Développement d'une plateforme de calcul d'équilibres chimiques complexes et adaptation aux problèmes électrochimiques et d'équilibres contraints

Abstract

Avec l'arrivée de l'environnement comme enjeu mondial, le secteur de l'efficacité énergétique prend une place de plus en plus importante pour les entreprises autant au niveau économique que pour l'image de la compagnie. Par le fait même, le domaine des technologies de l'énergie est un créneau de recherche dont les projets en cours se multiplient. D'ailleurs, un des problèmes qui peut survenir fréquemment dans certaines entreprises est d'aller mesurer la composition des matériaux dans des conditions difficiles d'accès. C'est le cas par exemple de l'électrolyse de l'aluminium qui se réalise à des températures très élevées. Pour pallier à ce problème, il faut créer et valider des modèles mathématiques qui vont calculer la composition et les propriétés à l'équilibre du système chimique. Ainsi, l'objectif global du projet de recherche est de développer un outil de calcul d'équilibres chimiques complexes (plusieurs réactions et plusieurs phases) et l'adapter aux problèmes électrochimiques et d'équilibres contraints. Plus spécifiquement, la plateforme de calcul doit tenir compte de la variation de température due à un gain ou une perte en énergie du système. Elle doit aussi considérer la limitation de l'équilibre due à un taux de réaction et enfin, résoudre les problèmes d'équilibres électrochimiques. Pour y parvenir, les propriétés thermodynamiques telles que l'énergie libre de Gibbs, la fugacité et l'activité sont tout d'abord étudiées pour mieux comprendre les interactions moléculaires qui régissent les équilibres chimiques. Ensuite, un bilan énergétique est inséré à la plateforme de calcul, ce qui permet de calculer la température à laquelle le système est le plus stable en fonction d'une température initiale et d'une quantité d'énergie échangée. Puis, une contrainte cinétique est ajoutée au système afin de calculer les équilibres pseudo-stationnaires en évolution dans le temps. De plus, la contrainte d'un champ de potentiel électrique est considérée pour l'évaluation des équilibres électrochimiques par des techniques classiques de résolution et fera l'objet de travaux futurs via une technique d'optimisation. Enfin, les résultats obtenus sont comparés avec ceux présents dans la littérature scientifique pour valider le modèle. À terme, le modèle développé devient un bon moyen de prédire des résultats en éliminant beaucoup de coût en recherche et développement. Les résultats ainsi obtenus sont applicables dans une grande variété de domaines tels que la chimie et l'électrochimie industrielle ainsi que la métallurgie et les matériaux. Ces applications permettraient de réduire la production de gaz à effet de serre en optimisant les procédés et en ayant une meilleure efficacité énergétique.