Développement de méthodes analytiques pour la caractérisation de la biomasse lignocellulosique et de ses produits de combustion

Development of analytical methods for the characterisation of lignocellulosic biomass and its combustion products

• Auteur / Autrice : Clément Castilla
• Direction : Hélène Lavanant, Carlos Afonso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 26/01/2021
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale normande de chimie (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie organique, bioorganique : réactivité et analyse (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime ; 2000-2025)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Jubault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilie Destandau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Aubriet, Hélène Rogniaux
• DOI : 10.70675/b4c730ffze4d8z4067zab48z7018387668c6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse végétale

Spectrométrie de résonance cyclotronique ionique

Spectroscopie de mobilité ionique

Chromatographie par échange d'ions

Mots clés libres

Biomasse lignocellulosique

Spectrométrie de masse FTICR

Spectrométrie de mobilité ionique

Analyse directe

Analyse d'inorganiques et métaux lourds

Lignocellulosic biomass

FTICR mass spectrometry

Ion mobility spectrometry

Direct analysis

Inorganic compound analysis

Heavy metals analysis

Résumé

La biomasse lignocellulosique est une source abondante d’énergie renouvelable pouvant être utilisée comme une alternative aux énergies fossiles pour la production de chaleur, d’électricité ou de composés chimiques d’intérêt. En effet, la biomasse lignocellulosique peut être convertie par des procédés biochimiques ou thermochimiques. Cependant, les processus de conversion de la biomasse sont très complexes en raison de sa composition. Le but de la thèse est de développer des outils analytiques permettant la caractérisation de la biomasse lignocellulosique et de leurs produits de conversion par combustion et pyrolyse. L’analyse de la biomasse a été effectuée par désorption thermique et pyrolyse grâce l’utilisation de sondes d’introduction directe (DIP et ASAP), permettant la caractérisation rapide de solides. Ces sondes ont été couplées à la spectrométrie de masse à résonance cylcotronique ionique à transformée de Fourier (FTICR) et à la spectrométrie de mobilité ionique couplée à la spectrométrie de masse. Le spectromètre de masse FTICR avec sa résolution et sa précision en masse a été utilisée pour la cartographie moléculaire des produits de désorption thermique et pyrolyse de la biomasse, tandis que la spectrométrie de mobilité ionique a donné des informations sur la présence d’isomères dans ces produits. Les méthodologies DIP FTICR et ASAP IM TOF MS ont été appliquées à la comparaison de différentes espèces de biomasses et ont permis la détermination de marqueurs moléculaires spécifiques pour certaines de ces espèces. La présence d’isomères dans les produits de pyrolyse et thermo désorption de la biomasse a été évaluée par comparaison avec des molécules de références et spectrométrie de masse en tandem. Enfin, la chromatographie ionique et la spectrométrie de masse à couplage à plasma inductif ont été utilisées pour la caractérisation des composés inorganiques et métaux à l’état de trace issus de la combustion de la biomasse lignocellulosique.

Lignocellulosic biomass is an abundant source of renewable energy that can be used as an alternative to fossil fuels to produce heat, electricity, or chemical compounds. Indeed, lignocellulosic biomass can be converted by biochemical or thermochemical processes. However, biomass conversion processes are very complex because of biomass composition. The aim of the thesis is to develop analytical tools for the characterization of lignocellulosic biomass and their conversion products by combustion and pyrolysis. Biomass analysis was carried out by thermal desorption and pyrolysis using direct introduction probes (DIP and ASAP), allowing the rapid characterization of solids. These probes were coupled with Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTICR) and ion mobility spectrometry coupled with mass spectrometry. The FTICR mass spectrometer with its resolution and mass accuracy was used for the isobaric fingerprinting of thermal desorption and pyrolysis products of biomass, while the ion mobility spectrometry provided isomeric information. The DIP FTICR and ASAP IM TOF MS methods were applied to the comparison of different plant species that produce lignocellulosic biomass and allowed the determination of molecular markers specific to certain biomass types. In addition, the presence of isomers in the pyrolysis and thermo-desorption products of the biomass was evaluated by comparison with reference molecules and tandem mass spectrometry. Finally, ion chromatography and inductively coupled plasma mass spectrometry were used for the characterization of inorganic compounds and trace metals resulting from the combustion of lignocellulosic biomass.