Élaboration et caractérisation de matériaux poreux biosourcés

synthesis and characterization of the biosourced porous materials

• Auteur / Autrice : Hamed Issaoui
• Direction : Fatima Charrier El Bouhtoury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des polymères
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Brosse, Jalel Labidi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Gérardin, Marie-France Thévenon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotechnologie

Isolation thermique

Isolants thermiques

Technologie appropriée

Mousses (matériaux)

Mots clés libres

Mousses phénoliques biosourcées

Tanins

Lignine

Liqueur alcaline

Adsorption

Isolation thermique

Biobased phenolic foams

Tannins

Lignin

Alkaline liquor

Adsorption

Thermal insulation

Résumé

Les mousses phénoliques sont des matériaux attrayants en raison de leurs propriétés intéressantes telles qu’une faible densité, faible conductivité thermique, excellente résistance au feu (faible inflammabilité, faible émission de gaz toxiques), bonne résistance au produits chimiques, satisfaisante résistance mécanique et haute affinité de chélation envers de nombreux ions métalliques. Ces caractéristiques les rendent de plus en plus préférées dans une large gamme d’applications, notamment l’isolation thermique des bâtiments et le traitement des eaux usées. Cependant, elles sont généralement obtenues par des réactions de polymérisation des produits chimiques de type phénol et formaldéhyde, deux ressources non-renouvelables car issues du pétrole et classés comme cancérigènes pour l’homme. Ainsi, il serait d’un grand intérêt de substituer leurs principaux précurseurs par d’autres plus respectueux de l’environnement, durable, et économiquement rentable.Ces travaux de thèse proposent des formulations de mousses phénoliques biosourcées pour des applications environnementales et énergétiques. Ces mousses sont constituées d’environ 80% en masse sèche de tanins et de liqueur alcaline industrielle riche en lignine. Ces derniers ont été utilisés comme des alternatives naturelles au phénol et sont largement présents dans les sous-produits des industries locales du bois et de pâte à papier. Tout d’abord, les mousses obtenues ont été utilisées pour traiter des eaux contaminées par des métaux lourds (Cu, Cd, Zn et Pb). L’effet des paramètres expérimentaux (pH, température, concentration initiale en ion métallique et temps de contact) sur le phénomène d’adsorption a été étudié. Les capacités d’adsorption de ces mousses vis-à-vis des ions métalliques Cu2+, Cd2+, Zn2+ et Pb2+ sont estimées de 46,5 ; 41 ; 29,1 et 100,9 mg/g, respectivement. Aussi, une régression non-linéaire a été appliquée pour sélectionner les meilleures isothermes d’adsorption et isothermes cinétiques. Au regard des résultats obtenus, ces mousses biosourcées pourraient être utilisées comme adsorbant pour le traitement des eaux contaminées par des métaux lourds. Ensuite, le travail a été consacré au développement et à la caractérisation des mousses dans le but de les utiliser comme isolant thermique des bâtiments. Après résolution du problème de fissuration des mousses antérieurs par l’ajout d’un plastifiant aux formulations, une étude paramétrique a été menée pour évaluer les effets des catalyseurs, des températures de cuisson, des ratios tanins-liqueur alcaline, des agents de réticulations sur les propriétés finales des mousses. À l’aide de différentes techniques de caractérisations, il a été montré que la structurelle cellulaires, la structurelle chimique intrinsèque, le comportement thermique, la performance isolante et la résistance mécanique des mousses dépendaient fortement des paramètres expérimentaux mentionnés ci-dessous. Les mousses obtenues présentaient une bonne résistance à la compression (0,11-1,65 MPa) et une faible conductivité thermique (37-50,55 mW/m.K).L’une des originalités de ce travail consiste à produire des mousses riches en ressource largement disponible et peu valorisés jusqu’à présent (des mousses contenant jusqu’à 52% en masse sèche de liqueur alcaline industrielle). Ces nouveaux matériaux semblent être très prometteurs pour une production à l’échelle industrielle et peuvent être employées pour des applications d’isolation thermique des bâtiments.

Phenolic foams are attractive materials due to their interesting properties such as low density, low thermal conductivity, excellent fire resistance (low flammability, low emission of toxic gases), good chemical resistance, satisfactory mechanical strength, and high chelating affinity towards many metal ions. These characteristics make them increasingly preferred in a wide range of applications, including thermal insulation of buildings and wastewater treatment. However, they are generally obtained by polymerization reactions of chemicals such as phenol and formaldehyde, two non-renewable resources because they are derived from petroleum and classified as carcinogenic to humans. Thus, it would be of great interest to substitute their main precursors with others that are more environmentally friendly, sustainable, and economically profitable.These thesis works propose formulations of biobased phenolic foams for environmental and energy applications. These foams consist of approximately 80 dry-wt.% of tannins and lignin-rich industrial alkaline liquor. The latter have been used as natural alternatives to phenol and are widely present in the by-products of the local wood and pulp industries. First, the resulting foams were used to treat water contaminated with heavy metals (Cu, Cd, Zn and Pb). The effect of experimental parameters (pH, temperature, initial metal ion concentration and contact time) on the adsorption phenomenon was studied. The adsorption capacities of these foams for Cu2+, Cd2+, Zn2+ and Pb2+ metal ions are estimated at 46.5; 41; 29.1 and 100.9 mg/g, respectively. Also, a nonlinear regression was applied to select the best adsorption isotherms and kinetic isotherms. In view of the results obtained, these biobased foams could be used as an adsorbent for the treatment of water contaminated by heavy metals. Subsequently, the work was devoted to the development and characterization of foams in order to use them as a thermal insulator of buildings. After solving the problem of cracking of previous foams by adding a plasticizer to the formulations, a parametric study was carried out to evaluate the effects of catalysts, curing temperatures, tannins-alkaline liquor ratios, and crosslinking agents on the final properties of the foams. Using different characterization techniques, it has been shown that the cellular structure, intrinsic chemical structure, thermal behavior, insulating performance and mechanical resistance of foams strongly depend on the experimental parameters cited below. The foams obtained exhibited good compressive strength (0.11-1.65 MPa) and low thermal conductivity (37-50.55 mW/m.K).One of the originalities of this work has consisted in synthesizing foams rich in widely available resources and low valued until now (foams containing up to 52 dry-wt.% of alkaline industrial liquor without any pretreatments). These new materials are promising for production on an industrial scale and can also be used for thermal insulation of buildings.