Effet des mélanges ester éthylique-MgO sur les émissions de gaz et les propriétés du biodiesel produit avec l'incorporation de solvants eutectiques profonds : analyse de l'impact environnemental

Effect of ethyl ester-MgO mixtures on gas emissions and properties of biodiesel produced with the incorporation of deep eutectic solvents : environmental impact analysis

• Auteur / Autrice : Brayan Steven Moreno Caballero
• Direction : Jean-Marc Lévêque, José, Julián Cano Gómez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universidad autónoma de Nuevo León
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Carlos Enrique Escacega Gonzalez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gustavo Arturo Iglesias-Silva, Stéphane Baup, François Delattre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sabine Valange, Ulla Lassi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Boues d'épuration

Magnésie

Mots clés libres

Solvant eutectique profond

Biodiesel

Oxyde de magnésium

Boues d'épuration

Esters éthyliques

Sewage sludge

Ethyl esters

Biodiesel

Deep eutectic solvents

Magnesium Oxide

Résumé

L'objectif principal de ce travail est de proposer une méthodologie plus propre pour produire du biodiesel à partir de boues d'épuration en utilisant des solvants eutectiques profonds et d'évaluer son impact sur l'environnement par le biais d'une analyse du cycle de vie. En outre, il s'agit d'évaluer l'effet des additifs d'ester éthylique-MgO sur les propriétés du biodiesel et ses émissions.Dans cette recherche, une méthodologie standardisée a été développée pour produire du biodiesel à partir de boues d'épuration en utilisant un solvant eutectique profond (DES) comme catalyseur. Le rendement le plus élevé obtenu était de 97% en utilisant le DES Chlorure de choline (ChCl) : Acide p-Toluène Sulfonique (PTSA) à 0,1 (molDES/mo FFA), méthanol à 10 (molmethanol/molFFA) ratios respectifs, 60°C et 4h de temps de réaction. L'analyse du cycle de vie souligne que la production de biodiesel à l'aide de DES comme catalyseurs a un impact environnemental global plus faible que la méthodologie conventionnelle utilisant H2SO4. Cela s'explique notamment par des temps de réaction plus courts, des étapes de séparation/purification moins nombreuses entraînant une réduction de la consommation d'électricité et l'élimination totale de l'hexane tout au long du processus. La densité, la viscosité et l'indice de réfraction des mélanges de biodiesel avec du lévulinate d'éthyle, de l'acétoacétate d'éthyle et du pyruvate d'éthyle avec une quantité constante de 5ppmm de MgO ont été déterminés expérimentalement sur toute la gamme de compositions et de (288,15 à 333,15) K. Les mélanges biodiesel-esters d'éthyle-MgO ont montré des diminutions de viscosité et des augmentations de densité par rapport à l'ajout d'esters d'éthyle. Cela est dû aux faibles viscosités et aux densités élevées des esters éthyliques par rapport au biodiesel. Les mélanges de biodiesel avec des fractions pondérales d'esters éthyliques inférieures à 0,2 étaient conformes à la norme de qualité EN14214 pour le biodiesel. La combustion du biodiesel pur et des mélanges biodiesel + ester éthylique a été simulée dans le logiciel Ansys fluent. Les valeurs simulées de la température de combustion et de la fraction massique de NOx ont diminué jusqu'à 1 % et 17 % respectivement avec l'ajout d'une fraction massique de 0,1 lévulinate d'éthyle et de 0,0020 kg/s de particules de MgO en raison de l'effet de dissipation thermique des particules. D'autre part, la fraction de masse de CO2 a augmenté de 0,78 % en raison de l'augmentation de la viscosité des mélanges causée par les particules de MgO. Enfin, l'irradiation par ultrasons a été incorporée à la réaction du biodiesel en utilisant le ChCl:PTSA DES comme catalyseur à 0,2 (molDES/molFFA) et le méthanol à 10 (molméthanol/molFFA). Cela a permis d'obtenir un rendement plus élevé de 96,3 % avec un temps court de 1 heure et une température plus basse de 40°C ; ces réductions ont été obtenues principalement grâce à l'effet émulsifiant favorisé par les ultrasons.

The main objective of this work is to propose a cleaner methodology to produce biodiesel from wastewater sludge using deep eutectic solvents and to evaluate its environmental impact through life cycle analysis. Additionally, evaluate the effect of ethyl ester-MgO additives on the properties of biodiesel and its emissions.In this research, a standardized methodology was developed to produce biodiesel from sewage sludge using deep eutectic solvent (DES) as catalyst. The highest obtained yield was 97% using the DES Choline chloride (ChCl): P-Toluene Sulfonic Acid (PTSA) at 0.1 (molDES/mo FFA), methanol at 10 (molmethanol/molFFA) respective ratios, 60°C and 4h reaction time. The life cycle assessment emphasizes that biodiesel production using DES as catalysts displays a lower global environmental impact than conventional methodology using H2SO4. This, notably because of shorter reaction times, lesser separation/purification stages leading to a reduced electricity consumption and total elimination of hexane throughout the entire process. Density, viscosity, and refraction index of biodiesel blends with ethyl levulinate, ethyl acetoacetate and ethyl pyruvate with a constant amount of 5ppmm MgO were experimentally determined over the entire range of compositions and from (288.15 to 333.15) K. Biodiesel-Ethyl ester-MgO mixtures showed viscosity decreases, and density increases with respect to ethyl esters addition. This due to the ethyl esters low viscosities and high densities compared to biodiesel. Biodiesel blends with ethyl ester weight fractions less than 0.2 complied with EN14214 quality standard for biodiesel. These blends could be considered as new potential ecofriendly biodiesel-based blends.The combustion of pure biodiesel and biodiesel + ethyl ester mixtures were simulated in Ansys fluent software. The simulated values of combustion temperature and NOx mass fraction decreased up to 1% and 17% respectively with the addition of 0.1 ethyl levulinate mass fraction and 0.0020 kg/s MgO particles because the heat sink effect of the particles. On the other hand, the CO2 mass fraction increased a 0.78% due to MgO caused increase in the viscosity of the mixtures. Finally, ultrasound irradiation was incorporated to the biodiesel reaction using ChCl:PTSA DES as catalyst at 0.2 (mol DES/ mol FFA) and methanol at 10 (molmethanol/molFFA). It resulted in higher yield of 96.3% with a short time time of 1 hour and lower temperature of 40°C; these reductions were achieved mainly because of the emulsifying effect promoted by the ultrasound.