Extraction, modification et caractérisation de lignine de frondes de palmier à huile pour la production d’inhibiteurs de corrosion dans solution d’acidique

Extraction, modification and characterization of lignin from oil palm fronds as corrosion inhibitors for mild steel in acidic solution

• Auteur / Autrice : Mohd Hazwan Bin Hussin
• Direction : Nicolas Brosse, Afidah Abdul Rahim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du bois et des fibres
• Date : Soutenance le 29/10/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Universiti Sains Malaysia (Malaisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Khalijah Awang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khalijah Awang, Jean-Michel Lavoie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anticorrosifs

Lignine

Extraction (chimie)

Biomasse -- Conversion

Malaisie

Industrie et commerce

Lignocellulose

Mots clés libres

Biomasse

Déchets industriels

Lignine

Extraction

Inhibition de la corrosion

Résumé

La biomasse lignocellulosique en Malaisie peut être considérée comme l'une des sources d'énergie renouvelable prometteuse. Elle est principalement composée de cellulose, d'hémicellulose et de lignine et est adaptée pour des applications dans les domaines de l'énergie et de la chimie en raison de sa disponibilité suffisante, de son faible coût et de son caractère renouvelable. La production de biomasse lignocellulosique en Malaisie est considérée comme élevée et est issue en grande partie de l'industrie de l'huile de palme (environ 60 millions de tonnes de déchets d'huile de palme sont générés en un an). Les déchets de l’industrie de l'huile de palme pourraient être utilisés comme ressources alternatives pour la production de papier et de carton. Cependant, dans ce contexte, d'énormes quantités de lignine seraient rejetées (par l'industrie des pâtes et papier) en raison du manque de prise de conscience de son potentiel. Avec une teneur élevée en groupes fonctionnels divers (-OH phénoliques et aliphatiques, les carbonyles, les carboxyles, etc.), la lignine pourrait être utilisée en substitution de produits actuels dans des applications industrielles telles que l'inhibition de la corrosion des métaux et alliages. Les frondes de palmier à huile (OPF) étant l'un des plus gros contributeurs de déchets de biomasse en Malaisie, elles ont donc été utilisées comme matière première dans cette étude. Afin d'améliorer l'extractabilité de la lignine et ses propriétés, l'extraction a été effectuée de différentes façons (par délignification directe et / ou des méthodes de pré-traitement combiné). Cependant, la forte hydrophobicité de la lignine limite sa capacité à agir comme inhibiteur de corrosion efficace. Par conséquent, des modifications de la structure de la lignine OPF ont été effectuées de deux manières ; (1) en incorporant des piégeurs de recondensation de la lignine (2-naphtol et 1,8-dihydroxyanthraquinone) pendant le prétraitement par autohydrolyse avant le traitement organosolv (pourcentage de rendement de la lignine: AHN EOL = 13,42 ± 0,71% et AHD EOL = 9,64 ± 0,84%) et (2) le fractionnement de la lignine à partir de procédés de délignification directs (Kraft, à la soude et organosolv) par l'intermédiaire d'une technique d'ultrafiltration à membrane (rendement en pourcentage de fractions de lignine perméat: Kraft = 5,41 ± 2,04%; soude = 12,29 ± 0,54% et organosolv = 1,48 ± 0,15%). Les propriétés physiques et chimiques des lignines modifiées ont été évaluées en utilisant l'infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la résonance magnétique nucléaire (RMN), chromatographie par perméation de gel (GPC), l'analyse thermique et la Chromatographie liquide à haute performance (HPLC). Des fractions de lignine modifiée présentant des teneurs en OH phénoliques élevées, des poids moléculaires, polydispersité et contenus en OH aliphatiques faibles ont abouti à des valeurs plus élevées de l'activité antioxydante. L'activité antioxydante semble être dépendante de la teneur en OH phénolique et en ortho-méthoxyle, grâce à la stabilité du radical formé et la capacité de réduire les ions Fe3+ en Fe2+ ions. En effet, les propriétés physico-chimiques améliorées et une activité anti-oxydante de lignine modifiée a donné une corrélation positive avec l'inhibition de la corrosion de l'acier doux dans l'action solution de HCl 0,5 M qui a été évaluée par spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE), de polarisation et de la perte de poids mesure potentiodynamique. La meilleure efficacité de pourcentage d'inhibition (ex: 81 à 90%) a été obtenu à la concentration de 500 ppm pour les inhibiteurs de la lignine, mais a diminué avec l'augmentation de la température (303 à 333 K). Les données thermodynamiques indiquent que l'adsorption de la lignine modifiée sur l'acier doux a été spontanée et que les inhibiteurs ont été principalement adsorbés physiquement (physisorption), ce résultat étant confirmé par l'énergie d'activation de l'adsorption, Ea. [...]

Lignocellulosic biomass in Malaysia can be considered as one of the promising sources of renewable energy. It is mainly composed of cellulose, hemicellulose, and lignin and best-suited for energy and chemical applications due to its sufficient availability, inexpensive and is sustainable. In general, the production of lignocellulosic biomass in Malaysia was considered high and mainly derived from the palm oil industries (approximately 60 million tonnes of oil palm waste were generated in a year). The oil palm biomass waste could possibly be used as alternative resources for the production of paper and cardboard. However, massive amounts of lignin by-product could also be discarded in huge quantities (by the pulp and paper industry) due to lack of awareness on its potential. Having high content of diverse functional groups (phenolic and aliphatic –OH, carbonyls, carboxyls, etc.) and phenylpropanoid structure, lignin can lead to substitutes in industrial applications such as in corrosion inhibition of metals and alloys. Since the oil palm fronds (OPF) are one of the largest biomass waste contributors in Malaysia, it was therefore used as raw material in this study. In order to improve the lignin extractability and properties, the extraction was conducted in different ways (via direct delignification and/or combined pretreatment methods). Due to the high hydrophobicity of lignin, it limits the capability to act as efficient corrosion inhibitors. Hence, modifications of the OPF lignin structure were conducted in two ways; (1) by incorporating organic scavengers (2-naphthol and 1,8-dihydroxyanthraquinone) during autohydrolysis pretreatment before organosolv treatment (percentage yield of lignin: AHN EOL = 13.42±0.71 % and AHD EOL = 9.64±0.84 %) and (2) fractionation of lignin from direct delignification processes (Kraft, soda and organosolv) via ultrafiltration membrane technique (percentage yield of permeate lignin fractions: Kraft = 5.41±2.04 %; soda = 12.29±0.54 % and organosolv = 1.48±0.15 %). The physical and chemical properties of the modified lignins were evaluated by using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC), thermal analysis and high performance liquid chromatography (HPLC). Modified lignin fractions with higher phenolic –OH content but lower molecular weight, polydispersity as well as aliphatic –OH content resulted in higher values of antioxidant activities. The antioxidant activity seems be dependent on the increase of their free phenolic –OH and ortho-methoxyl content, through the stability of the radical formed and the ability to reduce Fe3+ ions to Fe2+ ions. Indeed, the improved physicochemical properties and antioxidant activity of modified lignin gave positive correlation with the mild steel corrosion inhibition action in 0.5 M HCl solution that were evaluated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), potentiodynamic polarization and weight loss measurements. The best percentage of inhibition efficiencies (IE: 81 – 90 %) were attained at the concentration of 500 ppm for all lignin inhibitors but decreased with the increase in temperature (303 – 333 K). Thermodynamic data indicated that the adsorption of the modified lignin onto the mild steel was spontaneous and the inhibitors were mainly physically adsorbed (physiosorption), supported by the activation energy of adsorption, Ea. The enhanced protective properties of the modified lignin will pave way for an alternative approach for the utilization of these natural waste materials