Hydrothermal recrystallization of alpha calcium hemihydrate from gypsum: effect of temperature and solid content on the kinetics and morphology of the product

Recristallisation hydrothermale d'hemihydrate de calcium alpha à partir de gypse : effet de la température et du taux de solide sur la cinétique et la morphologie du produit

Yi Rong (1, 2) , Alain Gaunand (2) , Fabien Baillon (1) , Fabienne Espitalier (1) , Philippe Accart (1)

1 RAPSODEE - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement
2 CTP - Centre Thermodynamique des Procédés

In this work, the transformation of gypsum - calcium dihydrate (CaSO4.2H2O) into bassanite - alpha-hemihydrate (CaSO4.1/2H2O) by hydrothermal recrystallization in pure water was studied under isothermal conditions. The conversion is carried out in a 2L stirred reactor equipped with baffles, with continuous control of the temperature of the suspension. Samples are taken over time to characterize the suspension - particle size distribution by laser granulometry, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, infra-red desiccation water content, from which we deduce the evolution of rate of conversion of gypsum to hemihydrate. The influence of the water / gypsum mass ratio, R = 3 and 5, was observed at 120°C., then that of the temperature, T=125, 130°C., for the mass ratio R = 5. The more concentrated suspension (R = 3) and the lowest temperature lead to mono-crystalline particles of polyhedral structure (pseudo-hexagon), with low recrystallization of needles. At the highest temperatures investigated, a majority of needles are observed, passing through a step of lateral dissolution of polyhedra. These findings suggest a maturation caused by a greater secondary nucleation, and a growth fed by the dissolution of the ends of the previous polyhedra. The method makes it possible to modulate, according to their application, the facies and the size of the particles obtained. The identification of the mechanisms must make it possible to choose the hypotheses and the kinetic expressions of the dissolution-recrystallization model established previously.

Dans ce travail, la transformation du gypse-di-hydrate de calcium (CaSO4.2H2O) en bassanite-α-hémi-hydrate (CaSO4. 1/2H2O) par recristallisation hydrothermale dans de l'eau pure a été étudiée en conditions isothermes. La transformation est mise en oeuvre dans un réacteur agité de 2 L muni de chicanes, avec un contrôle continu de la température de la suspension. Des prélèvements sont effectués au cours du temps, afin de caractériser la suspension-distribution de taille des particules par granulométrie laser, diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage, teneur en eau par dessiccation infra-rouge, dont on déduit l'évolution du taux de conversion du gypse en hémi-hydrate. L'influence du rapport massique eau/gypse, R=3 et 5 a été observée à 120 °C , puis celle de la température, T=125, 130 °C, pour le rapport massique R = 5. La suspension plus concentrée (R = 3) et la température la plus basse conduisent à des particules mono-cristallines de structure polyédrique (pseudo-hexagone), avec faible recristallisation d'aiguilles. Aux plus hautes températures investiguées, une majorité d'aiguilles est observée, avec passage par une étape de dissolution latérale de polyèdres. Ces constats suggèrent un mûrissement provoqué par une nucléation secondaire plus importante, et une croissance alimentée par la dissolution des extrémités des polyèdres précédents. Le procédé permet de moduler, selon leur application, le faciès et la taille des particules obtenues L'identification des mécanismes doit permettre de choisir les hypothèses et les expressions cinétiques du modèle de dissolution-recristallisation établi précédemment Mots-clés : cristallisation, hydrothermal, cinétique, faciès

Mots clés: crystallization; kinetics

Mots clés: cristallisation; hydrothermal; cinétique; faciès

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Yi Rong, Alain Gaunand, Fabien Baillon, Fabienne Espitalier, Philippe Accart. Recristallisation hydrothermale d'hemihydrate de calcium alpha à partir de gypse : effet de la température et du taux de solide sur la cinétique et la morphologie du produit. SFGP 2017 - 16ème Congrès de la Société Française de Génie des Procédés, SFGP, Jul 2017, Nancy, France. art. 2-1-8 p. ⟨hal-01664631⟩