Settling in Aggregating Colloidal Suspensions

Agrégation et sédimentation dans les suspensions colloïdales

Univ. Paris XI

Abstract

Strongly-aggregating colloidal suspensions form gels whose stability depends on the volume fraction phi of the particles. In a given range of volume fractions, the formed gel is so fragile it collapses under its own weight. We present a study of the settling kinetics of such a colloidal gel. Systematic experiments have been performed in calcium carbonate aqueous suspensions of varying volume fractions. Different settling regimes have been observed and are successfully described using a 1D model that takes into account both the microscopic structure of the gel constituted by a packing of fractal aggregates and its specific mechanical properties. We have also varied the inclination angle alpha of the cell to the vertical direction, which can lead to the occurrence of new settling regimes. The experimental results are summarised in a alpha vs. phi diagram that covers a large range of experimental conditions. Using both our 1D model and arguments similar to the ones used for macroscopic suspensions (PNK-Ponder, Nakamura and Kuroda-model), we propose a 2D description of the influence of inclination that is in good agreement with the experimental data. The model we propose therefore enables both to interpret and predict the settling behaviours of strongly-aggregating colloidal suspensions that are involved in many industrial processes.

Résumé

Dans une suspension colloïdale où les particules s'agrègent, il existe une gamme de fractions volumiques pour laquelle la suspension forme un gel si fragile qu'il se tasse sous son propre poids. Nous présentons une étude de la cinétique de sédimentation d'un gel colloïdal formé par une suspension de particules de carbonate de calcium dans l'eau. La fraction volumique des particules a été systématiquement variée et différents régimes de sédimentation ont été observés. Les résultats expérimentaux sont décrits en utilisant un modèle 1D qui prend en compte à la fois la structure microscopique du gel colloïdal, assimilé à un empilement compact d'agrégats fractals, et ses propriétés mécaniques. L'angle d'inclinaison de la cellule par rapport à la verticale a également été varié et nous montrons que l'inclinaison peut induire l'apparition de nouveaux régimes de sédimentation. Les résultats, qui correspondent à une large gamme de conditions expérimentales, sont résumés dans un diagramme représentant les variations de phi et alpha. L'influence de l'inclinaison de la cellule a pu être décrite par un modèle 2D utilisant les résultats du modèle 1D introduit précédemment, ainsi que les arguments du modèle PNK (Ponder, Nakamura et Kuroda), classiquement utilisé pour décrire la sédimentation de suspensions de particules macroscopiques dans une géométrie inclinée. La description proposée est non seulement en très bon accord avec les résultats expérimentaux mais permet également de prédire le comportement de ce type de suspensions colloïdales, qui sont utilisées dans de nombreux processus industriels.