sur l'effet direct ;
    • Les figures 4a et 4b présentent un type d'électrode multi pointes ayant des tiges coniques ;
    • La figure 5a et 5b présentent un type d'électrode multi pointes pour lesquelles les tiges ont des sections carrées ;
    • La figure 6 présente un ensemble de pilotage de système polyfonctionnel.
    • La figure 7a présente une analyse qualitative par chromatographie gazeuse couplée à une détection par ionisation de flamme (GC - FID).
    • La figure 7b présente une analyse par chromatographie gazeuse couplée à une détection spectrométrique de masse (GC-MS).
    • Le tableau 1 présente le degré d'abrasivité des particules de diamant en fonction de la granulométrie.
    • La figure 8 présente une courbe granulométrique de la fragmentation de la poudre de diamant.
    • La figure 9 présente un réacteur de production de nanoparticules avec un système de refroidissement des électrodes.
    DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION OU DE MISE EN ŒUVRE 1. Exemples de réalisation d'un système polyfonctionnel
  • Le système polyfonctionnel présenté ci-après est similaire à celui décrit dans la demande de brevet FR 09 50945 , non encore publiée.
    • 1.1. Etages et réacteurs
  • Le système polyfonctionnel de valorisation de matériaux et/ou de produits tel que représenté sur la figure 1 comprend plusieurs étages de réacteurs en série, en l'occurrence trois.
  • Dans l'exemple de cette figure, chaque étage comprend deux réacteurs, lesquels sont référencés R(i,j) sur la figure, où i et j sont des indices muets qui sont des nombres entiers tel que 1 ≤ i ≤ 3 et 1 ≤ j ≤ 2, les réacteurs étant répartis en trois étages (i) en série :
    • Etage 1 : R(1,1) et R(1,2) - effet indirect (onde de choc mécanique).
    • Etage 2 : R(2,1) et R(2,2) - effet direct (dislocation par arc électrique).
    • Etage 3 : R(3,1) et R(3,2) - séchage.
  • L'étage 1 de traitement par onde de choc mécanique permet de fragiliser par onde de choc les matériaux et/ou produits à valoriser. Les matériaux ou produits ainsi fragilisés sont ensuite fragmentés et pulvérisés dans un second temps dans l'étage 2 (effet direct de l'arc électrique). L'étage 3 est un étage de séchage.
    • L'étage 1 - effet indirect
  • L'étage 1 - à effet indirect - comprend deux réacteurs en parallèle, fonctionnant en cycle décalé. On active un réacteur (en l'occurrence R(1,1)) pendant que l'autre (R(1,2)) est en phase de chargement ou de déchargement de matériaux et/ou produits.
  • L'onde de choc mécanique est générée dans le réacteur qui fonctionne, par décharge rapide d'énergie électrique dans le milieu réactionnel (liquide ambiant newtonien ou non newtonien).
  • Comme l'illustre la figure 2, les réacteurs R(1,1) et R(1,2) (Etage 1) comportent plusieurs couples d'électrodes, en l'occurrence trois couples d'électrodes triaxiales (E1,E'1),(E2,E'2),(E3,E'3) (Figure 3). Chaque couple est associé à un module d'alimentation M1, M2, M3 haute tension et comprend d'une part une électrode multi-pointe E1, E2, E3 liée à la borne positive du module électrique haute tension M1, M2, M3 correspondant; l'autre électrode E'1, E'2, E'3 est plane et connectée à la masse (terre).
  • La distance entre deux électrodes (E1,E'1),(E2,E'2),(E3,E'3) d'un même couple est choisie inférieure à la distance seuil pour générer une décharge électrique (distance seuil qui dépend du champ électrique de claquage et de la tension appliquée entre l'anode et la cathode).
  • Le liquide ambiant qui contient les matériaux à traiter et/ou à valoriser est par exemple de l'eau dont les propriétés de changement de phase en fonction de la tension électrique et de la durée d'impulsion sont connues. Tout autre liquide newtonien ou non newtonien de résistivité connue ou mesurable peut bien entendu être utilisé. Sur la figure 2, on a représenté un niveau bas NB et un niveau haut NH entre lesquels le niveau du liquide dans le réacteur doit se trouver.
  • La forme, la dimension des réacteurs R(1,1) et R(1,2), ainsi que celles des électrodes sont choisies en fonction de l'application envisagée et des matériaux et/ou produits à traiter.
  • L'utilisation d'un réacteur à fond sphérique concave amplifie l'effet de l'onde de choc générée par les décharges électriques avec les réflexions sur la paroi sphérique du réacteur.
  • Les modules d'alimentation M1, M2, M3 permettent de stocker de l'énergie électromagnétique dans des éléments de charge (condensateurs ou/et bobines à hautes performances : générateur de Marx). Cette énergie est libérée dans un circuit de décharge électrique composé d'un réacteur (pour broyage et traitement des matériaux) et d'autres composants (résistances, bobines, etc...) à travers un système de commutation très rapide (éclateurs avec un temps de commutation par exemple compris entre 250 ns et 900 ns, préférentiellement supérieur à 500 ns).
  • Les tensions entre électrodes sont de l'ordre de plusieurs kilovolts.
  • L'énergie utilisée pour chaque réacteur est de l'ordre de 600 joules à 50000 joules, par exemple de 600 à 12000 joules selon les applications.
  • La fréquence de fonctionnement varie entre 0.5 Hz et 5 Hz, variant selon les applications, par exemple entre 1 et 2 Hz pour certaines applications, et entre 2 et 5 Hz pour d'autres applications..
  • Le temps mort entre deux décharges électriques consécutives varie entre 200 ms et 1 s.
  • Avec l'effet indirect, un arc électrique et un plasma sont créés, mais l'onde de choc mécanique OCM générée a un effet dominant lors du broyage, concassage, fragmentation, pulvérisation et séparation des éléments par compression mécanique sur lesdits matériaux et/ou produits à traiter.
  • Le brassage induit par les impulsions dans la cuve (réacteur) provoque une homogénéisation des fragments en facilitant leur séparation.
  • Cette onde de choc mécanique OCM est due à une succession de surpressions (compressions) et de sous-pressions (détentes) générées par les décharges électriques à travers des électrodes distancées. La décharge des électrodes en milieu aqueux produit une explosion et un plasma chaud.
  • L'énergie mécanique transmise par l'onde de choc au milieu est donnée par l'équation (1) : E = 1 2 ρu 2
    Figure imgb0001
  • Où p est la masse volumique du milieu et u est la vitesse du front de l'onde.
  • L'intensité de l'onde de choc est proportionnelle à la variation du courant de décharge électrique car elle existe une relation entre la puissance délivrée dans le réacteur et la variation du courant de décharge électrique (équation .2). dE dt = 2 k s ′ 2 3 di dt t = 0 2 / 3
    Figure imgb0002
     i(t) étant le courant de décharge électrique dans le circuit et s' est la distance entres les deux électrodes générant l'arc électrique et l'onde de choc.
  • L'énergie de l'onde de choc peut s'écrire sous la forme suivante : E t = 4 πs 2 ρc ∫ 0 t p 2 t dt
    Figure imgb0003
  • Où ρ est la masse volumique du milieu, c est la célérité de l'onde dans le milieu, s est la longueur du canal d'arc générée et p est la surpression dans le milieu qui est donnée par la relation (équation 4) : p t = p 0 e − t / τ
    Figure imgb0004
     p 0 (équation 5) étant la valeur maximale de la surpression produite par l'onde de choc et τ une constante de temps qui dépend du module électrique. p 0 = 1 s pcE 2 ⁢ πτ
    Figure imgb0005
    • L'étage 2 - effet direct
  • Dans le cas de l'effet direct, l'arc électrique traverse le liquide et passe à travers les matériaux et/ou produit à valoriser.
  • Les réacteurs R(2,1) et R(2,2) (Etage 2) comprennent à cet effet chacun trois couples d'électrodes pointe/plane (figure 2) (on peut augmenter le nombre d'électrodes afin d'amplifier l'effet de la décharge électrique sur le matériau et/ou produit à traiter en modifiant aussi la géométrie du réacteur, par exemple : un polyèdre avec un nombre de faces paire, une face sert de d'anode et l'autre en face sert de cathode).
  • De la même façon que pour l'étage 1, l'énergie électrique est stockée dans des modules d'alimentation M1, M2, M3, puis libérée dans un circuit de décharge via un système de commutation ultra rapide avec un temps de commutation compris entre 200 ns à 900 ns, les commutateurs pouvant varier selon les applications, avec par exemple des temps de commutation compris entre 200 ns et 500 ns, ou entre 250 ns et 900 ns.
  • Les tensions entre électrodes sont de l'ordre de plusieurs kilovolts.
  • L'énergie utilisée pour chaque réacteur est de l'ordre de 50 joules à 1000 joules, pouvant être de l'ordre de 100 joules à 1000 joules pour certaines applications.
  • La fréquence de fonctionnement varie entre 1 Hz et 40 HZ, pouvant varier entre 1 Hz et 20 Hz selon les applications..
  • Le temps mort entre deux décharges électriques consécutives varie entre 1 ms et 1 s.
  • Les éclateurs de l'étage 1 et de l'étage 2 (déclencheurs de la décharge rapide des condensateurs stockant de l'énergie) peuvent être installés dans une enceinte fermée, remplie d'un gaz inerte (par exemple : azote) avec deux avantages :
    • rendre la tension de rupture indépendante du taux d'humidité existant,
    • et permettre la récupération et l'évacuation de l'ozone généré de façon plus simple.
  • Ce deuxième étage à effet direct permet de séparer les différents éléments constitutifs desdits matériaux et/ou produits par la traversée de l'arc électrique entraînant une séparation sélective des éléments qui est due au fait que le milieu newtonien ou non-newtonien devient plus résistant électriquement que les matériaux et/ou produits à traiter pendant le passage de l'arc, à la variation de la résistivité des différents éléments constitutifs desdits matériaux et/ou produits et au phénomène de résonance.
  • Dans le cas de l'effet direct, la présence de sphères élastomères dans le réacteur ayant une raideur supérieure à 1 N/cm et le cas échéant un coefficient d'amortissement visqueux adapté (compris de préférence entre 0.5 et 2 N.s/m) permet d'améliorer le traitement et de la valorisation des produits. Ces élastomères atténuent l'effet de l'onde de choc, ce qui favorise l'effet de l'arc électrique, d'où une efficacité meilleur avec l'effet direct (Etage 2).
    • L'étage 3 - séchage par micro-ondes
  • Les réacteurs R(3,1) et R(3,2) comportent chacun un générateur de micro-ondes.
  • Le troisième étage sert de séchage de matériaux et/ou produits par induction thermique due aux micro-ondes générées par ce générateur de micro-ondes.
  • Ceci facilite par exemple la séparation des éléments constituant les matériaux et/ou produits une fois fragmentés sans recours à des méthodes de séchage classiques qui sont coûteuses.
  • Les trois étages mentionnés ci-dessus peuvent toutefois être utilisés dans un ordre quelconque.
  • Par exemple, l'étage de séchage peut être utilisé, préalablement au broyage par effet direct - par exemple avant ou après la fragilisation par effet indirect - pour la fragilisation desdits matériaux et/ou produits par évaporation des poches d'eau présentes à l'intérieur, ce qui facilite le broyage et la séparation dans l'étage de traitement par effet direct.
  • Egalement, un ou deux des étages (i) peuvent ne pas être utilisés.
  • En variante encore, les trois étages ci-dessus peuvent être modifiés en un système continu, tout en conservant les phénomènes qui sursoient à la valorisation des matériaux et produits.
  • L'efficacité du procédé (direct et indirect) est liée à la configuration géométrique des électrodes et du réacteur, au contenu énergétique et au profil chronologique du système d'ondes de choc générées.
  • On peut remarquer que :
    • des bulles de vapeur se forment localement dans le milieu liquide (expansion) et disparaissent après (implosion). L'énergie libérée en phase d'implosion est supérieure à celle libérée en phase d'expansion.
    • le réglage des paramètres opératoires permet de solliciter le matériau ou produit à valoriser de façon à :
      • exciter simultanément le plus grand nombre possible de modes propres du matériau ou produit.
      • s'approcher d'une sollicitation pratiquement instantanée (Dirac), à profil oscillatoire limité dans le temps.
      • atteindre une impédance acoustique dans le matériau ou produit à valoriser d'au moins : 3 106 (kg/m2.s).
  • Dans ce contexte, la brisance du matériau et/ou produit à valoriser permet d'une part d'atteindre un taux de cisaillement suffisant, d'autre part d'obtenir une fragmentation sélective, ce qui optimise l'indice de Bond réalisé.
    • 1.2. Multi-électrodes et électrode multi-pointes
  • Le choix des électrodes dépend du type d'application envisagée et du matériau et/ou produit à traiter. Afin d'élargir le champ d'exposition dudit matériau et/ou produit aux arcs électriques et multiplier la génération des ondes de choc, plusieurs couples d'électrodes pointes/pointes, pointes/planes ou multi-pointes/planes peuvent être utilisés dans le système polyfonctionnel, ainsi l'effet de broyage, fragmentation et séparation varie d'une configuration à l'autre.
  • Un meilleur rendement est toutefois obtenu avec une configuration d'électrodes multi-pointes/planes.
  • Les figures 4a, 4b, 5a et 5b montrent deux exemples d'électrodes multi-pointes.
  • Dans le cas des figures 4a et 4b, il s'agit de multi-pointes MP coniques, alors que dans le cas illustré sur les figures 5a et 5b, il s'agit de tiges dont les sommets sont des carrés (pointes carrées PC).
  • Les pointes sont elles-mêmes séparées par des ouvertures ○ permettant d'atténuer l'effet de retour de l'onde de choc.
  • Lors d'une décharge électrique, chaque tige est considérée comme quatre pointes adjacentes ce qui entraîne leur auto-nettoyage par le passage de l'arc électrique (dégagement des microbulles présentes à proximité de des pointes).
  • Cet auto-nettoyage permet d'améliorer le rendement de broyage, fragmentation et séparation des éléments constitutifs des matériaux et/ou produits traités.
  • Par exemple, dans le cas d'un étage de fragilisation par onde de choc mécanique (effet indirect), un couple d'électrodes multi-pointe (figure 4 et 5) et plane est introduit dans un réacteur ; le support de l'électrode contient par exemple 68 emplacements (voire plus) séparés par des ouvertures pour atténuer l'effet du retour de l'onde de choc. Sur chaque emplacement est installée une pointe conique ou une tige dont le sommet est carré ce qui correspond à quatre pointes (une pour chaque sommet du carré).
  • On notera qu'une forme polyédrique est avantageuse pour les réacteurs, puisqu'elle permet l'introduction de plusieurs couples d'électrodes dans chaque réacteur (de 1 à 15 couples par exemple).
  • Un réacteur polyédrique peut toutefois être remplacé par un réacteur cylindrique à fond sphérique concave où l'anode a une forme multi-pointes (figures 4a, 4b et 5a, 5b) et où la cathode est plane.
    • 1.3. Système de pilotage
  • La figure 6 présente un ensemble de pilotage du système polyfonctionnel de valorisation des matériaux et/ou produits.
  • Il comporte une unité de contrôle CC qui commande des éclateurs CM et un générateur de haute tension AL qui échangent avec différents capteurs. On utilise des générateurs de Marx dans le cas de l'effet direct, et on utilise des électrodes initiatrices dans le cas de l'effet indirect. Les différents capteurs comprennent par exemple un spectrographe de masse SPM, un chromatographe CH, des capteurs de pression et de température CP et CT, ainsi que des capteurs de rayonnements UV.
  • L'ensemble comporte également des moyens d'acquisition et de réglage des paramètres de fonctionnement permettant
    • L'acquisition des données ;
    • Le contrôle commande ;
    • Le réglage des paramètres fondamentaux de fonctionnement en particulier (liste non exhaustive) :
      • 1. énergie stockée;
      • 2. tension appliquée;
      • 3. temps de décharge ;
      • 4. fréquence de décharge ;
      • 5. intensité de crête ;
      • 6. temps de résidence dans le réacteur ;
  • L'efficacité de la réduction des dimensions du matériau et/ou produit à valoriser est mesurable par les méthodes de la théorie de la comminution (indice de BOND, ...).
    • • Contrôleur du générateur de haute tension
  • Le stockage de l'énergie électrostatique dans des condensateurs CO du module d'alimentation est assuré par le générateur de haute tension AL. Ce générateur AL est commandé à distance par la même commande numérique du système de pilotage du système polyfonctionnel (unité de contrôle CC). Avec ce type de générateur, on a la possibilité de relever la tension seuil du déclenchement du premier éclateur dans le circuit électrique et qui amorce la décharge rapide des condensateurs CO.
  • Ceci permet de comparer la tension seuil donnée par la loi de Paschen et celle délivrée par le générateur de haute tension.
    • • Contrôle de l'impédance Z du réacteur
  • L'enregistrement et l'analyse des signaux concernant la tension aux bornes du réacteur et le courant de décharge électrique qui traverse le circuit permet de déterminer l'impédance Z de la charge (réacteur) à partir du déphasage entre les deux signaux et qui dépend à la fois des composants du circuit électrique en question et du matériau et/ou produit traité.
  • Pour un fonctionnement du procédé polyfonctionnel à impédance Z constante, il suffit de modifier la distance inter-électrodes dans le réacteur à l'aide un système de motorisation automatisé et inclus dans ledit système de pilotage.
    • • Automatisme de capteurs de pression, température et UV, chromatographe et spectroscope de masse
  • On associe au système polyfonctionnel des appareils de mesure et d'analyse : capteurs de pression CP, thermocouples CT, détecteurs de rayonnement UV (capUV), analyseur chromatographe CH, spectroscope de masse SPM, etc. Le contrôle de ces moyens de mesure et d'analyse est assuré par l'intermédiaire de la commande numérique CC du système de pilotage du système polyfonctionnel.
    • 1.4. Détection des rayonnements UV, chromatographie et spectroscopie de masse Rayonnements UV
  • L'analyse des signaux de détection des rayonnements UV émis par les arcs électriques qui se déclenche dans les éclateurs (liant les condensateurs) et entre les électrodes introduites dans un réacteur permet de savoir si ledit système polyfonctionnel fonctionne et en particulier si la décharge des condensateurs de haute tension s'est produite. Ces signaux en question sont transmis vers le système de pilotage via des fibres optiques pour éviter des perturbations causées par le champ électromagnétique qui règne lors du fonctionnement dudit système polyfonctionnel.
  • Lorsque le système de pilotage a détecté, à travers ces informations, la non-décharge des condensateurs, il commande la mise à la terre de l'ensemble des condensateurs pour les décharger et éviter le risque de les endommager. Cela réduit le coût d'entretien et de maintenance dudit procédé polyfonctionnel.
    • Chromatographie/spectographie de masse
  • Lors du traitement des matériaux et/ou produits par le système polyfonctionnel, des gaz se génèrent à travers des réactions chimiques (par exemple H2S).
  • L'analyse de ces gaz par un chromatographe et un spectroscope de masse pendant le déroulement des essais permet de délivrer des informations concernant l'état d'avancement de broyage, fragmentation et séparation des éléments constituants les matériaux et/ou produits traités.
  • L'analyse d'une partie des matériaux et/ou produits en cours de traitement par le système polyfonctionnel en temps réel ou après arrêt des décharges électriques par chromatographie et spectroscopie de masse (figures 7a et 7b) permet d'obtenir des informations notamment utilisées pour optimiser l'énergie injectée dans le réacteur en limitant ou arrêtant les décharges électriques. Elles peuvent être également exploitées pour automatiser le chargement et le déchargement des réacteurs. Les figures 7a et 7b montrent des pics correspondant à des chaines carboniques données.
  • La figure 7a montre une analyse qualitative de sable bitumineux après un traitement par le système polyfonctionnel, on observe des pics qui correspondent à des hydrocarbures ayant un certain nombre de liaisons carbone/carbone.
  • La figure 7b représente une analyse par chromatographie gazeuse couplée avec une détection par spectrométrique de masse, on constate la présence d'un pic correspondant à des composés entre C20 et C40.
  • Par exemple, le système peut comprendre une base de données qui recense pour des produits donnés des courbes granulométriques en fonction de taux de libération gazeux mesurés, d'énergie déployée, de nombre de tirs (décharges électrique) et des gaz générés.
    • Autres mesures
  • La mesure de la pression à l'intérieur du réacteur en quelques points permet d'évaluer l'effet de l'onde de choc générée en tenant compte des caractéristiques mécaniques des matériaux et/ou produits à traiter ou à valoriser.
  • Les produits obtenus sont en outre analysés par granulométrie laser ou sur une colonne de tamis à granulométrie décroissante (variant entre quelques µm et quelques mm).
  • Dans le cas des applications (exemple : minerais et minéraux, sable et schiste bitumineux, etc...) où le système polyfonctionnel génère des gaz tel le dihydrogène sulfuré H2S lors de la valorisation desdits matériaux et/ou produits, la récupération de ce gaz et la mesure de sa concentration permet d'avoir des éléments importants sur l'état de broyage et de la fragmentation des matériaux et/ou produits. Si la concentration de ce gaz a tendance à se stabiliser, cela s'explique par le fait que la séparation de l'élément souffre présent dans les matériaux et/ou produits a atteint son optimum.
    • 2. Exemples d'applications spécifiques du système polyfonctionnel 2.1. Fragmentation et broyage de poudre de diamants
  • Cette application spécifique du système polyfonctionnel est déjà présentée dans la demande de brevet FR 09 50945 , non encore publiée.
  • Actuellement le broyage des poudres de diamants abrasifs se fait par attrition dans des broyeurs spécifiques. La durée de broyage pour obtenir une granulométrie de l'ordre de 20 microns est supérieure à la vingtaine d'heures. Il est encore quasiment impossible d'obtenir des diamants de dimensions nanométriques en quantité suffisante par ces méthodes classiques.
  • L'utilisation du système polyfonctionnel provoque une fragmentation électrocinétique par dilatation et contrainte pulsées « explosives » sur les cristaux de diamant traités, provoquant leur éclatement en esquilles à très fort taux d'abrasivité. Le temps de traitement pour obtenir 50% de grains à une taille inférieure à 50µm est de l'ordre de quelques minutes. Compte tenu du mode d'abrasion par écaillage du diamant, la granulométrie finale n'est limitée que par la durée et le nombre des impulsions. Il est donc parfaitement possible de réaliser des poudres de diamant de taille nanométrique par cette technique.
  • La poudre des diamants est soumise à des ondes de choc mécaniques (Etage 1) afin de casser les particules fragiles, puis à la traversée des arcs électriques (Etage 2) pour fragmenter les particules les plus dures. Le résultat est la fragmentation, la micronisation et la nanonisation des particules de diamants.
  • Une flottation de quelques particules très fines de diamants est observée, cela est du aux phénomènes de capillarité et mouillabilité. L'addition de produits tensioactifs permet la migration de ces particules de diamants au fond du réacteur pour mieux les exposer à l'arc électrique et à l'onde de choc, d'où une meilleure fragmentation et un meilleur broyage de la poudre de diamants.
  • A titre d'exemple, l'énergie déployée pour le traitement préalable de la poudre de diamant (diamètre compris entre 400 et 500 µm) dans le réacteur de l'étage 1 est de l'ordre de 4000 J par décharge électrique, après une application de 50 décharges électriques, la poudre de diamant récupérée est introduite dans le réacteur de l'étage 2 pour subir 1000 impulsions d'une énergie de 800 J par impulsion.
  • Les fréquences de fonctionnement (de récurrence) dans les étages 1 et 2 sont respectivement de l'ordre de 0.5 Hz (étage 1) et 5 Hz (étage 2).
  • Les temps morts entre deux décharges électriques consécutives sont de l'ordre de 500 ms pour l'étage 1 et 900 ms pour l'étage 2 (ce qui permet aux particules fines de diamant de se regrouper et de rejoindre le fond du réacteur afin de favoriser l'action de l'arc électrique et l'effet mécanique de l'onde de choc sur les particules du diamant).
  • Des produits tensioactifs sont ajoutés au liquide ambiant, afin de remédier aux effets de mouillabilité et de capillarité.
  • Un système de jets d'eau à l'intérieur des réacteurs empêche ou limite le contact des particules de diamant avec la cathode et réduit le traitement des impuretés.
  • La cathode est caractérisée par des propriétés ferromagnétiques permettant un traitement de séparation des impuretés par un champ magnétique.
  • Une granulométrie inférieure à 20 µm est sollicitée et est atteinte très rapidement (2 minutes environ).
  • Le degré d'abrasivité des diamants augmente au fur et à mesure de la fragmentation en réduisant la granulométrie des particules (tableau 1).
  • La médiane A/R du degré d'abrasivité des diamants est de l'ordre de 1.39 pour des diamants d'une taille de 180 µm à 300 µm ; elle passe à 1.55 pour pour une granulométrie de 50 µm à 70 µm et elle atteint 1.63 pour des diamants de tailles comprises entre 20 µm et 50 µm (voir tableau 1).
  • Le figure 8 montre la courbe granulométrique de la fragmentation de la poudre du diamant par le système polyfonctionnel, la présence de deux gaussiennes sur la courbe est expliquée par la réalisation de deux analyses granulométriques : une pour des particules ayant une granulométrtie inférieure à 180 µm et l'autre pour des particules dont la granulométrie est supérieure à 180 µm.
    • 2.2. Fragmentation pour l'obtention de nanoparticules
  • La présente invention propose d'adapter le système et le dispositif décrits dans la demande de brevet FR 09 50945 , non encore publiée pour l'obtention de matériaux à l'échelle nanométrique.
  • Une application spécifique du système polyfonctionnel est la production de nanoparticules, et plus particulièrement la production de nanodiamants.
  • Comme mentionné précédemment dans le cadre de la poudre de diamant, le système polyfonctionnel permet d'obtenir une poudre à l'échelle micrométrique. On peut généraliser cette application à de nombreux matériaux autres que la poudre de diamant, on peut citer à titre d'exemple : les oxydes (oxyde de titane TiO, dioxyde de titane TiO2 TiON (dopé à l'azote), TiCON (dopé à l'azote et au carbone)). Ces matériaux à l'échelle nanométrique peuvent être utilisés dans divers applications : électronique, optique, photocatalyse, biotechnologie, etc... Le TiO2 sous forme de grains nanométriques pourrait remplacer le Silicium dans certains cas (cellules photovoltaïques). Le dopage de ces oxydes avec l'azote et le carbone permet d'améliorer leur potentiel pour une efficacité meilleure dans les applications cités précédement.
  • Il permet en outre d'aller au-delà de cette échelle micrométrique, et d'obtenir une poudre dont les particules sont à l'échelle nanométrique.
  • Dans l'application concernant la production des nanoparticules, l'énergie d'une décharge électrique peut varier entre 100 joules et 1200 joules, ou plus précisément entre 200 et 1000 joules pour l'étage 2 à effet direct, et entre 1000 joules et 15000 joules, ou plus précisément entre 2000 et 12000 joules pour l'étage 1 à effet indirect.
  • Dans l'étage 1, la durée d'une décharge est de l'ordre de quelques centaines microsecondes, alors qu'elle est de l'ordre de quelques dizaines de microsecondes dans l'étage 2.
  • La fréquence de récurrence varie entre 0.5 et 2 Hz, plus précisément entre 0.5 et 1 Hz pour l'étage 1 et entre 1 et 20 Hz pour l'étage 2.
  • Le temps mort entre deux décharges électriques consécutives varie entre 1 ms et 1 s, ou plus précisément entre 10 ms et 1 s.
  • Le temps de commutation d'une décharge d'une succession de décharges est compris entre 250 ns et 2 µs ou plus précisément entre 300 ns et 900 ns.
    • 2.2.1. Structure de cuve de refroidissement :
  • Le broyage du diamant entraîne une élévation thermique importante de l'eau (ou plus généralement du liquide utilisé en tant que milieu ambiant), ce qui pose donc la question du refroidissement du réacteur, et plus particulièrement du liquide ambiant.
  • En effet, les énergies mises en oeuvre pour passer de l'échelle micrométrique à l'échelle nanométrique entrainent une élévation de la température très importante, alors qu'avec les énergies mises en jeu pour atteindre l'échelle micrométrique, le refroidissement du réacteur n'est pas nécessaire.
  • A cet effet, des cuves spécifiques ont été développées permettant de refroidir en permanence le liquide ambiant. Ces cuves sont représentées sur la figure 9.
  • L'emploi d'un système de refroidissement adapté permet d'améliorer le rendement du dispositif, en limitant les temps morts.
  • La figure 9 présente un réacteur de production de nanoparticules avec un système de refroidissement des électrodes.
  • Le réacteur a typiquement une forme polyédrique, ou cylindrique à fond sphérique.
  • Le dispositif représenté comporte une anode en pointe E1, E2, E3, et une cathode plane E'1, E'2, E'3 (dispositif de type pointe/plane, tel que décrit précédemment).
  • La cathode E'1, E'2, E'3 est refroidie au moyen d'une boucle de refroidissement conventionnelle, en faisant circuler un fluide dans un conduit 50 dans et autour de la cathode E'1, E'2, E'3, ce fluide étant injecté dans le conduit 50 par une entrée 52, et en sortant par une sortie 54 le conduisant à des moyens de refroidissement 56 tels que connus par l'homme du métier, avant d'être réinjecté pour refroidir la cathode E'1, E'2, E'3.
  • Pour le refroidissement de l'anode, un fluide est injecté par l'entrée 22 d'un conduit 20 qui traverse l'anode E1, E2, E3, puis passe par les sorties 24 dudit conduit 20. Le fluide de refroidissement se trouve alors dans le coeur C(i,j) du réacteur R(i,j). Le fluide de refroidissement peut ensuite passer par des tuyaux 30 de sortie, lesdits tuyaux 30 de sortie ayant des entrées 32 disposées le long de l'anode E1, E2, E3, et servant à faire sortir le fluide du coeur du réacteur R(i,j), pour l'amener via une sortie 34 dans un circuit de refroidissement et de filtration 40 tel que connu par l'homme du métier, avant d'être réinjecté pour refroidir l'anode E1, E2, E3.
  • En outre, on peut influer les entrées 32, et en particulier sur la taille de ces entrées afin de choisir les particules qui passent dans le système de filtration.
  • En effet, le broyage entraîne une suspension d'éléments dans le liquide ambiant. La vitesse de décantation de ces éléments dépend de leur taille; plus les particules sont de taille élevée, plus elles décantent rapidement (gravitation et loi de Stockes).
  • On peut donc déterminer la taille des particules qui seront captées par les tuyaux 30 puis par le système de filtration 40, en plaçant les entrées 32 des tuyaux 30 à une hauteur adaptée à la vitesse de décantation correspondant au diamètre de particules souhaité.
  • Les particules d'un diamètre supérieur ne seront alors pas captées, et restent dans le liquide ambiant (à une hauteur inférieure à celle des entrées 32 des tuyaux 30), pour être soumises à des ondes de choc et des arcs électriques supplémentaires, afin d'être réduites jusqu'à atteindre la granulométrie souhaitée.
  • Un autre mode de réalisation possible est un système de refroidissement en carrousel.
  • Contrairement au dispositif présenté sur la figure 9, un dispositif muni d'un système de refroidissement en carrousel ne va pas fonctionner en continu.
  • Plus précisément, le système fonctionnel fonctionne ici en alternance. Le dispositif comporte plusieurs cuves dans lesquelles sont réalisées les opérations telles que le broyage par effet direct et le broyage par effet indirect.
  • Les opérations sont réalisées de manière séquentielle ; par exemple, lorsque le broyage par effet indirect est réalisé dans une première cuve, la ou les autres cuves sont refroidies. Le broyage par effet direct est ensuite réalisé dans une des cuves refroidies au préalable, tandis que la cuve ayant servi au broyage par effet indirect est refroidie à son tour.
    • 2.2.2. Application spécifique à la production de nanodiamants
  • Les nanodiamants sont des éléments utilisés dans le domaine médical, par exemple en tant que traceurs. Des particules de diamants dont la taille est de l'ordre du nanomètre sont irradiées de manière à être fluorescentes une fois injectées dans le corps d'un sujet.
  • Actuellement, le broyage de diamants dans le but d'obtenir des nanodiamants se fait au moyen de broyeurs conventionnels. Un tel broyage présente toutefois des inconvénients en termes de rendement, de coût et de durée.
  • Une autre méthode est basée sur les jets d'air, mais le broyage par cette technique est limité à une granulométrie, c'est-à-dire qu'il ne permet pas d'aller au dessous 100 nanomètres. Le rendement dans ce cas est très faible et d'autres problèmes concernant la récupération des nanoparticules se posent.
  • En effet, les opérations de broyage et d'irradiation sont actuellement réalisées de manière distincte. De plus, le rendement d'un tel broyage est très faible, de l'ordre de 10% des particules de diamant sont broyées jusqu'à une taille de l'ordre du nanomètre.
  • Par ailleurs, l'utilisation du système polyfonctionnel permet des économies importantes en termes de coût ; en effet, les moyens conventionnels pour le broyage de diamant entrainent des dépenses énergétiques très importantes sur des périodes de temps de l'ordre d'une semaine. Le système polyfonctionnel réduit considérablement le temps nécessaire pour l'obtention de nanoparticules de diamant, ce qui réduit ainsi le coût du broyage.
  • L'utilisation du système polyfonctionnel permet de remédier à ces inconvénients.
  • Le système polyfonctionnel permet de broyer les particules de diamant ; comme mentionné précédemment, le premier étage à effet indirect (ondes de choc) permet d'affaiblir la résistance du diamant, tandis que le second étage à effet direct (arcs électriques) va réaliser le broyage en lui-même.
  • Les particules de diamant ont tendance à devenir plus fragile après l'exposition à des décharges électriques, ainsi il y a un seuil d'énergie délivrée à ces particules (correspondant à un nombre de décharges dans le réacteur) à partir duquel leur fragmentation s'accélère brutalement.
  • L'analyse de la dureté des particules de diamant (Syndia, Grade : CD-FS 40/45) montre que les particules de granulométrie 50 micromètres obtenues après broyage par Xcrusher ont une dureté 40 % inférieure à celles de référence (avant broyage). En moyenne la dureté des particules après broyage par décharges électriques baisse de 30 %.
  • Par ailleurs, lors des décharges électriques produites dans le réacteur,les électrons (relativistes) ont une énergie cinétique très élevée, de l'ordre de 0.5 à 1 MeV, ce qui permet d'irradier les particules de diamant après l'impact, d'où le phénomène de luminescence. Ces nanoparticules luminescentes de diamant peuvent servir de marqueurs en biologie et en médecine et ce qui présente un intérêt pour les scientifiques et les industriels. Il y a donc conjointement broyage (nanonisation) et irradiation du diamant du fait de l'arc électrique.
  • Ce phénomène de luminescence des nanoparticules est dû à la présence des centres colorés NV composés d'un atome d'azote (impureté présente dans le diamant) et d'une lacune qui prend la place d'un atome de carbone, générée par la traversée des électrons lors de la décharge électrique ; ainsi l'excitation de ces centres NV se traduit par l'émission d'une lumière.
  • Dans ce procédé, l'irradiation est réalisée en solution liquide, ce qui n'est pas réalisable dans l'état de l'art.
  • Les particules de diamant ainsi irradiées pourront alors être utilisées pour le traçage biomédical en raison de leur luminescence.
  • Les étapes de broyage et d'irradiation sont donc réalisées conjointement sans nécessiter une étape supplémentaire.

Claims (18)

  1. Procédé de valorisation de matériaux par puissance pulsée selon lequel on génère une succession de décharges électriques entre au moins deux électrodes dans un réacteur recevant un liquide ambiant ainsi que des matériaux à valoriser, dans lequel en ce que la succession desdites décharges électriques produit, du fait de l'énergie, de la fréquence des décharges électriques, ainsi que du fait de la tension entre les électrodes et le temps de commutation, une onde de choc mécanique qui se propage sur les matériaux et/ou produits à traiter dans le réacteur, caractérisé en ce que, lors de la mise en oeuvre dudit procédé, ledit liquide ambiant est refroidi par un système de refroidissement en continu ou en carrousel, et en ce qu'après une première étape de fragilisation par l'onde de choc mécanique ainsi produite, on fait subir aux matériaux une succession de décharges électriques dont l'énergie, l'intensité, la tension entre les électrodes qui les génèrent, le temps de commutation et la fréquence de décharge sont choisis telles que lesdites décharges réalisent un broyage du matériau par effet direct des décharges électriques, ledit procédé permettant l'obtention de particules à l'échelle nanométrique.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie, l'intensité, la tension entre les électrodes qui les génèrent, le temps de commutation et la fréquence de décharge sont également choisis telles que l'énergie cinétique des électrons émis lors du broyage du matériau par effet direct des décharges électriques est comprise entre 0.5 MeV et 1 MeV.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de captation des matériaux résultant du broyage en fonction du diamètre des particules par le système de refroidissement, lesdits matériaux résultant du broyage étant en suspension dans le liquide ambiant.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre un séchage des matériaux par induction thermique due à une génération de micro-ondes, ladite étape de séchage intervenant à l'issue des étapes de broyage par effet indirect et direct.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'énergie d'une décharge électrique d'une succession de décharges produisant une onde de choc mécanique est comprise entre 1000 joules et 15000 joules, ou plus précisément entre 5000 joules et 12000 joules
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence de fonctionnement d'une succession de décharges produisant une onde de choc mécanique est comprise entre 0.5 Hz et 2 Hz, ou plus précisément entre 0.5 Hz et 1 Hz.
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'énergie d'une décharge électrique d'une succession de décharges produisant un broyage du matériau par effet direct d'arcs électriques est comprise entre 100 joules et 1200 joules, ou plus précisément entre 200 joules et 1000 joules.
  8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence de fonctionnement d'une succession de décharges produisant un broyage du matériau par effet direct d'arcs électriques est comprise entre 1 Hz et 20 HZ, ou plus précisément entre 5 Hz et 20 Hz.
  9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le temps mort entre deux décharges électriques consécutives varie entre 1 ms et 1 s, ou plus précisément entre 10 ms et 1 s.
  10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le temps de commutation d'une décharge d'une succession de décharges est compris entre 250 ns et 2 µs ou plus précisément entre 300 ns et 900 ns.
  11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau valorisé est de la poudre de diamant, pour l'obtention de nanoparticules de diamant irradiées par irradiation, lesdites nanoparticules irradiées étant luminescentes.
  12. Système de valorisation de matériaux par puissance pulsée comportant au moins un réacteur recevant un liquide ambiant ainsi que les matériaux et/ou produits à valoriser, ainsi qu'au moins deux électrodes et des moyens d'alimentation aptes à être commandés pour générer entre lesdites électrodes une succession de décharges électriques, lesdits moyens d'alimentation et leur commande étant aptes à générer des décharges électriques telles que l'énergie de ces décharges électriques, leur intensité, la tension entre les électrodes, les temps et fréquence de décharge produisent une onde de choc mécanique qui se propage sur les matériaux à traiter dans le réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de refroidissement en continu ou en carrousel adaptés pour assurer un refroidissement du liquide ambiant et qu'il comporte au moins deux étages de réacteur(s), l'un pour la fragilisation matériaux par une onde de choc mécanique générée par effet indirect d'arc électrique, ainsi qu'au moins un autre pour le broyage des matériaux par effet direct des décharges électriques, ledit système étant adapté pour l'obtention de particules à l'échele nanométrique.
  13. Système selon la revendications 12, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation et leur commande sont aptes à générer des décharges électriques telles que la vitesse des électrons traversant le milieu à valoriser, l'énergie stockée dans les condensateurs ou bobines, l'intensité et la fréquence des décharges électriques et la tension entre les électrodes produisent une énergie cinétique des électrons comprise entre 0.5 MeV et 1 MeV.
  14. Système selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de captation des matériaux résultant du broyage en fonction du diamètre des particules par les moyens de refroidissement, lesdits matériaux résultant du broyage étant en suspension dans le liquide ambiant.
  15. Système selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'au moins un réacteur comporte un module de génération des micro-ondes pour le séchage des matériaux.
  16. Système selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'au moins un des réacteurs comporte au moins un couple d'électrodes de forme pointe/plane.
  17. Système selon l'une des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'un réacteur a une forme polyédrique ou cylindrique à fond sphérique.
  18. Utilisation du système selon l'une des revendications 12 à 17 pour la valorisation de poudre de diamant, pour l'obtention de nanoparticules de diamant irradiées.
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