Nous nous sommes intéressés également à l’oxydation dite « ménagée », c'est-à-dire sous l’effet d’un agent oxydant doux tel le dioxyde de carbone. Le traitement thermique du bois d’arganier sous CO2 a un effet non négligeable sur le comportement thermique de l’échantillon en question. En effet, substituer l’azote par le dioxyde de carbone apporte un changement sur l’allure du thermogramme. Nous remarquons que l’initiation de la réaction reste toujours dans la même zone de température notée dans les cas précédents (220°C). Mais juste après, la perte de masse prend de l’importance avec une vitesse de réaction moins importante que dans le cas de l’oxygène.
D’autre part, la réaction de pyrolyse commence à se stabiliser à partir de 450°C. Par contre, celle sous CO2 progresse jusqu’à 550°C laissant un résidu solide de l’ordre de 20% sur une base sèche en fin de réaction.
Nous remarquons que le traitement thermique sous CO2 produit une fraction de goudron moins importante que dans le cas de la pyrolyse. Par contre, la fraction des gaz incondensables est beaucoup plus abondante. En analysant ces données, nous pourrions avancer que le bois d’arganier réagit avec le CO2 sous l’effet de la chaleur. Ce dernier, pourrait bien jouer un rôle oxydant en réagissant aussi bien avec le carbone des molécules du bois qu’avec celui des molécules produites au cours de la réaction pour donner ainsi des gaz riches en monoxyde de carbone et ce, suivant la réaction de Boudouard qui est favorisée au fur et à mesure que la température prend de l’importance.
Sur la base de ces résultats, nous allons effectuer une étude cinétique de la décomposition thermique du bois d’arganier sous une atmosphère inerte (azote) et sous une atmosphère oxydante (oxygène). L’étude cinétique de la décomposition thermique du bois d’arganier sous une atmosphère réductrice (hydrogène) s’avère inutile puisque l’hydrogène se comporte comme étant un gaz inerte dans le cas de notre système.
CONCLUSION
Afin de contribuer à la valorisation des espèces forestières marocaines, nous avons cherché à mieux comprendre le phénomène de la décomposition thermique du bois d’arganier en étudiant les facteurs expérimentaux susceptibles d’influencer la réaction de pyrolyse, l’effet qu’apporte l’acide phosphorique ainsi que le comportement thermique sous différentes atmosphères. L’étude de la pyrolyse des trois principaux constituants de la biomasse (cellulose, lignine et Xylane qui représente l’ensemble des hémicelluloses) nous a permis de déterminer approximativement la proportion de chacune de ces trois substances dans le bois d’arganier et qui est de 40 % en cellulose, 25 % en lignine et 35 % en hémicelluloses. L’imprégnation du bois d’arganier avec de l’acide phosphorique change radicalement son comportement thermique. En effet, il fait démarrer la réaction de dégradation prématurément laissant un résidu solide en fin de réaction en plus grande proportion.
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Chapitre 4
Cinétique de dégradation thermique du bois
d’arganier
Depuis plusieurs décennies, un grand nombre de travaux ont été menés pour étudier la cinétique de la décomposition thermique de la biomasse [1-9]. Une étude bibliographique a permis de noter une grande différance entres les paramètres cinétiques calculés. Ceci est dû, d’une part, à la nature de l’espèce étudiée, et d’autre part, aux modèles mathématiques utilisés et aux hypothèses adoptées.
Afin de déterminer les paramètres cinétiques de la décomposition thermique de la biomasse traitée (bois d'arganier) sous différentes atmosphères, les données fournies par les techniques expérimentales utilisées seront confrontées à des modèles mathématiques tels le modèle de Kissinger, le modèle de Flynn-Wall-Ozawa (FWO) et celui de Friedman. Sur la base de ces résultats, et en utilisant le modèle mathématique de Coats-Redfern et celui de Phadnis-Deshpand, nous pourrons identifier le mécanisme cinétique de la dégradation thermique du bois d’arganier.
I- EXPRESSION CINETIQUE
Du point de vue cinétique, la décomposition thermique relève des réactions des systèmes solide/gaz qui obéissent au schéma réactionnel suivant:
a A (solide) b B (gaz) + c C (solide)
En analyse thermogravimétrique, on a coutume de définir l'évolution de la réaction par son degré d'avancement ou degré de transformation α qui est défini comme suit:
α = (m0 – mt ) / ( m0 – mf) (1)
Où m0, mt et mf représentent respectivement la masse initiale, la masse à l'instant t et la masse à la fin de réaction.
Toutes les informations de la cinétique de dégradation thermique peuvent être extraites des expériences thermogravimétriques en régime dynamiques au moyen de plusieurs méthodes.
D’une manière générale, l’expression de la vitesse peut être modélisée de la façon suivante :
dα/dt = k(T) f(α) (2)
Où k (T) est la constante de vitesse qui ne dépend que de la température, et f(α) une fonction du degré d'avancement qui ne dépend ni de la température, ni du temps. Dans le cas où k (T) obéit à la loi d'Arrhénus, nous avons :
k (T) = A exp ( -Ea / RT ) (3)
Avec A le facteur de fréquence dit aussi facteur pré exponentiel, T la température absolue, R la constante des gaz parfaits et Ea l'énergie d'activation de la réaction ; l'expression (2) devient alors:
dα/dt = A f(α) exp ( -Ea / RT ) (4)
Si la température du système change linéairement en fonction du temps β= dT/dt, la variation du degré de conversion peut être analysée comme une fonction de température.
dα/dt = (dα/dT) x (dT/dt) = β dα/dT (5)
En substituant (5) dans (4) nous obtenons:
dα/dT = (A/β) f (α) exp ( -Ea/RT ) (6)
Par intégration de l'équation (6) entre la température initiale T0 (correspondant au degré d'avancement α0) et la température Ti (correspondant au degré d'avancement à l'instant ti), on obtient l’équation (7):
∫
αα0i dα/f (α) = A/β∫
Ti
Quand T0 est très petit, on peut alors considérer que la réaction n'a pas encore lieu entre 0 °C et T0, et par conséquent α0 = 0 ; ce qui nous donne :
g (α) =
∫
i α 0 dα/f (α) = A/β∫
Ti 0 exp ( -Ea/RT ) dT (8)Où g (α) est la fonction de α qui dépend du mécanisme de dégradation thermique du système étudié.
L’équation (8) représente l'expression fondamentale pour calculer les constantes cinétiques après utilisation des différentes méthodes mathématiques.