Du Plastique au Carburant

5/14/2018 Du Plastique au Carburant - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/du-plastique-au-carburant 1/19

!"#$%&'(&)#"*

+,)-.)/"'0.'1$234&5326#"7"'2)'1$.8"22"'9'2)'1$:1";'.#"'&,)#<=$,:)&%$#':)%<$#



«J ̓ irai mélanger les solvants, maniant alcanes et polymères De diazote, de son courant, j ̓ irai balayer terres et mers Pour qu ̓ aucun plastique jamais ne puisse finir orphelin

D ̓ un geste d ̓ un seul je craquerai, comme on changerait l ̓ eau en vin

Je transformerai en or noir le pauvre déchet incompris

Déjà perdu et oublié aux recoins d ʼ une décharge triste De l ̓ indésirable objet naîtra bientôt l ̓ énergie

Même si de divin je n ̓ ai que le blanc de ma blouse de chimiste.»



+,)-.)/"'0.'1$234&5326#"7"'2)'1$.8"22"'9'2)'1$:1";'.#"'&,)#<=$,:)&%$#':)%<$#>

!"#$%&'()>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>'*

+,-&.)/012ʼ

#/'2)>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>'3! 1/ Le polyéthylène.........................................................................................2

2/ Autour du carburant..................................................................................2

3/ Craquage..................................................................................................4

??@'A4)2%<)&%$#'"B14,%:"#&)2">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>4

! 1/ De la théorie à la pratique.........................................................................5

2/ Machine.....................................................................................................73/ Protocole expérimental..............................................................................8

???@'C#)23<"'0"<',4<.2&)&<>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>5

! 1/ Mesures et produits obtenus..................................................................... 9

2/ Analyse en laboratoire...............................................................................10

a) Premier échantillon..........................................................................11

b) Second échantillon..........................................................................11

3/ Insatisfactions intellectuelles.....................................................................14

6789('0:78>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>*4

;:&(:7<"$=>:)>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>*?



!"#$%&'()

"Si vous pensez que vous êtes trop petit pour changer quoique ce soit, essayez donc de

dormir avec un moustique dans votre chambre." Betty Reese

"Face au monde qui bouge, il vaut mieux penser le changement que changer le pansement !" Francis Blanche

Le développement exponentiel de certainspays tels que l ʼ Inde où le Brésil s ʼ a c c o m p a g n e d ʼ u n e i m p o r t a n t eaugmentation de la demande en matièreplastique

. Lʼ

explosion de la consommation etle désir croissant dʼun mode de vie àl ʼoccidental entraine logiquement uneproduction frénétique de matière plastique, quia littéralement explosé ces 50 dernièresannées. Or, seuls quelques 3% de laproduction totale de plastiques au mondeest recyclée. Le reste sʼentasse dans desdécharges où est, au mieux, brûlé pour

produire de la vapeur dʼeau et finalement de l̓ énergie électrique, cette pratique dégageantune quantité importante de gaz nocifs dans l̓ atmosphère.

" Des voix se sont élevées pour clamerla possibilité de modifier certains déchetsplastiques en carburant. Ainsi, AlkaZadgaonkar affirme en 2004 avoir transforméun kilo de plastique, en un kilo de composésénergétiques dont 80% seraient utilisables entant que carburant.

" Les spécialistes annoncent quelques 4 milliards de tonnes de pétrole consommées par la population mondiale et par an. Aussi, un recyclage du plastique parcraquage, même intégral, ne peut évidemment pas prétendre être une alternativedurable à une production pétrolière classique.

TIPE 2010-2011 Craquage du polyéthylène - Benoit Stanek " 1



" De plus, nous constaterons avec déception mais sans surprise que lerendement énergétique est proche du zéro absolu. Cʼest une seule production à petiteéchelle qui peut être envisagée, sur de très petites quantités de plastique.

"En clair, il ne s

ʼagit pas là de révolutionner le traitement du plastique enprétendant pouvoir mettre au point une machine capable de transformer dans

lʼimmédiat le plastique en carburant et ce, à grande échelle. Il sʼagit plutôt, dans unedémarche citoyenne, de permettre la prise de conscience, sous un certain angle, de larichesse énergétique potentielle que peut représenter le plastique.

*+,-&.)/0,1ʼ#/'1)

" 1) Polyéthylène

" Si nous souhaitons pouvoir transformer du plastique en carburant, il nous fautsavoir ce quʼest un plastique, et ce quʼest un carburant. Le plastique le pluscommunément utilisé est du polyéthylène (PE). Il sʼagit dʼune longue paraffine, dont leprocessus de formation industrielle implique la polymérisation de molécules dʼéthylène parmécanisme radicalaire.

, 2) Autour du carburant

, Un carburant est principalement composé de paraffines (60% du mélange),

dʼoléfines (10% du mélange), et de divers aromatiques (30% du mélange). Lesqualités dʼun bon carburant sont une bonne capacité calorifique et un bon indicedʼoctane. Nous reviendrons sur ce dernier dans un instant." Attachons une plus grand importance au composé majoritaire d̓une essence, lesalcanes. La réaction dʼoxydation mise en jeu lors de l̓ inflammation dans un moteur sʼécrit :

CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 ----> nCO2 + (n+1)H2O




Cette réaction de réduction des alcanes est fortement exothermique, permettant lavaporisation des composés et donc l̓ augmentation en volume et en pression au sein dumoteur.

"Les composés d

ʼun carburant présentent un nombre de carbones spécifique, enfonction du type de carburant étudié. Le nombre de carbone est en effet directement lié

à la capacité thermique, mais aussi au propriétés dites physiques du carburant. Ainsi,pour débarquer un carburant dʼune péniche par exemple, on préférera travailler avec unfioul lourd, à la trentaine dʼatome de carbone par composés du mélange. On peut classerles carburants ainsi:

Essence C4H10 à C7H16

Gasoil/Fioul C12H26 à C22H46

Kérosène C10H22 à C14H30

"

Lʼ

indice dʼ

octane traduit quant à lui la capacité dʼun carburant à ne passʼenflammer avant l ʼétincelle. Ce phénomène dʼallumage prématuré dit

«dʼautoallumage», pose des problèmes de non uniformité de pression au sein du moteuret de non respect des cycles de fonctionnement. Certaines surpressions sont les causesde contraintes mécaniques qui dégradent rapidement la machine. Lʼautoallumageintervient à travers un mécanisme radicalaire par chaine qui sʼemballe lorsque le carburantest propice à former des radicaux libres selon le schéma mécanistique suivant:

" Différentes espèces réagissent plus ou moins bien face à ce phénomènedʼautoallumage. Plus lʼespèce est susceptible de former facilement des radicaux libres etplus la réaction sera favorisée thermodynamiquement, le carburant sera alors demauvaise qualité. On définit ainsi lʼindice dʼoctane commemesurant la capacité dʼun mélange à résister à ces phénomènesde radicalisation. A titre dʼexemple, on considère quʼune espècecomme lʼheptane est très enclin à former des radicaux libres.Son indice dʼoctane sera donc de 0. A l̓ inverse, le (2,4,4)-triméthylpentane est très peu susceptible de former desradicaux libres. Son indice dʼoctane sera donc de 100.

(2,4,4)-triméthylpentane




Prenons lʼexemple dʼun carburant dʼindice dʼoctane 75. Il se comporte donc comme unmélange idéal à 25% dʼheptane et à 75% de (2,4,4)-triméthylpentane.

3) Craquage

, Il nous faut transformer une longue chaine carbonée en plusieurs composés de

chaine carbonée réduite. Aussi peut-on faire appel à la technique du craquage quiconsiste justement en une réaction radicalaire visant à réduire la taille dʼune chaineparaffinique." En un sens, il sʼagit de jouer sur le caractère renversable de la réaction depolymérisation: pour une certaine température critique Ti, la «dépolymérisation» seraavantagée. Au sens propre, il ne sʼagit pas dʼune dépolymérisation puisque les produitsobtenus, bien que plus courts, ne sont pas identiques et on ne retrouvera pas l̓éthylèneinitial.

"

, Notre objectif principal reste de nous approcher des chaines en C7-C30,

utilisables en tant que carburant.

, Pour déterminer lʼordre de grandeur des températures auxquelles il nous faut

travailler, prenons lʼexemple simple de la formation dʼune molécule de butane, à

partir dʼéthane et d

ʼéthylène. Nous assimilerons les radicaux carbonés à l

ʼespècedépourvue dʼélectron célibataire. Intéressons-nous alors à la transformation suivante:




Que nous assimilons par simplification à:

Nous utiliserons les données tablées suivantes:

Tous les composants sont en phase gazeuse aux températures «de travail»Pour la réaction étudiée, nous obtenons donc:

Et alors,

Ce résultat dʼenviron 400°C orientera le choix de la température de mes futuresmanipulations.

**+,2#$(30$/345,)67#"3%)5/$()

1) De la théorie à la pratique

" Cʼest en binôme, avec M. Pierre Fromholz, que jʼai réfléchi à lʼélaboration dʼunemachine permettant la mise en oeuvre de la transformation de craquage." Tous deux messins et fiers de l̓ être, nous avons contacté un laboratoire des Arts etMétiers Paristech, installé au technopôle de Metz, et, c̓ est avec lʼappui de son directeurM. Laurent Pelletier, que nous avons pu transporter jusquʼà la capitale un four circulairepermettant dʼatteindre des températures adéquates."

" Dès lors, lʼidée était simple: il fallait raccorder la théorieavec la pratique et réfléchir aux contraintes pour agir en

connaissance de cause. Lʼune de nos premières résolutions aété dʼutiliser un plastique «étalon», du polyéthylène pur, sansadjonction de colorant. Les autres décisions prises pas à pasont été résumées dans le tableau ci-après.


∆rG0= −9, 44 ∗ 104 + T ∗ 138, 69 J.mol−1

∆rG0

> 0⇒ T > 680K



Contraintes Choix

Composants en phase gazeuse Travailler avec le moins de piècesmobiles possible pour garantir

lʼétanchéité.

Trois pièces mobiles dont un conduitprincipal.Etanchéité assurée par des vis en laiton,un chauffagiste est sur le coup.

Températures élevées Travailler avec un matériau résistant etoffrant une bonne conductivité thermique,choix du cuivre + Obtention dʼun fourcirculaire permettant dʼatteindre destempérature de 1000 ou 1500°C +Assurer une bonne isolation thermique

(utilisation de laine de verre)

Petites quantités de matière Travailler avec des tubes à diamètreréduit (12 mm de diamètre)

Eviter la combustion du plastique Travail en atmosphère inerte, choix dʼunbalayage de diazote

Assurer la bonne circultation descomposés, éviter leur accumulation etpermettre ainsi un certain contrôle dutemps de rétention

Circulation assurée par un balayagepermanent en diazote qui pourra êtrecoupé par une petite pince, permettantainsi lʼaugmentation ou la diminution

du temps de rétention

Faciliter la charge du plastique Travailler avec un plastique idéal, unpolyéthylène en poudre a étéspécialement séléctionné pourlʼoccasion

Contrôler la température Thermo couple inséré à lʼintérieur duconduit du four pour mesurer latempérature en son centre

Refroidir les produits Système de refroidissement performant

à trois étages dans des ballons, etutilisation de bains acétone/carboglace.




2) Machine

" Peu à peu, notre machine a pris forme.

Schéma (ci-dessus) et photos (ci-dessous) de la machine réalisée




!" Protocole expérimental

" Voici le protocole expérimental suivi lors de nos manipulations au Lycée élaboré aucours des nombreuses tentatives de production de lʼor noir.

Première étape, et non de moindre. Il s̓ agitde la charge du polyéthylène à lʼintérieurdu réacteur : renverser le tube à la verticaleen bouchant lʼextrémité inférieure puisremplir le tube à l̓ aide dʼun entonnoir àsolide. Enfin, nous utilisons un goupillonpour tenter de ramener l̓ ensemble de lamatière au milieu du tuyau pour unchauffage le plus uniforme possible.

Seconde étape, insérer le conduitprincipal dans le four. Il faut alors serrerl es v i s de l a i t on po u r as su re rimmédiatement lʼétanchéité et procéder àun premier dégazage au diazote à unepression adaptée.

Vérifier à intervalle de temps réguliers latempérature à lʼintérieur du four à lʼaidedʼun thermocouple, et consigner chacunedes valeurs dans un tableau.

Guetter, avec un sentiment étrangem ê l a n t a n g o i s s e , e s p é r a n c e ,questionnements incessants, lʼéventuellearrivée miraculeuse dʼune goutte.




***+,85$(90),1)0,"#0'(/$/0 1) Mesures et produits obtenus

Mon collègue et moi-même avons effectué deux expérimentations concluantes àdifférentes températures, dont voici les résultats."

1ère expérience - Autour de 650°C

Insertion de 4,98g de polyéthylène àlʼintérieur du réacteur pour 1h de chauffe.Ci-contre, lʼévolution de la température au

sein du réacteur en fonction du temps, cidessous, les produits obtenus.

2ème expérience - Autour de 400°C

Insertion de 10,02g de polyéthylène àlʼintérieur du réacteur pour 1h de chauffe.Ci-contre, lʼévolution de la température ausein du réacteur en fonction du temps, cidessous, les produits obtenus.




2) Analyse en laboratoire

" Ces travaux d ̓ analyse ont été réalisés au laboratoire d ̓ Electrochimie et de chimie des interfaces de l ̓ ENSTA, sous la tutelle de M. Henri Planche, chargé de recherche.

" Dans un premier temps, il sʼagit de chauffer légèrement l̓ échantillon pour laisseréchapper un maximum de solvant, ce que nous nʼavions pas fait dans un premier temps etqui nous a réservé une drôle de surprise.

""

"

" Nous procédons ensuite à une chromatographie en phase gazeuse. Il sʼagit ensomme dʼun long tube creux, la chromatographie étant capillaire, balayé par un gaz neutreappelé gaz vecteur (ici du diazote), recouvert dʼune substance peu polaire. Nous nousappuyons ici sur une chromatographie dʼexclusion. Le polymère constitutif de la phasestationnaire constitue un tamis moléculaire. Les petites molécules sont freinées endiffusant dans le gel alors que les plus grosses, exclues, sortent en premier. Latempérature au sein du tube est augmentée progressivement pour assurer la sortie detous les composés. " Lʼinjecteur est un tube chauffé à 280°C. La goutte injectée explose alors et il y aformation dʼun brouillard, produit de la vaporisation dʼune partie du mélange. Le temps de

vol, en dʼautres termes, celui pendant lequel notre brouillard reste dans lʼinjecteur chaudavant de rejoindre la colonne, est de l̓ ordre du centième de seconde. Il est important derespecter de faibles temps de vol pour éviter, à cette haute température, un éventuelcraquage partiel et une déformation de la coupe à étudier. Cependant, il fautégalement liquéfier les composés éventuellement solides pour permettre leur analysesans dégradation de la colonne. Lʼidée est donc de trouver la juste température et lejuste temps de lʼinjection." Le temps de transfert, pour le composant le moins polaire tel que le gaz porteur estdéjà de lʼordre de la dizaine de minute. Lʼanalyse de nos produits sʼétalera sur deuxheures, avec une augmentation de degré par pas de 5." Après avoir séparé les produits, il nous faut les identifier. Dans ce but, la

chromatographie est couplée à un spectromètre de de masse qui, après avoir ionisé




nos produits dans lʼordre de sortie de la colonne, les séparera selon leur rapportmasse/ charge sous lʼaction dʼun champ magnétique, puis les détectera, avant de nousrenseigner sur lʼabondance relative de chacun dʼentre eux.

" "a) Premier échantillon

" Le pic dʼacétone, par un effetdʼéchelle, empêche lʼanalyse du produiteffectivement formé. Seul se distingueun pic de styrène. Ce résultat témoignedes mauvaises initiatives prises parmes soins pour la récupérationpremière des produits au fond du tricol.Cette dernière opération nʼétant pas aisée, jʼai cru bon dʼy ajouter une quantité nonnégligeable de solvant, en omettant une

nécessaire et hasardeuse évaporation quiéviterait lʼannihilation de lʼétude parspectrométrie.

b) Second échantillon

! La seconde analyse est beaucoup plus probante. En témoigne de prime abordla capture suivante:

Analyse du second échantillon

" Ce qui saute aux yeux, cʼest la répétition dʼun même motif. Une analyse pluspoussé du spectre permet de mettre en valeur sa structure.




,

, Le motif est translaté par pas de 1 carbone. En

dʼautres termes, notre deuxième échantillon estmajoritairement formé dʼun mélange dʼalcanes,

dʼalcènes et de dialcènes dont la chaine carbonéecomporte de 9 (premier pic notable, tout à gauchedu spectre) à 30 carbones (dernier pic notable àlʼextrême droite.

" Nous pouvons dès lors superposer à nos résultats les domaines de différentscarburants en considérant le seul nombre de carbones:

" Lʼéchantillon récupéré est donc un mélange complexe de carburants maissʼapparente plutôt à un fioul lourd. Avec des chaines à 20-30 carbones, on peut

expliquer lʼallure pâteuse du produit avant son injection dans lʼanalyseur, puisquʼàtempérature ambiante, la texture de lʼéchantillon était plus proche du miel que de l̓ eau.

" Lʼabsence dʼessence peut être expliquée par un temps de rétention trop court àlʼintérieur de la machine mais aussi par lʼévaporation déjà importante de ce genre decomposés.

" Dʼun point de vue quantitatif, le travail sur la surface de chacun des pics permet dechiffrer lʼabondance de chacun des composés.




"

" L ʼ e n s e m b l e A l c a n e s+Alcènes+ Dialcènes ne représentent

quʼun quart du mélange mais il estdifficile de préciser la composition du

reste. Nous nous attacherons donc àlʼanalyse seule de ces trois composésles plus faciles à deviner.

En sʼattachant plus précisément au mélange précité nous obtenons, en abondance

relative donc, les résultats suivants:

"

"

" On ne peut que déplorer le largeexcès dʼAlcènes par rapport à uncarburant conventionnel. De plus, nousa v o n s o b t e n u s u n e x c è s d enormalparaffines, ou dʼalcanes linéaires,fort susceptibles de former des radicaux et

donc à lʼindice dʼoctane très bas.

"

" Aucun doute, il sʼagit bien dʼun carburant mais il demeure de piètre qualité et,même si les quelques composés aromatiques quʼil contient lui donne la couleur etlʼodeur des carburants commerciaux, son utilisation directe ne provoquerait quʼunedégradation du moteur.




3) Insatisfactions intellectuelles

Jʼai beaucoup appris une fois les mains dans le cambouis.Notre procédé expérimental comportait de nombreux défauts. Certains ont pu être corrigé,

dʼautres ont demeuré.• Lʼutilisation de cuivre sʼest avéré être un choix assez peu judicieux. Si sa forte

conductivité thermique permet de considérer une répartition en températuresatisfaisante, cʼest en oubliant les deux «antennes thermiques» créées par leconduit dʼévacuation dʼune part, et lʼentrée du diazote de lʼautre. Le gradient detempérature était peut-être plus important que prévu.

• Qui dit cuivre dit oxydes de cuivre, surtout si ce dernier n̓est pas protégé dudioxygène alentour. Même si leurs couleurs sont charmantes, ces derniersprovoquent une détérioration irrémédiable du conduit mais surtout, rendent tout àfait obsolètes les mesures de masse du conduit pour un éventuel calcul derendement.

• Le laiton pour les pièces sensibles nʼest peut-être pas non plus un choix des plus

idéaux. Les laitons sont pluriels, et il nous a été impossible de connaitre lacomposition exacte de lʼalliage utilisé ici. Résultat: il a fallu remplacé un des pas devis, à lʼendroit où une fuite a été constatée.

• La grande inconnue des réalisations expérimentales reste les temps de rétention.Ces derniers ont été très mal contrôlés, pour ce type de transformation qui nécessitepourtant une connaissance parfaite de la durée de réaction.

• Nous avons utilisé un plastique étalon. Il aurait fallu utiliser un plastique «réel» telque celui que l̓ on pourrait retrouver par exemple dans les sachets de la grandedistribution.

• Le système de refroidissement nʼa pas permis une récupération aisée desproduits, jusquʼà entrainer la destruction pure et simple de l̓ un dʼeux.

• Il aurait finalement fallu augmenter le temps de rétention pour diminuer la tailledes chaines carbonées.




:45;('0345

Le principe du craquage ne pose pas de problème en soit et il était aisé decomprendre que le principe même de notre transformation reposait sur le caractère

renversable des réaction de polymérisation. Cependant, la réalisation expérimentales’est révélée hasardeuse, et m’a permis de prendre conscience de la réelle difficulté demettre au point un prototype avec un bagage expérimental moindre. En ce sens, le travailen équipe a été un élément clé dans l’élaboration de TIPE et seule la confrontationd’opinions a permis la mise sur pieds d’une machine, aussi inefficace soit-elle. En outre, des améliorations d’ordre matériel sont déjà envisagées pour assurer une meilleur contrôle des temps de rétention et de la température,paramètres à connaître absolument dans ce genre de transformation.

Nouveau prototype

Encore une fois, une telle technologie n’est pas viable puisque le bilanénergétique, imputable en partie à l’inefficacité d’un prototype maison, n’estabsolument pas positif. Cependant, et c’était là l’objet premier de ma démarche, ilsemblerait que la transformation porte ses fruits sur un plan psychologique, commeen témoignent les nombreuses interrogations de la part de nos camarades et lacuriosité éveillée des membres de ma famille en apprenant la transformation, mêmeà moindre échelle, de ce qui ce met à la poubelle, en ce qui ce met dans le réservoir.

Peut-on alors espérer un mouvement citoyen, aidé par une prise de conscience

générale de la richesse des choses encouragée par la réalisation de transformationsétonnantes devant l’oeil surpris du novice? Je travaille pour, et j’y crois.




<3&(34="$7>3)• Plastic to oil fantastic , vidéo dʼAkinori Ito, CEO de Blest, société japonaise spécialisée

dans le traitement des déchets au Japon."

• Les carburants et la combustion , Jean-Claude Guibet

• Vapocraquage des hydrocarbures, Alain Chauvel, Daniel Decroocq, Gilles Lefebvre,Claude Raimbault.

• ourworld.unu.edu/en/ plastic-to-oil-fantastic/

• Introduction à la spectrométrie de masse , Pierre Dubreuil

"


Du Plastique au Carburant

Documents

Transcript of Du Plastique au Carburant