Approche multi-échelles d’un procédé de recyclage du MDF par voie biologique

Mutli-scale approach to a biological MDF recycling process

• Auteur / Autrice : Sarah Troilo
• Direction : Nicolas Brosse, Arnaud Besserer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du bois et des fibres
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Nouvel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Brosse, Arnaud Besserer, Fatima Charrier El Bouhtoury, Frédéric Pichelin, Marie-France Thévenon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fatima Charrier El Bouhtoury, Frédéric Pichelin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotechnologie appliquée à l'environnement

Vapocraquage

Recyclage

Panneaux de fibres

Bois -- Déchets -- Recyclage

Mots clés libres

Déchets bois

Recyclage

MDF

Explosion à la vapeur

Bioremédiation

Wood waste

Recyclage

MDF

Steam explosion

Bioremediation

Résumé

Depuis plusieurs décennies, les habitudes de consommation des ménages ont fortement évolué, en parallèle de la diminution de la durée de vie du mobilier intérieur. Ces modifications ont entraîné une forte augmentation des déchets d'éléments d'ameublement (DEA). Les DEA sont constitués à plus de 50% de déchets bois et les panneaux de fibres de densité moyenne (MDF, Medium Density Fiberboard) constitue environ 15% des déchets bois. Le MDF contient au moins 5% de résine urée-formaldéhyde (UF) qui est une substance inflammable, toxique, corrosive, dangereuse pour la santé et pose des problèmes à plusieurs niveaux concernant son recyclage. En 2019, la production française de MDF était supérieure à un million de m³ alors que le volume de déchets MDF généré durant les cinq dernières années dans le monde est évalué à 220 millions de m³. Depuis 2002, la production de MDF a été multipliée par sept. Le problème du recyclage du MDF constitue donc un enjeu majeur pour l'industrie de l'ameublement et, plus généralement, pour la filière forêt bois. Cependant, il n'existe aucune filière à l'échelle industrielle de valorisation ou de recyclage du MDF en fin de vie et les panneaux sont en majorité incinérés ou enfouis. L'objectif des travaux de thèse était de développer un traitement intégré des fibres de MDF afin de les rendre recyclables en vue d'une future valorisation. Ce traitement devait être aussi neutre que possible pour l'environnement. Les déchets MDF ont été traités par un processus d'explosion à la vapeur dont les enjeux sont doubles : fragmenter les déchets MDF afin de séparer les fibres des unes des autres et épurer la résine UF des fibres par hydrolyse. L'efficacité du traitement a été déterminée par plusieurs outils de contrôle, notamment par la spectroscopie proche infrarouge qui a été utilisée pour valider la diminution de la résine sur les fibres après traitement. La quantification in situ de la résine UF sur les fibres de MDF a été effectuée par le couplage de la microscopie corrélative et de microanalyses par spectrométrie à dispersion de longueur d'onde. Les fibres de MDF dépolluées grâce au traitement par explosion à la vapeur ont été intégrées dans la fabrication du panneau de particules avec pour objectif le maintien des propriétés mécaniques. L'incorporation des fibres a été validée dans la couche intérieure à hauteur de 5% de fibres en masse du panneau. Pour être mélangées aux couches supérieures, les fibres doivent être individualisées par un flux d'air et tamisées afin de garder seulement les fibres longues dont la granulométrie est proche des copeaux des couches supérieures. Dans ce cas, 5% des copeaux des couches supérieures peuvent être remplacés par des fibres. La résine UF présente sur les fibres est hydrolysée lors du traitement par explosion à la vapeur et se retrouve dans les effluents liquides du procédé qui contiennent des polluants, notamment du formaldéhyde. L'optimisation des conditions de culture d'un isolat T. atroviride SE a permis de développer un procédé de bioremédiation des effluents en cohérence avec les concentrations réellement rencontrées lors du traitement des déchets MDF. L'ensemble du procédé a un potentiel de transfert à l'échelle industrielle élevé.

Over the last few decades, household consumption habits have changed dramatically, as the lifespan of home furnishings has shortened. These changes have led to a sharp increase in the amount of waste furniture. More than 50% of waste furniture is wood waste, and MDF (Medium Density Fiberboard) accounts for around 15%. This fiberboard contains at least 5% urea-formaldehyde resin (UF), which is flammable, toxic, corrosive and hazardous to health, and has a number of recycling issues. In 2019, MDF production in France exceeded one million m³, while the volume of MDF waste generated worldwide over the last five years is estimated at 220 million m³. MDF production has been multiplied by seven since 2002. Recycling MDF is therefore a major challenge for the furniture industry and, more generally, for the forestry and timber sector. However, there is no industrial-scale process for recovering or recycling MDF, and most panels are incinerated or landfilled. The aim of the thesis work was to develop a treatment for MDF fibers to make them recyclable for future recovery. This treatment had to be as green as possible. The MDF waste was treated by a steam explosion process with a dual aim: to fragment the MDF waste in order to separate the fibers from each other, and hydrolyzing the UF resin from the fibers. The efficiency of the treatment was determined by a number of monitoring tools, including near-infrared spectroscopy, which was used to validate the reduction of resin on the fibers after treatment. A combination of correlative microscopy and WDS analysis was used to quantify in situ UF resin on MDF fibers. MDF fibers depolluted by steam explosion treatment were incorporated into particleboard manufacture with the aim of maintaining mechanical properties. Incorporation of the fibers into the core layer was validated at 5% fibers by board mass. To be mixed with the outer layers, the fibers have to be individualized by an air flow and sieved in order to keep only the long fibers whose granulometry is close to that of the chips in the outer layers. In this case, 5% of the outer layer chips can be replaced by fibers. The UF resin present on the fibers is hydrolyzed during steam explosion treatment and ends up in the liquid effluents from the process, which contain pollutants such as formaldehyde. By optimizing the cultivation conditions for the fungus T. atroviride SE, a process for bioremediating effluents was developed. It is consistent with the concentrations actually encountered during the treatment of MDF waste. The whole process has a high potential for transfer to industrial scale.