Valorisation du plastique non recyclé par reformage catalytique en gaz de synthèse

Valorization of non-recycled plastic waste by catalytic reforming to produce synthesis gas

• Auteur / Autrice : Aida Younis
• Direction : Edmond Abi Aad, Samer Aouad, Cédric Gennequin, Jane Estephane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Spécialité chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Littoral en cotutelle avec Université de Balamand (Tripoli, Liban)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de chimie environnementale et interactions sur le vivant - Unité de Chimie Environnementale et Interactions sur le Vivant / UCEIV
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Conseil National de la Recherche scientifique (Liban)
• Jury : Président / Présidente : Bechara Taouk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edmond Abi Aad, Samer Aouad, Cédric Gennequin, Jane Estephane, Jaona Harifidy Randrianalisoa, Satu Ojala, Hélène Guy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jaona Harifidy Randrianalisoa, Satu Ojala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Matières plastiques

Emballages -- Recyclage

Matières plastiques -- Déchets

Mots clés libres

Pyrolyse

Gaz de synthèse

Reformage à sec

Dioxyde de carbone

Catalyseur

Polypropylène

Nickel

Ruthénium

Pyrolysis

Nickel

Dry reforming

Carbon dioxide

Catalyst

Polypropylene

Cerium

Syngas

Résumé

Ce travail de thèse vise à étudier la réaction de reformage à sec des gaz du plastique pour la production de gaz de synthèse en présence de différents catalyseurs supportés. L'alumine (gamma Al2O3) et l'alumine promue par le cérium (Ce-Al2O3) ont été choisies comme supports catalytiques. Les effets de la teneur en nickel et du ruthénium sur les propriétés catalytiques des matériaux pour la production de gaz de synthèse ont été étudiés. Pour l’étude de reformage à sec du polypropylène, l'activité des oxydes métalliques purs imprégnés de Ni a d'abord été étudiée. Le catalyseur 25NiAl2O3 s'est avéré être le plus efficace pour la production de gaz de synthèse. Les catalyseurs à base de Ni promus avec 1 % en masse de Ru ont été étudiés. L'ajout d'une faible teneur de Ru a augmenté l'activité catalytique en améliorant les propriétés de surface du matériau. L'effet de la température de calcination (550 °C et 800 °C) sur l'activité catalytique a également été étudié. Les catalyseurs calcinés à 550 °C ont montré une plus grande surface spécifique, une porosité plus importante, une meilleure réductibilité et une basicité plus élevée par rapport au même catalyseur calciné à 800 °C. Le vieillissement des catalyseurs 25NiAl2O3 et 1Ru25NiAl2O3 a été effectué pendant neuf passages. Le catalyseur 1Ru25NiAl2O3 calciné à 550 °C, préparé par imprégnation de 25 % en masse de Ni et 1 % en masse de Ru sur un support stabilisé Al2O3, a montré la meilleure performance catalytique. Pour les catalyseurs à base de Ru-Ni, les supports ont été modifiés avec du cérium. Les activités des catalyseurs promus au cérium ont été comparées à celles du catalyseur non promu, et tous les catalyseurs ont produit des quantités de gaz de synthèse similaires. Bien que moins de coke se soit formé sur les catalyseurs promus par le cérium, ces catalyseurs se sont rapidement désactivés et ont entraîné le blocage du réacteur en raison du carbone amorphe formé à la surface du catalyseur. La pyrolyse et le reformage à sec d'autres types de plastiques (polyéthylène, polystyrène et mélange de polyéthylène et de polypropylène) ont été réalisés. Les résultats ont montré que le catalyseur 1Ru25NiAl2O3 réussissait à convertir tout type de plastique en quantités significatives de gaz de synthèse. Un modèle de simulation sur la plateforme ASPEN Plus a été développé pour évaluer l'influence de la température de reformage et du débit de dioxyde de carbone sur la composition du gaz de synthèse dans le flux de produit. L'analyse de sensibilité a permis de conclure que les conditions optimales du procédé pour des rendements élevés en H2 et CO : une température de reformage de 800 °C et un débit de CO2 de 3000 kg/h.

This work aims to study the pyrolysis-catalytic dry reforming of plastic for syngas production over different catalysts. The alumina and alumina promoted by cerium have been chosen as catalytic supports. For syngas production, the influence of nickel loading and the promotion with ruthenium are studied. For dry reforming of polypropylene, the activity of Ni impregnated pure metal oxides is first investigated, since pure metal oxides are often used as catalytic supports. The 25NiAl2O3 catalyst is found to be the most efficient for syngas production. The promoted Ni-based catalysts with 1 wt.% Ru are studied. Inserting a small percentage of Ru enhanced the catalytic activity by enhancing the surface properties. The effect of the calcination temperature (500 °C and 800 °C) on the catalytic activity is studied. The catalysts calcined at 550 °C exhibit larger surface area and porosity, are easily reduced, and possess higher basicity compared to the same catalyst calcined at 800 °C. The aging of 25NiAl2O3 and 1Ru25NiAl2O3 catalysts is performed, and the 1Ru25NiAl2O3 catalyst calcined at 550 °C, prepared by impregnation of 25 wt% Ni and 1wt.%Ru on stabilized Al2O3 support, shows the best catalytic performance. For Ru-Ni based catalysts, the supports are modified with cerium. The activities of the Ce promoted catalysts are compared to the non-promoted catalyst, and all catalysts produce similar syngas quantities. Although less coke is formed on the Ce promoted catalysts, these catalysts rapidly deactivate and result in clogging of the reactor due to the amorphous carbon formed on the catalyst surface. The pyrolysis-dry reforming of other types of plastics (polyethylene, polystyrene, and mixture of polyethylene and polypropylene) is performed. The results show that 1Ru25NiAl2O3 catalyst is successful in converting any type of plastic into significant quantities of syngas. A simulation model on ASPEN Plus platform is developed to evaluate the influence of the reforming temperature and carbon dioxide flow rate on the syngas composition in the product stream. It is concluded from the sensitivity analysis that the optimal process conditions for high H2 and CO yields: 800 °C reforming temperature and 3000 kg/h CO2 flow rate.