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RÉSUMÉ
La liqueur noire kraft est un déchet important de l’industrie papetière. Sa valorisation permettrait d’obtenir un matériau « carbone » fonctionnel peu coûteux à partir d’une matière première abondante. Depuis 2022, la liqueur noire de kraft est considérée comme une solution réaliste pour remplacer le carbone pétrosourcé. Cet article détaille tout d’abord le procédé de génération mis au point : sa mise en forme suivie d’une étape de carbonisation en atmosphère inerte. L’article présente ensuite les propriétés de ces matériaux néoformés pour un usage vers le domaine de la transition énergétique avec comme focales le stockage de l’hydrogène et le développement de supercondensateurs électrochimiques.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Romain POUPART : Chercheur postdoctoral - Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB), univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB, UMR 5026, Pessac, France
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Jacob OLCHOWKA : Chargé de recherche CNRS - Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB), univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB, UMR 5026, Pessac, France
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Jean-Louis BOBET : Professeur des universités - Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB), univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB, UMR 5026, Pessac, France
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Rénal BACKOV : Professeur des universités - Centre de recherche Paul Pascal (CRPP), univ. Bordeaux, CNRS, CRPP, UMR 5031, Pessac, France
INTRODUCTION
La liqueur noire kraft est le principal sous-produit de l’industrie papetière. Elle est issue du procédé éponyme (procédé kraft) qui permet de séparer la cellulose, nécessaire à la fabrication du papier, des autres composants du bois que sont l’hémicellulose et la lignine. Ce procédé se distingue des autres par l’utilisation d’une solution alcaline à base de soude (NaOH). Ici, la liqueur noire n’est qu’un déchet, le produit principal étant le papier issu de la liqueur blanche. Ce faisant, les papeteries cherchent à valoriser cette liqueur noire… autant que faire se peut. Pour le moment, seule sa combustion, fournissant ainsi de l’énergie pour l’usine (la vapeur d’eau sous pression fait tourner des turbines électrogénératrices), permet sa valorisation, ainsi que l’obtention de quelques molécules d’intérêt de faible valeur ajoutée, comme des molécules tensioactives (des savons) ou bien encore de l’essence de térébenthine.
La présence de fragments de lignine et d’hémicellulose au sein de la liqueur noire de kraft la rend cependant particulièrement intéressante comme source de carbone biosourcée et ouvre la voie vers d’autres moyens de valorisation beaucoup plus écoresponsables. Certaines sources de carbone issues de matières renouvelables, comme la noix de coco, ont un intérêt académique croissant, en partie pour suppléer à la raréfaction des matières fossiles. Ainsi, nous présentons ici un résumé de nos travaux qui ont permis de transformer un déchet bon marché et abondant de l’industrie papetière en une solution réaliste de remplacement des sources de carbone pétrosourcées pour la génération de nouveaux matériaux (carbones) dédiés à la transition énergétique, que ce soit pour le stockage de l’hydrogène ou comme matériaux d’électrode pour supercondensateurs. Les carbones issus de la liqueur noire et leurs hybridations présentent des avantages certains dans ces domaines d’actualité de « transition énergétique » où la valorisation d’un coproduit de l’industrie papetière est appréhendée sous une démarche écoresponsable.
Points clés
Domaine : Stockage de l’énergie
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Émulsification huile dans eau
Domaines d’application : Stockage d’énergie
Principaux acteurs français :
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Pôles de compétitivité : PEPR « bois et recyclages »
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Centres de compétence : Université de Bordeaux
Contact : [email protected], [email protected], [email protected]
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5. Perspectives et évolutions
Le développement futur de matériaux à haute valeur ajoutée issue de la liqueur noire est assez vaste et les études n’en sont qu’à leur début. Tout d’abord, les propriétés remarquables en tant que matériaux d’électrode pour supercondensateurs, et ce sans plus d’optimisations préalables, les rendent d’ores et déjà particulièrement intéressant dans ce domaine. Si ses performances pouvaient égaler, voire même dépasser, celles du carbone commercial Kuraray YP-80F, alors nous aurions accès à un carbone compétitif, efficace, peu coûteux et donc très prometteur dans le domaine du stockage électrochimique de l’énergie. Il est à noter que, suite aux modifications de procédé de génération de ces carbones, une nouvelle ACV serait nécessaire, surtout suite aux mises à jour du traitement thermique.
De plus, le domaine d’usage pourrait s’étendre à de nouvelles applications nécessitant, de façon générale, de transporter et collecter les électrons de manières efficaces. En effet, les carbones sont utilisés dans le cadre du développement des batteries. Ici aussi, les carbones issus de la liqueur noire seraient potentiellement concurrentiels. En valorisant un déchet, les batteries, dont le secteur est en pleine expansion suite à la raréfaction des énergies fossiles, seraient alors synthétisées à travers une écoconception notable. Ces carbones seraient ainsi utiles pour les batteries lithium-ion mais aussi sodium-ion, dont le développement revêt un intérêt majeur suite aux nombreux problèmes que suppose l’augmentation de la demande dans ces métaux. Néanmoins, les essais sont pour l’instant préliminaires (tant pour les batteries au sodium que pour les carbones issus de liqueur noire) et de nombreux carbones déjà présents sur le marché remplissent le cahier des charges nécessaires pour être incorporés dans ces batteries. Des optimisations seront nécessaires et sont d’ores et déjà en cours. D’autres applications sont envisagées dans nos laboratoires, toujours grâce à la valorisation de cette liqueur noire, allant de la catalyse électroassistée au captage et à la transformation du CO2.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KEVLICH (N.S.), SHOFNER (M.L.), NAIR (S.) - Membranes for Kraft black liquor concentration and chemical recovery : Current progress, challenges, and opportunities. - In Separation Science and Technology, Taylor & Francis, vol. 52, p. 1070-1094 – 10.1080/01496395.2017.1279180 (2017).
-
(2) - POLA (L.), COLLADO (S.), OULEGO (P.), DÍAZ (M.) - Kraft black liquor as a renewable source of value-added chemicals. - In Chemical Engineering Journal, vol. 448, p. 137728 – 10.1016/j.cej.2022.137728 (2022).
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(3) - FOULET (A.) - Application de l’analyse du cycle de vie lors de la conception de matériaux poreux à partir de la biomasse - (2015).
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(4) - SILVERSTEIN (M.S.), CAMERON (N.R.) - PolyHIPEs – Porous Polymers from High Internal Phase Emulsions. - In Encyclopedia of Polymer Science and Technology, John Wiley & Sons, Inc. (2002).
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(5) - BARBY (D.), HAQ (Z.) - Low density porous cross-linked polymeric materials and their preparation - (1982).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
R. Poupart, R. Backov et J.-L. Bobet. Matériau composite carbone biosourcé-TiFe, son procédé de préparation et son utilisation pour le stockage d’hydrogène. Brevet français 2024, n° de dépôt FR24-05989.
R. Poupart, R. Invernizzi, J. Olchowka, H. Deleuze, M.A. Dourges, L. Demourgues and R. Backov. Process for the preparation of a porous monolithic carbonaceous material obtained by said process and its use as a supercapacitor electrode. Brevet européen 2023, n° de dépôt EP23-306177.
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