Amélioration de la qualité des huiles issues de la pyrolyse-microondes des déchets ménagers

La conversion de la biomasse et des déchets en alternatives aux ressources fossiles est aujourd'hui une des priorités de la communauté scientifique. Cependant, ces nouvelles ressources sont complexes et les procédés existants ne sont pas encore en mesure d'offrir des produits compétitifs. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la production des liquides à partir des déchets. Nous avons opté pour une pyrolyse assistée par microondes. Cette dernière technologie a offert la possibilité d'atteindre des taux de chauffe très élevés vu que le chauffage est intrinsèque au matériau diélectrique. Le matériau est chauffé directement sans avoir à passer par les parois du four ni de l'air chaud. Cependant, l'effet non thermique des microondes constitue toujours un débat entre les scientifiques qui croient en une chimie améliorée par microondes et ceux qui dénie tout effet autre que le chauffage. Nous avons développé un analyseur thermogravimétrique pour trancher sur l'effet des microondes sur la pyrolyse des verres en papier. Nous avons compris par cet exercice l'importance du mode de chauffage et du mécanisme réactionnel pour conclure en un quelconque effet. À taux de chauffe élevé, les microondes et le chauffage électrique décomposent les verres en papier de manière similaires et peuvent être modéliser avec les mêmes paramètres cinétiques. Cependant, à taux de chauffe modéré, la pyrolyse microondes commence à une température apparente beaucoup moins élevée. Ceci est lié à la formation d'intermédiaire réactifs avec les ondes et qui atteignent des températures très élevées très rapidement et leur temps de résidence est en unité de temps assez petite pour ne pas être détectés par le thermocouple. Le même réacteur a servi pour l'étude de la cinétique de la pyrolyse microondes catalysées par oxyde de calcium. Il en a résulté le fait que ce catalyseur permet de réduire les énergie d'activation correspondant à la pyrolyse des verres en papier ainsi que celles pour la production des gaz et liquides. Nous avons développé des modèles adaptés à nos données expérimentales et en les combinant à des données adéquatement corrigées de la littérature. Ces modèles ont été validés par des expériences à plus grande échelle. Finalement, nous avons analysé l'amélioration de la qualité des huiles issues de la pyrolyse microondes des verres en papiers et du PEHD. Cette amélioration est substantielle dans le sens que la teneur en acide totale a été diminuée de moitié, celle en acétique acide de 30% et propénoïque acide de 65%. La viscosité des huiles du PEHD a été diminué de 30%. Et les chaines longues ont disparu des deux huiles. Des composés à valeur ajoutée ont substitué les acides et leur teneur a augmenté dans l'huile.

Abstract

The conversion of biomass and waste into alternatives to fossil fuels is now one of the priorities of the scientific community. However, these new resources are complex and existing processes are not yet able to offer competitive products. In this thesis, we are interested in the production of liquids from waste. We opted for microwave assisted pyrolysis. This last technology has offered the possibility of achieving very high heating rates since the heating is intrinsic to the dielectric material. The material is heated directly without having to go through the oven walls or hot air. However, the non-thermal effect of microwaves is still a debate between scientists who believe in enhanced microwave chemistry and those who deny any effect other than heating. We have developed a thermogravimetric analyzer to decide on the effect of microwaves on the pyrolysis of paper glasses. We have understood from this exercise the importance of the heating mode and the reaction mechanism to conclude in any effect. At high heating rates, microwaves and electric heating break down paper cups molecules in a similar way and can be modeled with the same kinetic parameters. However, at moderate heating rate, the microwave pyrolysis begins at a much lower apparent temperature. This is related to the formation of intermediates reacting the waves and which reach very high temperatures very quickly and their residence time is in units of time small enough not to be detected by the thermocouple. The same reactor was used to study the kinetics of calcium oxide catalyzed microwave pyrolysis of paper cups. As a result, catalyst addition reduces the activation energy corresponding to the pyrolysis of paper cups as well as those for the production of gases and liquids. We have developed models fitted with our experimental data and combined them with data adequately corrected in the literature. These models have been validated by experiments on a larger scale setup. Finally, we analyzed the improvement of the quality of oils from the microwave pyrolysis of paper glasses and HDPE. This improvement is substantial in the sense that the total acid content has been reduced by half, acetic acid content by 30% and propionic acid by 65%. The viscosity of HDPE oils has been reduced by 30%. And the long chains have disappeared from both oils. Value-added compounds substituted the acids and their content increased in the oil.