Production des huiles végétales carbonatées : de la modélisation cinétique à une approche structure-réactivité

Production of carbonated vegetable oils from a kinetic modeling to a structure-reactivity approach

• Auteur / Autrice : Xiaoshuang Cai
• Direction : Sébastien Leveneur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 12/03/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de sécurité des procédés chimiques (Saint Etienne du Rouvray, Seine-Maritime ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Maugé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Leveneur, Michel Cabassud, Jean-Marc Commenge, Damien Hudebine, Valeria Casson Moreno
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Cabassud, Jean-Marc Commenge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Relations structure-activité

Modèles mathématiques

Cinétique chimique

Époxydation

Huiles végétales

Mots clés libres

Végétales carbonatées

Modélisation cinétique

Structure-réactivité

Carbonated vegetable oils

Kinetic modeling

Structure-reactivity

Résumé

La valorisation de la biomasse et du dioxyde de carbone est à présent considérée comme une solution aux problèmes environnementaux du réchauffement climatique et l'épuisement des réserves de pétrole. Ainsi, les huiles végétales ont attiré l'attention croissante des milieux universitaires et industriels, comme une source de biomasse potentielle renouvelable qui peut être appliquée à la production de substitut fossile pour un développement durable, due à leurs caractères renouvelables, durables, biodégradables. De plus, cette biomasse est disponible avec une énorme quantité. Durant des décennies de recherches, les processus d'époxydation et de carbonatation sont deux méthodes d'application populaires pour la valorisation des huiles végétales. La conversion des huiles végétales en huiles époxydées est définie par une conversion d'un composé insaturé en un groupe époxyde. Jusqu'ici, l'oxydation de Prileschajew est la méthode de synthèse plus efficace pour la possible industrialisation du processus d'époxydation de huiles végétales, qui est une manière conventionnelle bien connue à utiliser comme processus de production commerciale. Ce type d'époxydation utilise l'acide percarboxylique comme transporteur d'oxygène qui est formé in situ dans la phase aqueuse, et ensuite époxyde les groupes insaturés des huiles végétales en groupes époxyde. Cependant, cette méthode présente une réaction secondaire d'ouverture du cycle du groupe époxyde au cours du processus. Donc, les conditions du procédé d'époxydation doivent être optimisées afin de minimiser les réactions d'ouverture de cycle. Des paramètres de réaction, y compris la concentration en catalyseur acide (acide sulfurique), réactifs (eau, groupe époxyde, peroxyde d'hydrogène, acide acétique) et la température de réaction, ont été discutés dans cette étude pour l'époxydation et réaction d'ouverture de cycle des huiles végétales. Au cours de la modélisation cinétique, les constantes cinétiques associées pour les réactions d'ouverture du cycle ont été estimées. En se basant sur ce modèle, les réactions d'ouverture du cycle époxyde par les acides acétique et peracétique sont plus rapides que celles de l'eau et du peroxyde d'hydrogène. Un réacteur en mode semi-fermé, avec addition du peroxyde d'hydrogène et de l'acide sulfurique, est la configuration la plus appropriée pour la production d'huiles végétales époxydées. Pour déterminer les conditions optimales et passer à échelle industrielle dans les procédés d'époxydation et de la carbonation, il faut connaître différentes propriétés physicochimiques telles que la viscosité, la densité, l'indice de réfraction, la capacité thermique spécifique et les évolutions de ces données avec la température. Cependant, aucune information sur ces propriétés est disponible dans la littérature. Pour cette étude, l'évolution de ces propriétés ont été déterminées pour trois huiles végétales et leurs dérivés époxydées et carbonates (l'huile de coton, l'huile de lin et l'huile de soja) avec la température et leur composition. La densité et l'indice de réfraction ont été trouvé linéairement dépendant de la température pour les huiles étudiées. La relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement dans l’étude de viscosité, indique que ces huiles sont des fluides newtoniens. Il a été démontré que la capacité thermique spécifique suit une équation polynomiale du second ordre avec la température. Sur la base de ces résultats, il a été démontré que certaines corrélations pourraient être utilisées pour prédire les évolutions de ces propriétés physicochimiques à différentes compositions et températures...

Nowadays, biomass and carbon dioxide valorization are considered as a helpful solution to the environmental issues of global warming and the depletion of petroleum reserves. Thus, vegetable oils have attracted increasing attention of academic and industrial communities, as one of the potential renewable biomass that can be applied to the production of fossil substitute for sustainable development, owning to their advantages of renewable, sustainable, biodegradable, and universally available with huge feedstock. Among decades of researches, epoxidation and carbonation processes are two popular application methods for vegetable oil valorization. The conversion of vegetable oils into epoxidized ones is defined by a conversion of unsaturated compound into an epoxide group. So far, the potential application for the production of epoxidized oil in the industrial is the Prileschajew oxidation, which is a wellknown conventional way to be used as the commercial production process. This type of epoxidation uses percarboxylic acid as an oxygen carrier, which is formed in situ in the aqueous phase, and then epoxidize the unsaturated groups on the vegetable oils into epoxide groups. During the process, however, this method presents side reaction of ring-opening of the epoxide group. Therefore, the selective epoxidation process conditions need to be optimized in order to minimize the ring-opening reactions. In this study, process parameters including the concentration of acid catalyst (sulfuric acid), reactants (water, epoxide group, hydrogen peroxide, acetic acid) and the reaction temperature have been discussed for the epoxidation and ring opening of vegetable oils. During the kinetic modeling stage, the related kinetic constants for the ring opening reactions were estimated. Based on this model, the ring opening by acetic and peracetic acids was found to be faster than by water and hydrogen peroxide. A semibatch reactor, where hydrogen peroxide and sulfuric acid were added, was found to be the most suitable configuration. To determine the optimum operating conditions and scale up the epoxidation or carbonation processes, it requires the database of different physicochemical properties, i.e. viscosity, density, refractive index, or specific heat capacity and the evolutions of these properties with the temperature. However, this information is absent in the literature. For this study, the evolution of these properties with temperature and compositions (double bond, epoxide and carbonated groups concentration) was determined for three vegetable oils and their corresponding epoxidized and carbonated forms (cottonseed oil, linseed oil and soybean oil). Density and refractive indices of these oils were found to vary linearly with temperature. Based on the measurement of changes in viscous stresses with shear rates, these oils were found to be Newtonian fluids. It was demonstrated that specific heat capacity follows a polynomial equation of second order with temperature. Based on these results, it was demonstrated that some correlations could be used to predict the evolutions of these physicochemical properties at different composition and temperature based on the knowledge of the property of the pure compounds...