Produire des biocombustibles par pyrolyse catalytique de la biomasse
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La pyrolyse : un procédé prometteur, mais partiellement élucidé
L’énergie est un intrant vital pour la production industrielle et la croissance économique. Dans un monde où les émissions de carbone sont de plus en plus restreintes, les vecteurs énergétiques renouvelables constituent l’un des éléments clés des stratégies adoptées de par le monde pour faire face aux besoins énergétiques croissants tout en respectant les objectifs globaux de réduction des émissions de gaz à effet de serre. La part des biocarburants dans l’approvisionnement énergétique total du Canada continue de croître, mais des progrès importants restent à faire pour déployer de manière plus intensive les biocombustibles issus de la conversion de la biomasse [1]. Cet article porte sur la pyrolyse, une voie efficace et écologiquement attrayante permettant de produire des biocarburants pouvant remplacer les combustibles fossiles dans les chaudières et les moteurs. Il demeure toutefois plus que jamais nécessaire de mieux appréhender les mécanismes physico-chimiques impliqués dans la pyrolyse de la biomasse et d’évaluer les principales caractéristiques des produits obtenus. À l’ÉTS, ces besoins critiques font l’objet de recherches où de nouvelles voies de synthèse (notamment catalytiques) de biocombustibles pyrolytiques sont étudiées.
Pyrolyse catalytique de la biomasse
La biomasse lignocellulosique est principalement composée de trois biopolymères : l’hémicellulose, la cellulose et la lignine (cf. Fig. 1). La pyrolyse consiste à décomposer ces biopolymères par chauffage sous atmosphère inerte pour générer des produits présents sous trois formes : un résidu solide riche en carbone appelé char, une fraction de vapeurs condensables composées d’un mélange d’eau et de composés organiques, et une phase gazeuse non condensable. Les produits de pyrolyse obtenus directement à partir de la biomasse brute présentent généralement certains inconvénients en raison de leur teneur élevée en oxygène, entraînant de fait une forte corrosivité et un faible pouvoir calorifique. Pour y remédier, une option intéressante consiste à effectuer un traitement catalytique de la biomasse afin d’optimiser la sélectivité en produits d’intérêt et d’éliminer les groupements oxygénés au sein desdits produits pour en améliorer la qualité.
Figure 1 : De la biomasse aux biocombustibles
Parmi les catalyseurs envisagés, une attention particulière est accordée aux métaux alcalins et alcalinoterreux (MAAT) compte tenu de leur faible toxicité, de leur coût abordable et de leur efficacité catalytique. Notre récente revue de la littérature a cependant mis en évidence la nécessité de mener des recherches complémentaires afin de comparer de manière systématique l’effet des MAAT, en les ajoutant aux mêmes matières premières et dans les mêmes conditions opératoires, afin de déterminer leur efficacité respective, notamment d’un point de vue cinétique [2].
Étude de l’influence des MAAT sur les cinétiques de pyrolyse
La figure 2 présente la méthodologie mise en œuvre pour étudier la pyrolyse catalytique de la biomasse. Les MAAT sont ajoutés aux matières premières par imprégnation humide. Des analyses thermogravimétriques (ATG) sont ensuite réalisées afin de mesurer la perte de masse des échantillons en fonction de la température, ce qui permet de rendre compte des phénomènes de rupture des liaisons pendant la pyrolyse. La comparaison des profils de perte de masse mesurés pour les biomasses brutes et imprégnées permet ensuite d’évaluer l’effet relatif du catalyseur sur la décomposition des biopolymères. Enfin, les résultats peuvent être modélisés cinétiquement par diverses approches—model-fitting, modèles d’iso-conversion, schémas réactionnels globaux, etc.—afin d’estimer les paramètres des constantes de vitesse permettant de simuler les données mesurées. Il est ainsi possible d’en déduire des informations fondamentales sur les mécanismes réactionnels mis en jeu et sur les effets catalytiques induits par l’ajout des MAAT.
Figure 2 : Méthodologie mise en œuvre pour étudier la pyrolyse de la biomasse en présence de catalyseurs à base de MAAT
Un procédé moins énergivore
L’analyse de la pyrolyse catalytique d’échantillons de bois de hêtre et de rafles de maïs imprégnés avec six additifs contenant des MAAT (Na2CO3, NaOH, NaCl, KCl, CaCl2 et MgCl2) a révélé que les métaux alcalino-terreux étaient plus efficaces que les métaux alcalins pour décomposer la biomasse à basse température [3]. Ce phénomène serait lié à l’affinité des métaux alcalino-terreux pour les groupements oxygénés présents dans les biopolymères et à la capacité de ces ions métalliques à promouvoir les réactions de déshydratation, ainsi que la dépolymérisation de l’hémicellulose, entre autres. Le caractère basique des catalyseurs s’est en outre avéré être un facteur important influençant la pyrolyse. En l’occurrence, plus le caractère basique de l’additif est élevée, plus son efficacité est grande, en raison notamment de la forte capacité de désoxygénation des catalyseurs basiques. Cependant, il a été constaté que le CaCl2 et le MgCl2 favorisent les réactions de repolymérisation, entraînant de la sorte une formation accrue de char lors de l’emploi de tels catalyseurs à forte concentration. Il en résulte que l’utilisation de teneurs relativement basses en catalyseurs permet une utilisation optimale de la biomasse.
En termes d’analyse des résultats, la modélisation des données mesurées a permis de déduire des paramètres cinétiques adaptés pour simuler l’évolution du degré de conversion du combustible (α) en fonction de la température (Т) qui suit typiquement une ou un ensemble de relations de type Arrhenius :
où А est le facteur préexponentiel, Ea est l’énergie d’activation (énergie minimale requise pour amorcer une réaction), R est la constante universelle des gaz parfaits et f(α) est le modèle de réaction différentielle. Les résultats obtenus ont mis en évidence des baisses importantes des énergies d’activation lors de l’imprégnation de différentes biomasses lignocellulosiques avec des chlorures de MAAT, corroborant ainsi l’existence d’effets catalytiques déplaçant les processus de décomposition vers des températures plus basses [4]. Cette découverte est intéressante, car plus la température de pyrolyse est basse, moins l’énergie nécessaire à la transformation de la biomasse est grande.
L’étude des mécanismes réactionnels pouvant expliquer l’influence des MAAT sur la dégradation thermique de la biomasse lignocellulosique a finalement démontré que le clivage accru des liaisons chimiques au sein de la biomasse et la promotion des réactions de formation de char sont les deux voies susceptibles d’expliquer les différentes tendances décrites ci-dessus.
Conclusion
Les recherches menées à l’ÉTS permettent de mieux comprendre l’effet catalytique des MAAT. Les travaux qui ont été entrepris par l’équipe du Professeur Lemaire ont notamment permis d’élucider les mécanismes réactionnels et cinétiques mis en jeu lors de la pyrolyse de la biomasse catalysée par des MAAT. À long terme, ces recherches permettront de déterminer les catalyseurs et les conditions opératoires les plus adaptés pour produire des biocombustibles carboneutres via la conversion de ressources non comestibles, contribuant ainsi à soutenir la transition vers un avenir énergétique à faible empreinte carbone.
Complément d’information
Pour plus de détails concernant ce sujet de recherche, veuillez consulter l’article suivant :
Wang, W.; Lemaire, R.; Bensakhria, A.; Luart, D. Review on the Catalytic Effects of Alkali and Alkaline Earth Metals (AAEMs) Including Sodium, Potassium, Calcium and Magnesium on the Pyrolysis of Lignocellulosic Biomass and on the Co-Pyrolysis of Coal with Biomass. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 2022, 163, 105479. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2022.105479
