Projet de génie chimique

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2.2.1.1 LignoForce

Le procédé LignoForce est l’un des plus récents procédés existants en ce qui concerne l’extraction de la lignine à grande échelle. Tout d’abord, la liqueur noire est oxydée sous certaines conditions contrôlées (température, pression) et est ensuite acidifiée par l’addition du dioxyde de carbone (CO2) gazeux qui permet de précipiter la lignine (Kouisni, Holt-Hindle, Maki, Paleologou, 2012). Le précipité est alors filtré afin d’éliminer les résidus d’hémicellulose possiblement présents. Enfin, la lignine est lavée avec de l’acide sulfurique (H2SO4) et de l’eau pour éliminer les impuretés (Kannangara, Marinova, Fradette, Paris, 2012).

Un des aspects positifs du procédé LignoForce est la plus faible consommation de CO2 et de H2SO4 comparés aux autres procédés d’extraction de la lignine. En effet, pendant le procédé, la liqueur noire est oxydée, ce qui conduit à la formation de particules plus faciles à filtrer et à laver par la suite. Par conséquent, les quantités de CO2 et de H2SO4 nécessaires pour l’acidification et le lavage sont considérablement réduites. Une caractéristique supplémentaire du procédé LignoForce est l’utilisation d’un filtre-presse à la place d’un filtre à bande pour la filtration de la lignine (Kouisni, Holt-Hindle, Maki et Paleologou, 2012). Finalement, ce procédé a été développé entre autres pour minimiser la quantité de soufre contenu dans la lignine obtenue (Wertz, 2015). En effet, il conduit à la réduction des émissions de soufre dans l’atmosphère pendant les étapes associées à la précipitation de la lignine, la filtration et le lavage (Kouisni, Holt-Hindle, Maki et Paleologou, 2012).

2.2.1.2 LignoBoost

Le procédé LignoBoost, développé par Innventia et l’Université Chalmers de Goteborg, est le procédé le plus populaire concernant l’extraction de la lignine de la liqueur noire. En effet sa capacité de production annuelle mondiale de lignine s’élève actuellement à plus de 100 000 tonnes tandis que celle du LignoForce n’est que de 75 000 tonnes (Ghezzaz, 2011, p.95).

Tout d’abord, la liqueur noire est mélangée avec un courant de CO2 gazeux (pH entre 9-10), qui se dissout en acide carbonique et protone les groupes hydroxyles phénoliques contenus dans la liqueur noire. Une boucle de recirculation du CO2 peut être incluse afin d’éviter un rejet direct vers l’atmosphère. La lignine est ensuite précipitée à l’aide d’une diminution du pH de la solution et est acheminée vers une unité de filtration sous pression d’azote (1-2 bars). Afin d’obtenir une pureté d’environ 90 %, le mélange est envoyé dans une sous-unité de purification en milieu acide (pH de 3) et est lavé avec de l’eau et de l’acide sulfurique. Pendant cette étape, le ratio entre les éléments de sodium et de sulfure doit être maintenu en équilibre. Enfin, le produit est séché par atomisation et une poudre de lignine est obtenue comme produit final (Diop, 2014, p. 35).

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Figure 1. Schéma-bloc de l’unité d’extraction de la lignine (LignoBoost)

Pour la réalisation de ce projet, le procédé LignoBoost est celui que nous avons choisi pour extraire la lignine de la liqueur noire, en raison de son ancienneté et du grand nombre d’informations fiables le concernant. Ce choix réduit considérablement les risques quant au rendement d’une unité en voie de création, tout en assurant aux investisseurs la viabilité du projet. AJOUT DE JUSTIFICATION

2.2.1 Unité de transformation de la lignine en résine

L’unité de transformation de la lignine en résine comporte deux sous-unités : une unité de modification de la lignine afin d’augmenter sa réactivité et une unité de synthèse de résine phénol-formaldéhyde.

2.2.1.1 Procédé de modification de la lignine

Avant d’utiliser la lignine extraite de la liqueur noire dans la synthèse de résine phénol-formaldéhyde, des modifications doivent lui être apportées. Ces modifications sont nécessaires, car la réactivité de la lignine n’est pas similaire à celle du phénol en raison de la complexité de sa structure moléculaire. En effet, le phénol est une molécule simple contenant trois sites réactifs avec le formaldéhyde : un sur la position para de l’aromatique et deux autres sur les positions ortho. À l’opposé, la lignine, du fait qu’elle est une macromolécule, contient davantage d’effets stériques autour des sites réactifs, ce qui rend l’addition avec le formaldéhyde plus difficile (Siddiqui, 2013, p. 4). De plus, ce composé possède une fréquence plus faible en sites actifs, car ses aromatiques peuvent contenir des groupes fonctionnels aux positions para et ortho, résultat de la polymérisation (Bontems, 2014, p. 120).

Les deux méthodes de modification de la lignine les plus étudiées sont la méthylolation et la phénolation : deux prétraitements qui augmentent le nombre de sites réactifs dans la molécule. Tout d’abord, la méthylolation, qui se déroule généralement en milieu alcalin, introduit des groupes hydroxyméthyles à la lignine en la faisant réagir avec du formaldéhyde. Dans le même ordre d’idées, la phénolation est un traitement thermal qui fait réagir la lignine avec du phénol en présence de solvants organiques, tels que l’éthanol ou le méthanol. D’autres méthodes de modification de la lignine, cependant moins étudiées, peuvent être utilisées. Parmi ces méthodes, l’oxydation et la réduction ont pour but de transformer certains groupes fonctionnels en groupes hydroxyles phénoliques afin de faciliter l’accès aux sites actifs. Par ailleurs, la déméthylation crée des nouveaux sites réactifs en remplaçant les méthoxyles de la lignine par des hydroxyles phénoliques. Enfin, l’hydrolyse est une réaction de dépolymérisation qui diminue la masse moléculaire de la lignine (Hu et al., 2011, p. 2-7).

Dans le cadre de notre recherche, la méthode de méthylolation est celle que nous avons choisie étant donné le grand nombre d’informations accessibles sur ce procédé. AJOUT DE JUSTIFICATION Cependant, étant donné qu’aucun exemple de procédé industriel de méthylolation n’a été trouvé, une démarche de laboratoire a été adaptée à l’échelle industrielle. Ainsi, nous avons utilisé les mêmes valeurs de teneur en masse pour chaque ingrédient, mais adapté les équipements de laboratoire utilisés dans les recherches. Par exemple, à la place de faire