Couplage des procédés de conversion des biomasses agro-alimentaires : récupération du méthane, préparation des matériaux carbonés poreux fonctionnalisés et leurs applications pour la dépollution des milieux aqueux

Coupling of organic agri-food biomass conversion processes : methane recovery, preparation of functionalized porous carbon materials and their applications for the depollution of aqueous media

• Auteur / Autrice : Zakaria Anfar
• Direction : Amane Jada, Nour-Eddine Elalem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 28/12/2020
• Etablissement(s) : Mulhouse en cotutelle avec Université Ibn Zohr (Agadir, Maroc). Faculté des sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse / IS2M

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthanisation

Économie circulaire

Décomposition (chimie)

Matériaux -- Biodégradation

Biorestauration in situ

Mots clés libres

Biomasses organiques agro-alimentaires

Conversion biochimique

Co-digestion anaérobie

Plans d’expériences

Conversion thermochimique

Bio-digestat

Carbone poreux fonctionnels

Structure graphitique

Fe3O4

Fonctionnalisation non covalente

Réticulation chimique

Hydrogels

Interface solide/liquide

Adsorption

Polluants organiques

Fonctionnalisation covalente

Réaction d‘amidation

Polluants inorganiques

Membranes, mécanisme d’adsorption

Techniques de surface et d’interface

Matériaux carbonés avancés

Carbones dopé par des hétéroatomes

Carbocatalyseurs

Oxydation chimiques

Organic agri-food biomasses

Biochemical conversion

Anaerobic co-digestion

Designs of experiments

Thermochemical conversion

Bio-digestate

Functional porous carbon

Graphitic structure

Fe3O4

Non-covalent functionalization

Chemical crosslinking

Hydrogels

Solid/liquid interface

Adsorption

Organic pollutants

Covalent functionalization

Amidation reaction

Inorganic pollutants

Membranes, mechanism of absorption

Surface and interface techniques

Advanced carbon materials

Carbons doped by heteroatoms

Carbocatalysts

Chemical oxidation

Résumé

Dans ce travail, nous avons développé un procédé hybride et propre, qui permet la valorisation et le traitement des biomasses agro-alimentaires par conversion biochimique et thermochimique dans le cadre d’une économie circulaire. En effet, la Co-digestion anaérobie des biomasses organiques agro-alimentaires permet la conversion biochimique de ces déchets et la production de l’énergie sous la forme de méthane (152.56 ± 1.24 L.CH4/KgSV). De plus, le bio-digestat résiduel a été utilisé pour la préparation du carbone poreux (PC) par conversion thermochimique, ce qui a permis de réduire les effets secondaires de ce coproduit. Par la suite, le carbone poreux a été imprégné par des nanoparticules d’oxyde de fer (PC@Fe3O4, nanocomposite du carbone) par fonctionnalisation non covalente, puis immobilisé a l’intérieure d’une couche membranaire formée par réticulation chimique entre l’alginate et des cations métalliques de Ca2+ (PC@Fe3O4@Alginate, hydrogels magnétiques). Ces préparations nous ont permis de remplacer le procédé de filtration par celui d’une décantation gravimétrique simple au cours de processus de l’adsorption. De plus, le greffage des groupes amino sur la surface du carbone poreux préparé a été réalisé via une réaction d’amidation et sous ultrasons, en utilisant l’éthylènediamine comme modificateur chimique. Ce dernier a été sélectionné pour la fonctionnalisation covalente de notre carbone poreux (PC-ED/1.5) dans des conditions de température très douces (40 °C). Ainsi, des membranes a base du PC-ED/1.5 ont été élaboré par réticulation chimique entre l’alginate et des cations métalliques de Ca2+. Les deux principaux matériaux, PC@Fe3O4 et PC@Fe3O4@Alginate ont montré une forte performance de récupération de masse dans les milieux aqueux. Ainsi fournir simultanément des performances d’adsorption rationnelles et une stabilité de recyclage vis-à-vis des polluants organiques et métaux lourds.

Herein, hybrid and clean process, for the valorization and treatment of agri-food biomasses by both biochemical and thermochemical conversion processeswas used. Indeed, the anaerobic co-digestion as a biochemical conversion process was used to recovery green methane energy from these biomasses (152.56 ± 1.24 L.CH4/KgSV). In addition, thermochemical conversion process was investigated to prepare porous carbon (PC) from residual bio-digestate, which made it possible to reduce the side effects of this co-product.Subsequently, the porous carbon was impregnated with iron oxide nanoparticles (PC@Fe3O4, carbon nanocomposite) by using non-covalent functionalization approach, then immobilized inside a membrane layer formed by chemical crosslinking process, between the alginate and Ca2+ metals cations (PC@Fe3O4@Alginate, magnetic hydrogels). These kinds of materials have enabled us to replace the filtration process with that of simple gravimetric settling during the adsorption process. In addition, the grafting of the amino groups on the surface of the prepared porous carbon was carried out via amidation reaction under ultrasound waves, using ethylenediamine as a chemical modifier. This latter was selected for the chemical covalent functionalization of our porous carbon (PC-ED/1.5) under very mild temperature conditions (40 °C). Thus, membranes based on PC-ED/1.5 were developed by chemical crosslinking between alginate and metal cations of Ca2+. Prepared carbons based materials have shown strong mass recovery performance in aqueous media and can thus simultaneously provide rational adsorption performance and recycling stability towards heavy metals and organic pollutants.