Délignification à l'oxygène du bois et des pâtes papetières en présence du catalyseur

Oxygen delignification of wood and cellulosic fibres with catalyst

• Auteur / Autrice : Michaël Allix
• Direction : Dominique Lachenal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

L'utilisation de l'oxygène pour le blanchiment des fibres cellulosiques s'est généralisée au cours des dernières années. Au cours de ce traitement, 50% de la lignine est éliminée. Au delà de cette quantité, la dégradation de la cellulose devient trop importante et la qualité de la pâte obtenue n'est plus satisfaisante. De nombreux auteurs ont suggéré que l'addition de catalyseurs appropriés dans un traitement à l'oxygène devrait permettre d'améliorer l'efficacité du procédé et d'éliminer une plus grande quantité de lignine. Ainsi non seulement le blanchiment à l'oxygène serait plus performant mais également la délignification directe et complète du bois par l'oxygène deviendrait possible. Notre étude a confirmé que le complexe cuivre (CU2+) - phénanthroline avait une activité catalytique remarquable. Afin d'évaluer l'efficacité de ce catalyseur, différents substrats copeaux de bois, copeaux déstructurés, pâte cellulosique mécanique, pâte cellulosique chimique- ont été traités. En particulier une pâte cellulosique fortement délignifiée a pu être obtenue par traitement direct à l'oxygène dans des conditions douces (100ʿC) de copeaux destructurés. Pour expliquer l'action du complexe, la lignine résiduelle des fibres obtenues après traitement catalysé a été extraite et analysée par spectroscopie RMN 13C, spectroscopie infra-rouge ainsi qu'à l'aide d'une méthode d'analyse électrochimique, la voltamétrie cyclique. Les résultats obtenus ont permis de proposer un mécanisme d'action du catalyseur. L'ajout du complexe cuivre - phénanthroline provoquerait dans une première étape l'oxydation des fonctions alcools situées en α des noyaux phénoliques de la lignine, en fonctions carbonyles. La présence des fonctions carbonyles ainsi formées faciliterait alors la coupure des liaisons ß-O-4 de la lignine en milieu alcalin. Le catalyseur sous sa forme oxydée serait continuellement régénéré par l'action de l'oxygène.

Oxygen bleaching of chemical pulps has developed considerably during the last years. During oxygen bleaching 50% of the lignin still present in the fibres is removed. Going further would cause severe cellulose depolymerisation and would damage the fibre properties. It has been suggested that appropriate catalysts should improve the efficiency of lignin removal so as to extend the bleaching effect of oxygen or even to make direct delignification of wood chips by oxygen possible. This work has confirmed that the CUH -Phenanthroline complex had a dramatic effect on the efficiency of oxygen delignification. Several substrates have been used such as wood chips, disintegrated chips, mechanical and chemical pulps. The most spectacular effect was observed with disintegrated chips which could be almost entirely delignified at low temperature (100ʿC). Residuallignin was extracted after treatment and analysed by 13C NMR and cyclic voltarnmetry. The results made it possible to suggest a mechanism by which the catalyst would activate oxygen delignification. CU2+ - Phenanthroline would convert the OH groups located at the α position on the lignin phenyl - propane units into carbonyl groups. The presence of carbonyl groups would favour the cleavage of ß-O-4 linkages in lignin under alkaline conditions. The reduced catalyst would be continuously re- oxidized by oxygen.