Pyrolyse assistée par micro-ondes

La pyrolyse assistée par micro-ondes est un moyen économe en énergie et contrôlable de convertir la biomasse en produits chimiques ou en carburants.

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Avantages du chauffage MO

La pyrolyse assistée par micro-ondes est un moyen économe en énergie et contrôlable de convertir la matière première en produits chimiques ou en carburants. Le chauffage par micro-ondes présente un certain nombre d'avantages par rapport aux types de chauffage conventionnels, notamment l'activation sélective de divers produits chimiques.

 

Un exemple de sélectivité est la pyrolyse de la biomasse. Les principaux composants de la biomasse, tels que l'hémicellulose, la cellulose et la lignine, sont activés à des températures différentes. Il est ainsi possible d'augmenter la sélectivité de la bio-huile, en recueillant différentes fractions à différentes températures. En outre, la dégradation thermique des polysaccharides s'effectue à des températures plus basses par rapport aux méthodes conventionnelles.

La bioraffinerie lignocellulosique et ses derniers développements revêtent une grande importance dans les secteurs économique, environnemental et politique. Il existe deux approches principales pour l'activation et l'utilisation de la biomasse : biochimique (fermentation) et thermochimique (pyrolyse de la biomasse en bio-huile et bio-char). Actuellement, des efforts considérables sont déployés pour augmenter l'échelle de la transformation de la biomasse.

 

Contrairement à la biochimie, l'évolutivité de l'approche thermochimique a déjà été prouvée par la production millénaire (depuis l'époque de l'Impair romain) de bio-charbon et de bio-huile. Au milieu du 19ème siècle, les connaissances accumulées ont permis d'obtenir du charbon de bois à une échelle appropriée pour satisfaire tous les types de métallurgie tandis que le goudron couvrait toute la demande de la construction navale. Par exemple, en 1863, l'exportation de goudron de Finlande atteignait 28 millions de litres (170 000 barils) tandis que les États-Unis fabriquaient près d'un million de tonnes de biocharbon par an.

Dans les conditions de concurrence mondiale croissante du début du 20e siècle, le charbon à coke et le pétrole brut bon marché ont remplacé le charbon et le goudron dans leurs applications traditionnelles. Aujourd'hui, les problèmes liés à la disponibilité du pétrole brut, au réchauffement de la planète et aux problèmes écologiques obligent les méthodes thermochimiques à faire une révolution technologique et à trouver une nouvelle niche dans une économie mondiale.

 

Le succès de cette stratégie pourrait reposer sur la production de produits chimiques contenant de l'oxygène. En raison d'un degré élevé de fonctionnalisation, ces composés ne nécessitent pas de transformation en plusieurs étapes et sont commercialement intéressants pour les grandes industries. Il est important de noter que les industries actuelles produisent une quantité importante de déchets lignocellulosiques. Seule l'industrie du papier et de la pâte à papier produit 40 à 50 kg de boues sèches pour 1 tonne de papier et génère par la suite des déchets solides municipaux (DSM) contenant du polymère de cellulose comme principal constituant. Dans l'UE, le problème des déchets solides municipaux a un profil politique très élevé en raison de son caractère complexe. Aux États-Unis, plus de 21 millions de tonnes de déchets de papier et de carton sont mis en décharge chaque année.

 

Cependant, la séparation ex-situ des composants contenant de l'oxygène (une fois qu'ils ont été produits) est un défi pour la bioraffinerie. Même pour la pyrolyse de la cellulose, le constituant le plus simple de la biomasse, la bio-huile contient plus de 100 composés, dont la majorité sont des produits chimiques à haut point d'ébullition et thermiquement instables. Ces composés ne peuvent pas être séparés par distillation. Dans le même temps, la séparation efficace des produits chimiques précieux issus de la pyrolyse de la cellulose est une tâche essentielle à l'échelle mondiale, qui contribue à résoudre les problèmes économiques et environnementaux.

 

Solution et mécanisme des micro-ondes

La solution possible est la séparation in situ et la pyrolyse initialement sélective vers les produits chimiques ou la fraction ciblés (par exemple, charbon de bois/biochar).

 

Les principaux composants structurels de la biomasse sont des polymères solides contenant de l'oxygène. L'irradiation par micro-ondes interagit très efficacement avec ces matériaux en réduisant leur température de décomposition par rapport à la pyrolyse conventionnelle. Dans le même temps, la plupart des produits de la pyrolyse (à l'exception du biochar) sont des gaz ou des substances volatiles.

 

En raison de la faible densité de ces produits, l'irradiation par micro-ondes interagit faiblement avec eux, laissant les composés gazeux et volatils à une température plus basse que lors d'un chauffage conventionnel. De plus, le biochar obtenu est non conducteur, peu polaire, et n'interagit pas avec l'irradiation de MO .

La température la plus basse du produit dans le cas du chauffage MO conduit à une meilleure sélectivité de ce procédé que du procédé conventionnel. La baisse de la sélectivité du processus principal (pyrolyse) est le résultat de la décomposition des produits primaires. La réduction de la température du processus principal diminue le taux de dégradation des produits primaires et donc la sélectivité.

 

Estimons l'amélioration possible de la sélectivité dans le procédé par micro-ondes. Selon la règle de Van't Hoff, la vitesse d'une réaction élémentaire augmente deux fois tous les 10 degrés. La littérature montre que la pyrolyse de MO se produit généralement à une température inférieure de 80°C à la température conventionnelle. Par conséquent, la vitesse de la réaction secondaire dans le cas de la pyrolyse de MO sera 28 = 256 fois inférieure à celle du procédé conventionnel. Cette valeur n'est correcte que pour le taux initial et cet effet diminue à l'approche de la fin du processus. Toutefois, si le temps de séjour du produit primaire dans la biomasse est court, la sélectivité du procédé pourrait être améliorée de près de 100 fois.

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