Ultrasound-Assisted Depolymerization and Chemical Modification of Waste Lignin for Value-Added Products Manufacturing

La transition vers une économie circulaire repose sur l’utilisation efficace des ressources renouvelables et la valorisation des sous-produits industriels. La demande croissante de matériaux et de produits chimiques durables a ravivé l’intérêt pour la lignin, un biopolymère abondant mais sous-exploité issu de l’industrie papetière. Bien qu’elle présente un fort potentiel comme matière première pour des produits à haute valeur ajoutée, sa structure complexe et hétérogène limite sa solubilité et la sélectivité des processus de dépolymérisation et de fonctionnalisation. Cette recherche doctorale visait à développer des procédés assistés par ultrasons en une étape afin de convertir la lignine en produits à valeur ajoutée, répondant ainsi au besoin de méthodes efficaces et respectueuses de l’environnement pour sa valorisation. Plus précisément, ce projet a exploré la dépolymérisation et la fonctionnalisation simultanées par ultrasons pour obtenir de la lignine carboxyalkylée et estérifiée. La car-boxyméthylation introduit des groupes carboxyméthyles, augmentant la densité de charge anionique, la solubilité dans l’eau et la capacité dispersante, ce qui en fait un candidat intéressant pour les biodispersants et modificateurs rhéologiques. L’estérification, quant à elle, greffe des groupes hydrophobes sur la lignine, améliorant sa compatibilité avec les matrices non polaires et sa stabilité thermique, élargissant ainsi ses applications potentielles dans les composites polymères, les revêtements et les lubrifiants. La thèse est divisée en quatre parties, chacune correspondant à des objectifs spécifiques et donnant lieu à quatre publications. Chaque section s’appuie sur la précédente, assurant une progression cohérente vers l’objectif principal. La première partie présente une analyse approfondie visant à identifier le procédé de délignification optimal ainsi que les traitements synergiques permettant d’améliorer la solubilisation et la dépolymérisation de la lignine. Étant donné sa hétérogénéitée, aucune méthode d’extraction universelle n’existe. Une analyse comparative des techniques a permis d’identifier la lignine LignoForce (faible teneur en soufre, moins de 2 %, et faible poids moléculaire, moins de 10 kDa) comme substrat optimal pour cette étude doctorale. Cette analyse a également sélectionné les solvants les plus adaptés pour la dissolution et la dépolymérisa-tion catalytique de la lignine (eau alcaline et liquides ioniques à base de méthylimidazole et de pyrrolidine) et a établi les conditions initiales d’opération par ultrasons (fréquence entre 20 kHz-100 kHz et intensité de la puissance supérieure à 5 W cm−2). La deuxième partie a examiné la carboxyméthylation assistée par ultrasons de la lignine en milieu aqueux alcalin. Une intensité de 15 W cm−2 a permis de réduire le poids moléculaire de la lignine d’au moins 50 %et de raccourcir le processus de carboxyméthylation de huit fois. Comparé à un chauffage conventionnel, ce procédé par ultrasons est 30 % mon énergivore.