Synthèse de bio-liquide de seconde génération par hydroliquéfaction catalytique de la lignine

par Benoît Joffres

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Christophe Geantet.

Le président du jury était Pascal Fongarland.

Le jury était composé de Antoine Daudin, Franck Dumeignil, Dorothée Laurenti, Alain Quignard.

Les rapporteurs étaient Michel Bardet, Cédric Briens.


  • Résumé

    Actuellement, la transformation de la biomasse en bio-carburant ou molécules pour l'industrie chimique fait l'objet de nombreuses recherches. La lignine, en tant que coproduit de l'industrie papetière et de l'éthanol cellulosique, est une ressource des plus disponibles qui pourait être utilisée pour la production d'aromatiques ou de composés phénoliques. Cependant, cette macromolécule constituée d'unités propylphénoliques liées par des liaisons éthers nécessite d'être dépolymérisée. Ce travail porte sur la compréhension des mécanismes de liquéfaction par hydroconversion catalytique d'une lignine de paille de blé extraite par un procédé papetier à la soude. Dans un premier temps, nous avons mené une caractérisation poussée de cette lignine à l'aide de diverses techniques qui nous a permis de proposer une structure modèle. Ensuite, nous avons mis en place un mode opératoire de conversion et un protocole de récupération des produits. La réaction est réalisée en réacteur semi-ouvert à 350°C en présence d'H2 (8MPa), d'un solvant donneur d'hydrogène (tétraline) et d'un catalyseur d'hydrotraitement NiMoP/Al2O3 sulfuré. Les produits se répartissent en une phase liquide (liquéfiat), une phase gaz, une lignine résiduelle et des solides non-solubles dans le THF. Un taux de conversion a été défini comme le rendement en produits non-solides et les valeurs maximales atteintes sont de 81% pds après 28h de réaction avec un excellent bilan matière. Les fractions récupérées ont ensuite été caractérisées en détail avec des techniques d'analyse adaptées. Grâce à ce protocole d'analyse, nous avons pu observer que le solvant permet d'éviter la formation de solides et que le catalyseur intervient principalement sur l'hydrodésoxygénation et l'hydrogénation des molécules issues de la dépolymérisation de la charge. Enfin, nous avons suivis la réaction au cours du temps, ce qui nous a permis de présenter une ébauche de schéma réactionnel. Les premières étapes de conversion sont la décarboxylation, l'hydrogénolyse des OH aliphatiques et la rupture des liaisons éthers entre les unités élémentaires de la lignine, qui entraînent sa dépolymérisation. Puis des processus plus lent se produisent comme l'élimination des groupes méthoxy, principalement par déméthylation suivi de déshydroxylation. Ainsi, les principaux produits obtenus sont des composés phénoliques et des composés désoxygénés

  • Titre traduit

    Synthesis of second generation fiofuels by catalytic hydroliquefaction of lignin


  • Résumé

    Nowadays, the transformation of lignocellulosic biomass is deeply investigated in order to provide biofuels and chemicals. Lignin, a by-product of pulp and bio-ethanol industry, is an available resource which could be used for the production of aromatic and phenolic compounds. However, this macromolecule mainly made of propylphenolic units linked by ether functions needs to be depolymerized. This work focuses on the study of liquefaction mechanisms by catalytic hydroconversion of wheat straw lignin extracted by a soda pulping. In the first part of this study, an in-depth characterization of this lignin was carried out using techniques. A structure of our lignin was proposed as a result. Then, a procedure was developed to perform the catalytic hydroconversion and recover the products. Catalytic experiments were carried out in a semi-batch reactor at 350°C, using H2 (8 MPa), a hydrogen donor solvent (tetralin) and a sulfide NiMoP/Al2O3 catalyst. The recovered products were separated into a liquid phase, gases, a lignin residue and THF insoluble solids. A conversion of 81 wt% of lignin into non-solid products was reached after 28h of reaction with an excellent mass balance. The characterization of the different fractions was carried out using techniques. Thanks to this protocol, we were able to point out the role of the H-donor solvent for preventing solid formation as well as the role of the catalyst for hydrodeoxygenation and hydrogenation of the depolymerized products. Finally, the catalytic hydroconversion of the lignin was carried out with the different residence times, which helps understanding the transformations occurring during the conversion. At the beginning of the reaction, we observed decarboxylation, hydrogenolysis of aliphatic OH and cleavage of ether linkages between the phenolic units of the lignin. Then, we observed elimination of methoxy groups, mainly by demethylation followed by dehydroxylation. Finally, the main products obtained during the reaction were phenolic and deoxygenated compounds such as aromatics, naphthenes and alkanes

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