Pyrolyse catalytique du bois de hêtre sur zéolithe HZSM-5 modifiée par Fe et Ni : caractérisation chimique détaillée de la bio-huile et désactivation du catalyseur

Cette thèse étudie la pyrolyse catalytique du bois de hêtre avec un double objectif : établir une identification chimique la plus complète possible de la bio-huile de pyrolyse à l’aide de techniques analytiques complémentaires tout en évaluant l’influence catalytique de HZSM-5 et FeNi/HZSM-5 sur la composition de la bio-huile, et étudier la stabilité de ces catalyseurs dans la pyrolyse de biomasse lignocellulosique. Cette étude à combler deux lacunes : la caractérisation par FT-ICR MS en pyrolyse catalytique reste peu employée, et les mécanismes de désactivation des zéolithes à des rapports biomasse/catalyseur réalistes sont insuffisamment élucidés. Une pyrolyse en lit fluidisé à l’échelle laboratoire a été mise en œuvre en utilisant du sable, HZSM-5 ou FeNi/HZSM-5 comme solide de fluidisation, afin de produire des bio-huiles brutes et améliorées. Les bio-huiles ont été caractérisés par ATR-FTIR, GC-MS et FT-ICR MS avec des sources d’ionisation APCI et ESI. Les catalyseurs, frais et usés, ont été caractérisés par XRD, physisorption d’azote, SEM-EDX, réactions à température programmée, TGA, DRIFTS et adsorption-désorption de pyridine. Les principaux résultats se déclinent en trois volets. Premièrement, la bio-huile de hêtre est un mélange fortement oxygéné issu de la décomposition cellulose/hémicellulose/lignine. L’ATR-FTIR révèle des carbonyles et hydroxyles abondants, compatibles avec une forte polarité et une instabilité. La GC-MS permet d’identifier la fraction légère dominée par les composants phénoliques et les aldéhydes ; la FT-ICR MS attribue plus de 5 000 formules, dominées par des classes oxygénées, avec une forte sélectivité selon le mode d’ionisation. Deuxièmement, la pyrolyse catalytique sur HZSM-5 et FeNi/HZSM-5 diminue la teneur totale du groupe carbonyle, augmente les hydrocarbures aromatiques et les phénoliques au détriment des oxygénés issus des sucres, et décale les distributions des classes vers des rapports O/C plus faibles et des DBE (Double Bond Equivalent) plus élevés, témoignant de voies de désoxygénation et d’aromatisation. FeNi/HZSM-5 montre une tendance légèrement plus marquée, mais l’enveloppe compositionnelle globale reste comparable, en accord avec la désactivation et la sélectivité de forme. Troisièmement, la désactivation est principalement gouvernée par l’encrassement par coke. Une meilleure résistance à la désactivation est associée au dopage aux métaux Fe et Ni. Dans l’ensemble, l’approche multi-technique fournit une vision détaillée des bio-huiles, met en évidence la complexité de la matrice organique et souligne la nécessité de technologies catalytiques adaptées pour l’amélioration de la bio-huile et de la durée de vie des catalyseurs.