2014_AAC DDS_BioWooEB_production de charbons actifs à

Intitulé de sujet
Production de charbons actifs préparés à partir de sous-produits agricole disponibles
dans le Nord et l’Ouest de l’Afrique
Contexte et justification :
En Afrique, l'industrie agro-alimentaire génère de grandes quantités de déchets; dont la valorisation
pour produire de l’énergie ou obtenir des matériaux est une voie prometteuse pour rendre les filières de
production plus rentables. Certains résidus de biomasse inexploités comme les coques de noix de palme, les
coques d’anacarde, les noyaux d’olive et les tourteaux de jatropha et de karité…, sont souvent éliminés par
simple combustion (bien souvent sans valoriser l’énergie) pour résorber des problèmes d’encombrement, de
pollution (lessivage, méthanisation, etc.) et de sécurité (incendie, explosions après méthanisation, etc.). Afin
de mieux valoriser ces sous-produits plusieurs travaux de recherches ont été menés pour étudier leur
valorisation comme charbons actifs. Les charbons actifs sont des matériaux carbonés poreux largement
utilisés, aussi bien pour la purification d’eau que pour le traitement de rejets industriels liquides et gazeux,
mais également pour l’industrie aurifère [1-6]
Le développement du nombre d’unités de transformation de produits agroalimentaires en Afrique ces
dernières décennies a engendré non seulement la production de grandes quantités de déchets mais aussi
l’utilisation et l’importation de grandes quantités de charbon actifs pour le traitement des rejets aqueux, la
décoloration et désodorisation de jus de fruits ou d’huiles végétales. Comme étudié dans le cadre de la thèse
[2iE / Cirad/ Université Cadi Ayyad (UCA)] menée par Mbaye Gueye et dans le projet en cours de
financement par la société IamGold au Burkina Faso, avec le boom de l’extraction aurifère au Maghreb et en
Afrique de l’ouest ces huit dernières années, les quantités de charbons actifs importées (Philippines, PaysBas, Indonésie, et Inde) sur le continent ont été multipliées par 3 ou 4 (Burkina Faso 2,3 millions $ en 2010,
Ghana 3,8 millions $ en 2008, Guinée 251.000 $ en 2008*). Cette industrie utilise des charbons actifs pour
sélectivement extraire les complexes d’or cyanurés du process industriel.
Malgré la disponibilité de la matière première (les sous-produits agricoles), et le marché local important
(coût élevé de l’importation), les unités de production de charbons actifs sont quasi-inexistantes. Les
techniques de fabrication des charbons actifs font appel à des procédés relativement simples et faciles à
mettre en œuvre à petite échelle sur le continent Africain.
L'implantation d'une industrie locale, utilisant des précurseurs peu coûteux, apparait ainsi comme une
alternative intéressante permettant de :
• rentabiliser les filières agroalimentaires qui génèrent ces résidus par leur transformation en produits à
valeur ajoutée et donc garantir la compétitivité des activités sur le long terme ;
• innover en vue d’améliorer la qualité de vie des citoyens par l’utilisation de dépolluants bon marché ;
• mettre à disposition des utilisateurs un produit local à moindres coûts.
• participer à l’industrialisation et la création d'emplois par l'installation d'unités de petites capacités de
production de charbons actifs.
De plus, en fonction des usages, les propriétés physico-chimiques des charbons actifs (essentiellement
texture poreuse et tenue mécanique) doivent être adaptées aux types de polluants ou adsorbats à traiter pour
garantir de bons rendements d’extraction, d’où l’intérêt d’avoir une production locale afin que le producteur
puisse offrir des charbons actifs répondant au mieux aux besoins et aux spécificités d’usage de l’utilisateur.
Une fois saturés en adsorbant, ces charbons actifs sont soit éliminés, soit régénérés ; la seconde option étant
la plus économique pour éviter l’achat et l’importation de nouvelles charges de charbon. Cependant, par
manque d’unités disposant de fours de pyrolyses les opérateurs en Afrique sont contraints, dans la plupart
des cas, d’éliminer les charbons.
Résumé du travail proposé :
a) Objectif :
Afin de valoriser les sous-produits locaux (création de revenus pour les producteurs et
transformateurs des filières agroalimentaires), la thèse proposée a pour objectif principal de développer un
procédé permettant de produire à petite échelle (1 à 2 tonnes/jour) des charbons actifs à partir de résidus
agricoles. Plus spécifiquement il s’agira :
i) d'optimiser et de contrôler les conditions de la conversion thermochimique des biomasses pour produire
des charbons actifs, permettant de répondre aux besoins des filières de traitement des eaux, de jus agro
agroalimentaires et de l’industrie de l’extraction de l’or ;
*
Increasing Local Procurement By the Mining Industry in West Africa, World Bank Report No. 66585-AFR, 119p (Jan. 2012)
1
ii)
de développer un pilote à petite échelle qui puisse fonctionner en zone décentralisée en Afrique et qui
soit suffisamment souple d’utilisation pour permette de maîtriser la nature des charbons actifs qui vont
être produits.
Ce travail de recherche s’inscrit pleinement dans l’axe prioritaire n°2 du Cirad « Innover pour des
valorisations durables de la biomasse à des fins non alimentaires » et le projet scientifique de l’UR
« Biomass , Wood, Energy, Bioproducts » (BioWooEB). Il concoure à optimiser de nouvelles voies de
valorisations technologiques de résidus de biomasses ligneuses locales, et ce prioritairement au profit des
populations rurales et périurbaines des régions tropicales et méditerranéennes. Un des thèmes de recherche
développé en collaboration entre le 2iE, l’Université Cadi Ayyad et le Cirad concerne la synthèse de
matériaux poreux (charbons actifs) à partir de biomasses locales pour des applications en milieux liquide.
b) Hypothèses de recherches
H1 : Les résidus de biomasses d’unités de transformations agroalimentaires sont de qualité homogène (faible
variabilité dans le temps et avec les saisons).
H2a : Les paramètres les plus influents pour contrôler la texture poreuse de charbons actifs issus d’une même
biomasse sont la nature de l’agent activant, la température de pyrolyse et la vitesse de chauffe.
H2b : La tenue mécanique des charbons actifs est principalement fonction de la densité de la biomasse
utilisée en amont.
H3 : Les tests de performance des charbons actifs pour l'adsorption de molécules modèle à l’échelle labo sont
représentatifs de ce qui se passe aux échelles pilote et industrielle.
c) Déroulement de la thèse
Dans un premier temps, le doctorant mènera une étude bibliographique approfondie sur la
compréhension des mécanismes et phénomènes physicochimiques mis en jeux lors de la synthèse de charbon
actifs, l’adsorption en milieux aqueux et les procédés de production (par activation physique et/ou chimique)
de charbons actifs.
Dans un second temps, le travail en laboratoire sera concentré sur la synthèse de nouveaux charbons actifs à
partir de biomasses d’Afrique de l’Ouest et du Maghreb. Un travail préalable d’enquêtes auprès de différents
opérateurs sera mené pour identifier i) les résidus lignocellulosiques les plus abondants (et disponibles pour
éviter toute compétition d’usage) et ii) les caractéristiques (spécifications en terme de texture poreuse et
tenue mécanique) requises des charbons actifs en fonctions des applications.
Les conditions de synthèse des charbons actifs (à partir de 4 biomasses identifiés, 2 issues de la zone
Maghreb et 2 d’Afrique de l’Ouest) seront optimisées de manière à produire facilement (en jouant
principalement sur l’activation et la température de pyrolyses) des charbons actifs adaptés à l’adsorption de
polluants/molécules modèles (pesticides, métaux contenus dans eaux de tanneries, colorants, or cyanurée..).
La méthodologie de la recherche expérimentale sera utilisée pour élaborer des plans d’expériences en
fonction des objectifs de chaque étape de la préparation. Les paramètres à optimiser pour la carbonisation
sont la température, le temps de séjour à cette température, la vitesse de chauffe, la nature de la biomasse…
Au niveau de l’activation, il s’agira en particulier d’étudier l’effet des paramètres suivants : nature et teneur
de l’agent activant, température, durée d’activation, … sur le développement de la structure poreuse.
Les charbons actifs préparés seront caractérisés (surface spécifique BET, IR-TF, MEB, fonctions de surface,
pH zero charge,…) afin d’orienter leurs applications en fonctions des spécifications d’usages préalablement
identifiées.
Une troisième partie des travaux va consister à dimensionner et construire un pilote de production de
charbons actif. Sur la base de l’analyse des conditions à maitriser (issu des travaux 2nd partie) pour la
synthèse de charbons actifs, et en fonctions des usages visées, un cahier des charges sera établit pour
concevoir un pilote à petite échelle (~5 kg/h) qui puisse fonctionner en zone décentralisée en Afrique et qui
soit suffisamment souple d’utilisation pour permette de maîtriser la nature des charbons actifs qui vont être
produits Des essais de régénérations par lavage et oxydation contrôlée de charbons actifs saturés seront
également expérimentés. Après conception du pilote, des tests de fonctionnement /optimisation seront menés
afin d’acquérir des données pour étudier l’extrapolation du procédé à plus grande échelle (~tonne/h).
Dans la quatrième partie une analyse économique sera menée pour estimer les conditions de rentabilité de
l’implantation d’une telle production de charbons actifs. Une analyse de l’impact environnemental (type
ACV) sera également menée (bilan CO2, eau,…).
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Paramètres à maîtriser
et cahier des charges
pour design /conception
du pilote
(BET, IR-TF, MEB, pH ZC …)
Adéquation avec Spécifications d’usage
Tests adsorption sur molécules modèles
La thèse sera menée en cotutelle entre l’école doctorale « sciences et technologies de l’eau, l’énergie et
l’environnement » (2iE - Burkina Faso) et le centre d’études doctorales « Sciences &
Techniques» (Université Cadi Ayyad -Maroc). Le doctorant sera accueilli en alternance entre le Laboratoire
Biomasse Énergie et Biocarburant du 2iE (synthèse et caractérisation) et le Laboratoire de Chimie Organique
Appliquée de l’Université Cadi Ayyad (enquêtes, synthèse, méthodologie de la recherche, tests
d’adsorption). Deux mobilités de 4 mois au Cirad, UR BioWooEB, seront programmées années 2
(caractérisation des charbons actifs) et 3 (ACV).
Liste de quelques publications de l’équipe proposant le sujet :
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6.
M. Gueye, Y. Richardson, F. T. Kafack and J. Blin (2014). "High efficiency activated carbons from African
biomass residues for the removal of chromium(VI) from wastewater." Journal of Environmental Chemical
Engineering 2(1): 273-281.
M. Gueye, J. Blin and C. Brunschwig (2011). Valorisation de la biomasse locale pour la production de charbon
actif pour le traitement des eaux usées. 6ème édition des journées scientifiques de 2iE. Ouagadougou
M. Melzer, J. Blin, A. Bensakhria, J. Valette and F. Broust (2013). "Pyrolysis of extractive rich agroindustrial
residues." Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 104(0): 448-460.
A. N. Rahman, A. Baçaoui, A. Yaacoubi et al. Modified Composite Activated Carbon Derived from PostConsumer Plastics and Lignocellulosic Materials, American Chemical Science Journal 3 (1) 2013, 24-33,
A. Daouda, A. Baçaoui, A. Yaacoubi et al. / Optimization of Activated Carbons Prepared by and Steam Activation
of Oil Palm Shells, Journal of Chemistry, 2013, 1-10
A. Ounas, A. Baçaoui, A. Yaacoubi et al. / Pyrolysis of olive residue and sugar cane bagasse: Non-isothermal
thermogravimetric kinetic analysis Bioresurce Technology, Volume 102, Issue 24, December 2011, 11234
Noms des directeurs : J. Blin (2iE/Cirad) & A. Baçaoui (UCA)
Noms des encadrants : L. Martin (Cirad) & A. Yaacoubi (UCA)
Discipline et école doctorale de rattachement de la thèse : Génie chimique et génie des procédés ;
Ecole doctorale sciences et technologies de l’eau, l’énergie et l’environnement (2iE - Burkina Faso) et le
centre d’études doctorales« Sciences & Techniques» (Université Cadi Ayyad - Maroc)
Composition prévisionnelle du comité de thèse : A. Baçaoui (UCA), J. Blin (Cirad), A. Yaacoubi
(UCA), L. Martin (Cirad), A. Napoli (Cirad), A. Benoist (Cirad), S. Sidibé (2iE)
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