Valorisation de la biomasse soudanaise pour la production de biocomposites et de bioénergie.

Valorization of Sudanese biomass for the production of biocomposite and bioenergy.

• Auteur / Autrice : Wadah MOHAMMED MAHDI OMER
• Direction : Bertrand Charrier, Zeinab Osman Hassan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec University of Gezira (Wad Medani, Sudan)
• 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 matériaux (Pau) - IPREM INSTITUT DES SCIENCES ANALYTIQUES ET DE PHYSICO-CHIMIE POUR L'ENVIRONNEMENT ET LES MATERIAUX
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Marias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Charrier, Zeinab Osman Hassan, Stéphane Grelier, Florent Eyma, Salah Mohamad El arabi, Fatima Charrier El Bouhtoury, Amine Moubarik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Grelier, Florent Eyma
• DOI : 10.70675/95b8f55fze566z498bz8881z68db2db44cc1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermogravimétrie

Énergie de la biomasse

Biomasse

Mots clés libres

Valorisation

Biomasse soudanaise

Bioénergie

Biocomposite

Pyrolyse

Valorisation

Sudanese biomass

Bioenergy

Biocomposite

Pyrolysis

Résumé

L'objectif général de cette recherche était d'évaluer les propriétés de la bagasse soudanaise, des tiges de coton et des fibres libériennes de kenaf pour produire des biocomposites durables et de la bioénergie. La composition chimique a été déterminée à l'aide de méthodes normalisées (TAPPI). La méthode Folin-Ciocalteu a été utilisée pour déterminer les phénols totaux. L'analyse thermogravimétrique (TGA), la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et la calorimétrie à bombe ont été utilisées pour l'analyse thermique. Les résultats ont montré que la bagasse présentait 50,6 % de cellulose, les tiges de coton 40,3 % de cellulose, et les fibres libériennes de kenaf 58,5 % de cellulose. L'ATG a montré des températures de dégradation de 321°C pour la bagasse, 289°C pour les tiges de coton et 354°C pour les fibres de kenaf. La DSC a montré des températures de transition vitreuse de 81°C pour la bagasse, 66,3°C pour les tiges de coton et 64,5°C pour les fibres libériennes de kenaf. Les valeurs de chauffage les plus élevées étaient de 17,3 MJ/Kg pour la bagasse, 17,1 MJ/Kg pour les tiges de coton et 16,6 MJ/Kg pour les fibres de bâtonnets de kenaf. Les résultats ont révélé que ces fibres conviennent aux biocomposites et à la production de bioénergie, car elles contiennent des pourcentages élevés de cellulose et leur température de dégradation est supérieure à 300°C.L'étude a examiné les propriétés des panneaux fabriqués à partir des trois fibres étudiées en utilisant des adhésifs à base de caséine et de tanin avec un niveau de charge de 15 % (w/particules). Un cycle de pressage d'une pression maximale de 2,5 MPa, différents temps de pressage de 480s, 240s, 120s, et 60s, et une température de pressage de 180°C ont été utilisés. La densité cible était de 0,6 g.cm-3. Les propriétés mécaniques, physiques et thermiques des panneaux ont été testées conformément aux normes européennes EN (310), EN (317) et EN (12664). Les résultats ont montré que les panneaux de caséine avaient des propriétés mécaniques plus élevées et des propriétés physiques plus faibles que les panneaux de tanin. Les panneaux de fibres libériennes de kenaf présentaient les propriétés mécaniques et physiques les plus faibles et ne répondaient pas aux normes. Les propriétés mécaniques des panneaux de tanin n'ont pas satisfait aux exigences de la norme. Pour étudier la durabilité de la production des panneaux, les fibres ont été mélangées, en utilisant la même méthode de fabrication et les mêmes charges adhésives pour les panneaux de fibres individuelles. Les résultats ont révélé que les fibres individuelles avaient de meilleures propriétés que les fibres mélangées. La conductivité thermique des deux était inférieure à la norme EN. Les panneaux de caséine fabriqués à partir de fibres individuelles de bagasse et de tige de coton conviennent à l'ameublement et à l'isolation thermique et sont conformes aux normes EN (P2).Pour étudier les performances de production de bioénergie, les fibres ont été soumises à une pyrolyse à l'aide d'un réacteur macro thermogravimétrique. La pyrolyse a été réalisée à 500°C avec une vitesse de chauffage de 10°C/min et un temps de maintien de 60 minutes. Les tiges de coton ont présenté le biochar et le liquide de pyrolyse les plus élevés, suivis par la bagasse et les fibres libériennes de kenaf. Les biochars avaient des propriétés thermiques favorables, avec une faible teneur en matières volatiles et en cendres, une teneur élevée en carbone fixe et en carbone, et un pouvoir calorifique élevé. Les TG et DTG ont indiqué une meilleure stabilité thermique, avec une augmentation significative de la température de dégradation pour la bagasse (65,9 %), les tiges de coton (87,5 %) et les fibres de kenaf (76,1 %) par rapport aux matières premières. Les résultats concernant les biochars permettent de comprendre clairement leur immense potentiel en matière d'applications énergétiques.

The general objective of this research work was to evaluate the properties of Sudanese bagasse, cotton stalks, and kenaf bast fibers for producing sustainable biocomposites and bioenergy. The chemical composition was conducted using the Technical Association of the Pulp and Paper Industry (TAPPI) methods. The Folin-Ciocalteu method was used to determine the total phenols, and FTIR was employed to assess chemical bond absorption. Thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), and bomb calorimetry were used for the thermal analysis. The results showed that bagasse exhibited 50.6% cellulose, cotton stalks had 40.3% cellulose, and kenaf bast fibers recorded 58.5% cellulose. The TGA showed degradation temperatures of 321°C for bagasse, 289°C for cotton stalks, and 354°C for kenaf bast fibers. The DSC showed glass transition temperatures of 81°C for bagasse, 66.3°C for cotton stalks, and 64.5°C for kenaf bast fibers. The higher heating values were 17.3 MJ/Kg for bagasse, 17.1 MJ/Kg for cotton stalks, and 16.6 MJ/Kg for kenaf bast fibers. The results revealed the suitability of these fibers for biocomposites and bioenergy production as they contained high percentages of cellulose, and their degradation temperature was above 300°C.The study investigated the properties of panels made from the three studied fibers using casein and tannin adhesives with a 15% loading level (w/particles). A pressing cycle of maximum pressure of 2.5 MPa, different pressing time durations of 480s, 240s, 120s, and 60s, and a pressing temperature of 180°C were used. The target density was 0.6 g.cm-3. The panels were tested for their mechanical, physical, and thermal properties according to European standards EN (310), EN (317), and EN (12664). The results showed that casein panels had higher mechanical properties and lower physical properties compared to tannin panels. Kenaf bast fibers panel exhibited the lowest mechanical and physical properties and did not meet the standard values. The mechanical properties of the tannin panels did not achieve the standard requirements. To investigate the sustainability of the panel production, the fibers were blended, using the same manufacturing method and adhesive loads for the individual fiber panels. The results revealed that the individual fibers had better properties than blended fibers. The thermal conductivity of both was below EN standard. Casein panels made from individual bagasse and cotton stalk fibers were suitable for furniture and thermal insulation and conformed with EN standards (P2).In order to investigate the bioenergy production performance, the fibers were subjected to pyrolysis using a macro thermogravimetric reactor. The pyrolysis process was conducted at 500°C with a heating rate of 10°C/min and a holding time of 60 minutes. Cotton stalks exhibited the highest biochar and pyrolysis liquid, followed by bagasse and kenaf bast fibers. The biochars exhibited favorable thermal properties, with low volatile and ash content, high fixed carbon and carbon content, and high heating value. The TG and DTG indicated improved thermal stability, with a significant increase in degradation temperature for bagasse (65.9%), cotton stalks (87.5%), and kenaf bast fibers (76.1%) compared to raw materials. Biochars release significantly more energy and thermal stability than raw materials. The bio-oil analysis revealed similar compounds among the three fibers. The findings of biochars provide a clear understanding of their immense potential for energy applications.