matériaux alcalins
3. La désulfurisation du biogaz par sulfuration du fer sur matériaux industriels
3.3. Paramètres influents la réaction de sulfuration en milieu hétérogène
La réaction chimique de précipitation d’H2S avec le fer en milieu hétérogène dépend de divers
paramètres. Le taux d’humification constitue un paramètre important dans la mise en œuvre qui peut se faire en milieu aqueux ou bien sec. La granulométrie du matériau utilisé semble également être un facteur influent en raison de la nature surfacique du mécanisme réactionnel. En plus de ces deux paramètres, l’effet de la composition du gaz traité, et notamment de la présence de CO2 et de CH4, sera également abordé.
Afin d’évaluer l’impact de ces paramètres sur les performances épuratoires, la capacité de capture d’H2S par un matériau,
CH
2S / mat, (éq. 66) et les taux massiques de conversion du fer en équivalent FeO, Fe, et de capture de l’H2S, H2S, ont été utilisés (éq. 67 et éq. 68). CH 2S / mat(gH2S/kgmat) mH 2S capté mmat éq. 66
Fe(%mass.) mFeO réactif mFeO initial 100 mH2S réactif mFeO initial MFeO 3.MH2S 100 éq. 67 H2S(%mass.) mH2S capté mH2S initial 100 éq. 68
3.3.1 Le taux d’humidification
Les travaux de Seredych et al. (2008) ont mis en évidence que l’eau permettait d’augmenter de plus de 10% la capacité de capture d’H2S dans l’air sur le matériau adsorbant testé (des
boues d’épuration).
Truong et Abatzoglou (2005) ont également constaté que l’eau avait un effet positif sur la sulfuration d’un adsorbant commercial appelé Sulfatreat 410-HP ®. Lorsque le biogaz reconstitué en laboratoire est saturé en eau (20-30 geau/m3BG 3), les performances de capture
d’H2S augmentent significativement avec un temps de percée doublé par rapport au test
réalisé avec du biogaz sec.
De plus, Cherosky et Li (2013) ont étudié l’effet de l’humidification sur la sulfuration de différents médias imprégnés de Fe(OH)3 (des déchets verts séchés et broyés (résidus
d’élagage), des déchets verts méthanisés et des résidus de tabac). Quatre taux d’humidification L/S ont été appliqués à ces médias (0,15, 0,25, 0,35 et 0,45 L/kg). La mise en contact avec 1,0 L/min d’un biogaz récolté sur site contenant entre 700 et 1000 ppmv d’H2S a permis d’établir que le ratio optimum était compris entre 0,15 et 0,35 L/kg en
fonction des propriétés absorbantes du média. Des ratios plus importants entrainent la diminution significative du taux de capture de l’H2S en raison de problème de colmatage.
3.3.2 La granulométrie du matériau
La granulométrie du matériau joue un rôle important dans la réaction de sulfuration étant donné l’aspect surfacique du mécanisme. C’est ce que soulève Sahu et al. (2011) dans leurs travaux sur la capture d’H2S par des boues dites rouges, boues issues de la production
d’alumine à partir de bauxite. Mais ce sont Cherosky et Li (2013) qui ont étudié l’effet de la taille des particules sur la capacité de capture d’H2S. Pour cela, les auteurs ont utilisé des
déchets verts préalablement séchés, broyés et imprégnés d’hydroxyde de fer, Fe(OH)3.
Différentes granulométries de ce media à 12,5%mass. de fer ont ensuite été humidifiées à des
ratios L/S avant d’être mis en contact avec 1,0 L/min d’un biogaz à 700 et 1000 ppmv d’H2S.
Cela a permis d’établir que les conditions optimales de capture d’H2S étaient obtenues pour
une granulométrie moyenne du media comprise entre 2,4 et 4,8 mm avec un taux d’humidification L/S de 0,15 L/kg (Figure 21). Cependant, il semble ici que les effets de l’humidification et de la granulométrie soient liés aux propriétés absorbantes du média végétal utilisé. En effet, les auteurs précisent que, pour une granulométrie plus petite (0,5 - 2,4 mm), la surface spécifique est maximale ce qui induit un potentiel absorbant de l’eau plus important et donc réduit le taux de capture d’H2S lorsque la granulométrie et l’humidification diminuent
conjointement. Cependant, ce résultat ne sera probablement pas observé sur des matériaux inertes tels que les laitiers sidérurgiques. Mais, à notre connaissance, aucun autre résultat concernant l’effet de la granulométrie sur la sulfuration du fer sur des matériaux alcalins n’a été publié à ce jour. C’est pourquoi, sur la base des travaux de Cherosky et Li (2013), nous pouvons considérer que pour le ratio constant et maximal de L/S = 0,35 L/kg (où les propriétés absorbantes du média ne limite pas le taux de capture), l’augmentation de la granulométrie entraine une diminution du taux de capture d’H2S (Figure 21). Ceci résulte de
la diminution de la surface spécifique et donc des sites réactifs en surface.
Figure 21. Effet couplé de la granulométrie et de l’humidification sur la capture d’H2S par sulfuration sur des déchets verts imprégnés (Cherosky et Li, 2013)
3.3.3 La nature du gaz
Seredych et al. (2008) ont montré dans leurs travaux sur l’utilisation de mélanges de boues d’épuration et de cendres volantes pour la capture d’H2S que la présence de CO2 avait un
impact sur les performances. Les auteurs ont établi que la capacité de capture d’H2S dans l’air
est de 20 à 60% plus grande que dans le biogaz en fonction de l’adsorbant utilisé. A titre d’exemple, la capacité de capture à la percée des boues d’épuration testée passe de 42 gH2S/kgboues dans l’air humide à 23 gH2S/kgboues dans le biogaz sec. Cette tendance est
compétition avec les réactions surfaciques entre H2S et CaO. En effet, l’H2S réagit avec
l’oxyde de calcium pour former en milieu sec des sulfures de calcium, CaS (éq. 69), et en milieu aqueux des hydrosulfures de calcium, Ca(HS)2 (éq. 70 et éq. 71). Cependant, la
présence d’eau dans l’air humide pourrait également expliquer ces différences de performances. Milieu sec : CaOH2SCaSH2O éq. 69 Milieu aqueux : CaO3H2OCa OH
2 Ca OH
22H2SCa HS
22H2O éq. 70 éq. 71Daniela Tirnoveanu (2004), qui a étudié le potentiel épuratoire des mâchefers sur un biogaz de décharge réel, a mis en évidence que le CH4 et le CO2 n’avait pas d’impact sur les
performances à long terme. Concernant le méthane, aucune différence de teneur en CH4 n’a
été observée entre l’amont et l’aval du filtre. Pour ce qui est du CO2, la carbonatation rapide
sur le matériau a été constatée sur les premières heures de fonctionnement du filtre (environ 3h). Après saturation du calcium, la teneur volumique en CO2 en entrée et en sortie du filtre
est restée constante sur le reste du test (47h). L’auteur précise qu’aucune chute des performances de capture de l’H2S, réalisée simultanément, n’a été constatée.