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.