ARF20 - Nouveaux catalyseurs constitués de ruthénium et de fer pour l'hydrogénation de graines et la pyrolyse de biocarburants en biodiesel de 2e et 3e génération

MAAARO, Agriculture et Agroalimentaire Canada, et Éthanol GreenField Inc. (anciennement Les Alcools de Commerce Inc.) ont subventionné conjointement ce projet en 2008, via le Fonds de recherche-développement sur les carburants de remplacement renouvelables et autres.

Chercheur principal

Dr Marcel Schlaf, département de chimie, Université de Guelph (site Web en anglais seulement)

Objectifs

1. La synthèse et la caractérisation fonctionnelle de catalyseurs constitués de ruthénium et de fer, stables et homogènes à hautes températures et destinés à l'hydrogénation et à l'hydrogénolyse.
2. L'évaluation de ces catalyseurs et leur expérimentation sur des systèmes modèles comportant des aldéhydes, des cétones, des esters et des éthers représentatifs de la composition chimique de triglycérides et de biocarburants obtenus par pyrolyse.
3. L'évaluation et l'essai de ces catalyseurs pour l'hydrogénation et l'hydrogénolyse totale a) d'huiles de graines (soya, maïs, canola) et de graisse animale récupérée (vache, poulet, porc) en biodiesel de 2e génération dépourvu d'oxygène et d'ester (c'est-à-dire sous forme d'alcane pur) et b) la pyrolyse de biocarburant en biodiesel de 3e génération et en biokérosène.
4. La mise au point d'un protocole d'analyse (par GC, GC-MS, HPLC, LC-MS, NMR et IR) pour l'analyse de mélanges et de produits réactionnels.
5. La mise en place à l'échelle du laboratoire d'un processus de mise en œuvre technique des catalyseurs dans des réacteurs d'hydrogénation à haute pression.

Avantages escomptés

1. Biodiesel de 2e génération : L'hydrogénation d'esters en alcools et alcanes est un objectif extrêmement ambitieux en matière de conversion de la biomasse, mais également très attrayant sur le plan économique. En effet, l'hydrogénation directe et totale d'huiles alimentaires produirait un biocarburant de 2e génération constitué de fractions pures d'alcane C16-C20. Les biocarburants de 2e génération présentent l'immense avantage de pouvoir être produits en un processus continu qui ne génère pas de déchets inorganiques à forte teneur en sel et d'être chimiquement équivalents ou meilleurs que le pétrodiesel, tout en étant dépourvus à 100 % de souffre. Il s'agit d'un carburant à forte valeur ajoutée, brûlant de façon propre et présentant un indice de cétanes très élevé (84 à 99), ce qui respecte ou dépasse toutes les normes automobiles actuelles. Cela signifie qu'il ne nécessite pas de modifications de moteur, ne présente pas de problèmes de stabilité durant le stockage et possède une teneur en énergie plus importante que le biodiesel FAME, à poids ou à volume égal. Par ailleurs, il est parfaitement adapté aux climats froids comme celui du Canada, créant ainsi de nouveaux débouchés pour les huiles produites à partir de graines cultivées en Ontario ou au Canada.
2. Biodiesel de 3e génération : Un perfectionnement en matière d'hydrogénation permettrait d'augmenter la qualité chimique du carburant de manière à être utilisé par des moteurs diesel ou à réaction (bio-kérosène), créant ainsi un marché et une source de revenus entièrement nouveaux, tant pour les exploitants agricoles que les compagnies forestières, grâce à l'utilisation de matières n'ayant actuellement pas ou peu de valeur marchande. Étant donné que la transformation de la biomasse en carburant est uniquement économiquement et écologiquement viable dans un rayon d'environ 100 km de son lieu de production, la mise au point d'un procédé permettant la transformation sur place engendrerait la construction d'usines de transformation et de raffinement locales de taille petite à moyenne, ce qui aurait un effet très positif sur l'ensemble de l'économie rurale en Ontario, aussi bien dans le Sud-Ouest de l'Ontario, dans les régions agricoles de la péninsule entre les lacs Huron et Érié, que dans le Nord, une région à l'industrie essentiellement forestière.

Résultats

Les catalyseurs utilisés dans le cadre de ce projet comprennent un ion métallique de transition, ici le ruthénium ou l'osmium, qui est maintenu dans une configuration spatiale et électronique particulière, ce qui lui confère sa réactivité et sa forme du fait un centre catalytiquement actif. En présumant que ces réactions requièrent un environnement à haute température et possiblement acide, les catalyseurs ont été conçus de manière à supporter de telles conditions à l'aide de ligands, c'est-à-dire des molécules organiques de synthèse ayant la capacité de maintenir l'ion métallique fermement en place tout en protégeant le catalyseur contre la décomposition et en optimisant son activité.

Deux types de catalyseurs ont été utilisés au cours du projet. Un système basé sur le ruthénium a été conçu et synthétisé par le laboratoire du professeur Schlaf, de l'Université de Guelph. Ce catalyseur ne montrait aucune activité de conversion des triglycérides en alcools gras ou en alcanes, lorsque testé avec des substrats modèles de triglycérides.

Le second catalyseur, basé sur l'osmium, a été conçu et synthétisé par le professeur Gusev et son équipe à l'Université Wilfrid-Laurier. Ce catalyseur a aussi été testé à l'Université de Guelph et n'a montré aucune activité de conversion des triglycérides en alcools gras. Ainsi, bien que les catalyseurs étudiés n'aient pas permis d'atteindre l'objectif premier, qui était de générer des alcanes, le projet de recherche a néanmoins permis d'établir qu'il était possible, à l'aide de ces catalyseurs homogènes, de convertir directement l'huile dérivée du soja ou du maïs en composés de plus haute valeur, les alcools gras, qui peuvent trouver application dans la fabrication de produits tels que le savon à vaisselle, les dentifrices et les shampooings. Des procédés techniques mis au point sur la base de ces résultats pourraient éventuellement se révéler énergétiquement et monétairement avantageux par rapport aux procédés existants.

Combinés à des catalyseurs hétérogènes déjà disponibles commercialement, ces systèmes pourraient possiblement permettre de convertir directement les huiles en longues chaines d'alcanes dépourvues d'oxygène, qui représenteraient donc des carburants de type diesel (biodiesel de seconde génération) chimiquement stables et à haute valeur énergétique.

L'atteinte de l'un ou l'autre des buts (soit la production d'alcools gras ou de diesel à partir d'huiles de graines) nécessitera encore l'optimisation de la structure des catalyseurs et des conditions de réaction, de même qu'une évaluation de la faisabilité technique et économique réelle de ces transformations à plus grande échelle.

Informations complémentaires

• Autres projets financés en 2008 par le Programme Fonds de recherche-développement sur les carburants de remplacement renouvelables et autres
• Le Fonds de recherche-développement sur les carburants de remplacement renouvelables et autres.
• Programme de nouvelles orientations de recherche sur les carburants de remplacement renouvelables et autres - Aperçus des projets de recherche en 2009
• Programme de nouvelles orientations et de recherche sur les carburants de remplacement renouvelables et autres 2010 - Aperçus des projets