Électrodialyse de la liqueur noire avec membrane bipolaire-caractérisation de l'hydrodynamique d'une cellule et relation à la performance

L'industrie de pâte et papier canadienne existe depuis les années 1800 et a connu des évolutions révolutionnaires au fil du temps. En 1990, le Canada est devenu le premier producteur mondial de pâte et papier dans le monde. Cette industrie est demeurée une composante fondamentale de l'économie canadienne jusqu'à l'émergence des technologies électroniques au début des années 2000. Pour s'adapter avec la nouvelle réalité, l'industrie des pâtes et papier devra pouvoir rénover son modèle d'affaire afin de diversifier son portfolio de produits et de varier ses sources de revenus. L'extraction de la lignine à partir de la liqueur usée de cuisson dans une usine de P&P s'avère une voie potentiellement rentable pour convertir un résidu du procédé en bénéfice. La lignine est produite en quantité excédant 50 Mtonnes dans le monde chaque année. De nombreuses études examinent la possibilité de transformer ce polymère naturel en divers produits à valeur ajoutée tels que, les fibres de carbone, le charbon actif, les adhésifs, les phénols dans le but de trouver des substituants aux produits dérivés du pétrole tout en créant une nouvelle richesse pour les usines. Plusieurs méthodes d'extraction de la lignine ont été développées au cours des dernières années. En effet, la dissolution de la lignine dans la liqueur noire est liée au pH. La lignine se retrouve dissoute avec un pH fortement alcalin et commence à précipiter lorsque le pH diminue en bas de 10.9. C'est pourquoi les méthodes d'extraction reposent sur l'acidification de la liqueur noire. Une méthode novatrice d'électrodialyse à membrane bipolaire commence à être étudiée de plus en plus à travers le monde. Cette méthode présente des avantages importants par rapport aux différentes méthodes d'extraction disponibles. Cependant, plusieurs limitations empêchent l'opération prolongée de l'électrodialyse et réduisent l'efficacité de la cellule. La limitation majeure est l'encrassement de la membrane. Il s'agit d'un phénomène de déposition des particules de lignine précipitée sur la surface de la membrane causant ainsi une augmentation dans la résistance électrique dans la cellule et force l'arrêt éventuel de l'opération. Il est donc primordial de pouvoir trouver une solution pour remédier à l'encrassement de la membrane dans l'objectif d'aller vers l'avant avec le développement de cette technologie. L'objectif général de ce projet de recherche est d'investiguer si l'hydrodynamique dans la cellule pourrait avoir une incidence sur l'encrassement de la membrane et conséquemment sur la durée d'opération de la cellule. Plusieurs étapes étaient nécessaires afin de pouvoir atteindre cet objectif. Tout d'abord, une cellule électrochimique à membrane bipolaire a été conçue et construite à partir de zéro. Par la suite, une caractérisation hydrodynamique détaillée a été réalisée à l'aide de certaines solutions références dans le but de mieux comprendre le comportement du fluide à l'intérieur de la cellule. Finalement, l'électrodialyse de la liqueur noire a été effectuée pour différents régimes d'écoulement. Les résultats obtenus ont montré que la promotion de la turbulence dans la cellule a permis de prolonger la durée d'opération d'environ 25%. Ce résultat pourrait être expliqué à l'aide de la notion des couches limites de diffusion. En effet, durant les opérations membranaires, il y a une couche limite de diffusion qui se forme à la surface de la membrane. L'épaisseur de cette couche est liée au degré de turbulence près de la membrane. Plus la turbulence est importante, moins le serait l'épaisseur de la couche et vice-versa. La principale recommandation pour des travaux futurs consiste à pousser l'analyse hydrodynamique de l'électrodialyse de la liqueur noire en régime turbulent dans le but de trouver des paramètres d'opération optimaux qui permettent de retarder voire d'empêcher l'encrassement de la membrane dans la cellule.

Abstract

The Canadian Pulp and Paper industry has begun in the 1800s, and has undergone revolutionary evolution over the years. In 1990, Canada became the world's largest producer of pulp and paper in the world. This industry remained a fundamental component of the Canadian economy until the emergence of electronic technologies in the 2000s. To adapt to the new reality, the pulp and paper industry will have to renovate its business model to diversify its product portfolio and to vary its sources of revenue. The extraction of lignin from spent cooking liquor in a P&P plant is a potentially cost-effective way to convert a process residue into a profit. Lignin is produced in quantities exceeding 50 Mtonnes worldwide each year. Many studies are investigating the possibility of converting this natural polymer into various value-added products such as carbon fiber, activated carbon, adhesives, phenols in order to find substituents for petroleum products while creating a new wealth for the factory. Several methods of lignin extraction have been developed in recent years. In fact, the dissolution of lignin in the black liquor is related to the pH. Lignin is dissolved in an alkaline pH and begins to precipitate as the pH decreases below 10.9. Therefore, the extraction methods are based on the acidification of the black liquor. An innovative technology of bipolar membrane electrodialysis is beginning to be studied more and more around the world. This method has significant advantages over the different extraction methods available. However, several limitations prevent the prolonged operation of electrodialysis and reduce the efficiency of the cell. The major limitation is the membrane fouling. It is a phenomenon of deposition of precipitated lignin particles on the surface of the membrane thus causing an increase in the electrical resistance in the cell and the eventual stoppage of the operation. It is therefore essential to be able to find a solution to remedy the membrane fouling in order to go forward with the development of this technology. The general objective of this research project is to investigate whether the hydrodynamics in the cell could have an impact on the fouling of the membrane and consequently on the duration of the operation. Several steps were needed to achieve this goal. First, a bipolar membrane electrochemical cell was designed and constructed from scratch. Subsequently, a detailed hydrodynamic characterization was carried out using some reference solutions to better understand the behavior of the fluid inside the cell. Finally, electrodialysis of the black liquor was performed for laminar and turbulent flow regimes. The obtained results showed that the promotion of turbulence in the cell allowed the duration of operation to be extended by approximately 25%. This result could be explained by the concept of diffusion boundary layer. In fact, there is a diffusion boundary layer that forms on the surface of the membrane during membrane operations. The thickness of this layer is related to the degree of turbulence near the membrane. The greater the turbulence, the less is the thickness of the layer and vice versa. The main recommendation for future work is to push the hydrodynamic analysis of black liquor electrodialysis in a turbulent regime in order to find optimal operating parameters that can delay or even prevent the membrane fouling in the cell.