La pyrolyse de la biomasse produit du charbon, vecteur d’énergie, mais aussi des nanomatériaux.
La biomasse résiduelle est à la fois un polluant environnemental et une matière première renouvelable, et la pyrolyse est la technologie la plus importante pour l’utilisation de la biomasse résiduelle. Au fil des décennies, deux problèmes clés ont sérieusement entravé l’application commerciale de la pyrolyse. Le premier est que le bio pétrole issue de la pyrolyse est instable et sujette au vieillissement et à la détérioration, et qu’il est difficile de séparer ses constituants pour l’améliorer. L’autre est que son produit a moins de valeur et manque donc de compétitivité sur le marché.
En réponse à ces problèmes, le groupe du professeur Jiang Hong et le groupe du professeur Yu Hanqing de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) ont préparé du biochar à haut pouvoir calorifique et stable en phase solide et des nanomatériaux de carbone à haute performance (moins de couches de graphène et de nanotubes de carbone) en couplant la pyrolyse rapide, la distillation atmosphérique et la technologie de dépôt chimique en phase vapeur. Leurs études ont été publiées dans Nature Sustainability et dans Science Advances.
Un carburant solide
De nos jours, la composition du bio pétrole est complexe et instable, et contient généralement des centaines de composés organiques. Dans le processus de catalyse, ces substances organiques subissent une condensation, une déshydratation, une cokéfaction, etc. En outre, les méthodes de séparation courantes, telles que la distillation atmosphérique ou la distillation moléculaire, provoquent un cokage rapide du biopétrole, ce qui entrave le processus de distillation.
Dans l’étude publiée dans Science Advances, les groupes de Jiang et de Yu ont découvert qu’un nouveau combustible solide (appelé biochar) pouvait être obtenu en contrôlant les paramètres du processus de distillation atmosphérique pour obtenir une cokéfaction rapide du bio pétrole.
Comparable au charbon ordinaire
Leur analyse a montré que le pouvoir calorifique du biochar obtenu à partir de matières premières de biomasse variable (balle de riz, sciure, paille de blé, bagasse, paille de soja, etc.) était de 25-28 MJ/kg, ce qui était comparable au pouvoir calorifique du charbon commercial. En outre, le biochar est respectueux de l’environnement, avec des performances stables, une faible teneur en soufre et l’absence de métaux lourds. Le modèle de recherche a également démontré que la production nationale de biochar pouvait atteindre 402 millions de tonnes de charbon standard.
Utilisation du gaz de pyrolyse
Pour résoudre le problème de l’utilisation incomplète du gaz à haute température généré lors du processus de pyrolyse, les deux groupes sont allés plus loin dans la recherche. Dans l’étude publiée dans Nature Sustainability, les chercheurs montrent que le gaz de pyrolyse contient de petites molécules de matière organique carbonée et que la température du gaz de pyrolyse est élevée, ce qui constitue un précurseur potentiel pour la préparation de nanomatériaux carbonés. En optimisant les conditions de pyrolyse, ils n’ont pas besoin de refroidir et de purifier le gaz de pyrolyse.
Selon cette nouvelle technique, ils peuvent non seulement utiliser des matières premières de biomasse modèle (lignine et cellulose) pour la pyrolyse du gaz, mais aussi utiliser les déchets de biomasse (sciure et paille de blé) du gaz de pyrolyse pour préparer du graphène 3D par la méthode du dépôt chimique en phase vapeur. En modifiant les conditions de dépôt par pyrolyse, on obtient des nanofils de carbone. Ces matériaux en carbone à haute valeur ajoutée ont démontré de bonnes performances dans l’élimination des polluants et le stockage de l’énergie.
Production de graphène plus performante
Par rapport au dépôt en phase vapeur de graphène traditionnel, l’analyse du cycle de vie a montré que l’utilisation du gaz de pyrolyse de la biomasse pour synthétiser le graphène avait un impact environnemental et une consommation d’énergie moindres.
Les deux études sont d’une grande importance pour augmenter la valeur des produits de pyrolyse de la biomasse et ainsi promouvoir davantage la commercialisation des techniques de pyrolyse.
Cet article a d’abord été publié par l’Académie chinoise des sciences.
