Influence des traitements de steam explosion sur la dégradation thermique des fibres de cellulose

1. Influence des traitements de steam explosion sur la dégradation thermique des fibres de cellulose N. Jacquet a,b, N. Quievyc, C. Vanderghem a,b, J. Devauxc, C. Bleckerb, M. Paquota aUnité de Chimie Biologique Industrielle, ULG-Gembloux Agro-Bio Tech, Belgique  bUnité de Valorisation des Bio-ressources , ULG-Gembloux Agro-Bio Tech, Belgique c Université Catholique de Louvain, Unité de chimie et de physique des hauts polymères, Université Catholique de Louvain (UCL), Belgique Résumé et Objectifs La présente étude a pour but d’identifier l’impact de différents traitements de steam explosion sur les propriétés de dégradation thermique des fibres de cellulose. Dans un premier temps, les intensités des traitements appliqués ont été définies sur base d’un facteur de sévérité (SF), établi par une corrélation entre le temps de séjour et la température du process. Les résultats obtenus montrent que la dégradation thermique des fibres de cellulose reste limitée lorsque la valeur du facteur de sévérité est inférieure à 4.0. Aux intensités supérieures, le dosage des produits de dégradation montre une croissante importante des concentrations en hydroxyméthylfurfurals (5-HMF) dans les phases liquides issues des différents traitements. Lorsque la valeur du facteur de sévérité dépasse 5.2, les analyses TGA indiquent que l’augmentation des produits de dégradation est couplée à une croissance importante du taux de résidus carbonés, indiquant une forte dégradation thermique de la cellulose. Matériels et Méthodes Schéma théorique de la dégradation thermique de la cellulose Substrat Cellulose Microcrystalline purifiée (hémicelluloses et lignine < 1%) Dimension moyenne Longueur 250 µm Diamètre 30 µm • Dans les conditions de la steam explosion, deux mécanismes de dégradation sont en compétition : • Réaction de dépolymérisation active avec au final formation d’HMF • Réaction de déshydratation conduisant à des résidus carbonés Figure adaptée de [1] Steam explosion Installation Procédé Facteur de sévérité Calculé sur base d’un modèle intégrant la température et la durée du prétraitement Résultats Phase solide Phase liquide Analyse thermogravimétrique (Phase solide) Dosage 5-Hydroxymethyl Furfural et Furfural Lorsque le facteur de sévérité dépasse 4.0, les concentrations en 5-HMF augmentent avec l’intensité du traitement. Ces composés proviennent de la décomposition des intermédiaires obtenus à la suite de la dépolymérisation active de la cellulose. Lorsque le facteur de sévérité est supérieur à 5.2, une augmentation importante du taux de résidus carbonés, induite par les réactions de déshydratation est observée. Conclusions • La dégradation thermique est limitée lorsque le facteur de sévérité du traitement de steam explosion est inférieure à 4.0 • Lorsque le facteur est compris entre 4.0. et 5.2, seule la dépolymérisation active est initiée • Lorsque le facteur de sévérité dépasse 5.2, les réactions de déshydratation viennent compléter la dépolymérisation active de la cellulose References 1. N. Quievy, N. Jacquet, M. Sclavons, C. Deroanne, M. Paquot, J. Devaux. 2010. Influence of homogenization and drying on the thermal stability of microfibrillated cellulose. Polymer degradation ant stability, 95, 306-314 Remerciements : Cette étude a été financée par la région Wallonne dans le cadre des projets LIGNOFUEL (N°716721) et TECHNOSE (N°716757)