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Production du biodiesel par transestérification à catalyse hétérogène de l’huile de friture usagéepar Christian KAMBALE VITSENGE Université de Lubumbashi - Bachelier 2024 |
IV.2.3 Effets du temps de la réaction sur le rendementLa Figure IV.3 montre l'influence du temps de la réaction sur le rendement.
Rendement % 100 40 90 70 20 60 50 30 80 10 0 Effet du temps de la réaction sur le rendement Max 75 Min 45 Centre 60 Temps de la réaction (min) 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 Figure IV.3 : Histogramme représentant l'effet du temps de la réaction sur le rendement. L'influence de l'augmentation du temps de la réaction a été étudiée en la faisant varier d'un niveau min à un niveau max en passant par une valeur centrale. L'augmentation du temps de la réaction de 45 (min) à 75 minutes (max) a provoqué une diminution du rendement en passant de 89 à 76 % respectivement pour les expériences 1 et 7 et de 87 à 74 % pour les expériences 2 et 8. Nous pouvons suggérer que l'impact de deux autres facteurs étaient plus importants que celui du temps de la réaction dans les conditions adoptées. Dans le cas des expériences 3 et 9, l'augmentation du temps de la réaction (de 45 à 75 minutes) a conduit à une augmentation du rendement de 79 à 94 % respectivement. Nous retiendrons tout de même que le rendement optimal a été obtenu au niveau max du temps de la réaction (cas de l'expérience 9). 41 Dans la littérature, il est noté que le chauffage améliore le brassage entre les réactifs et permet de diminuer la viscosité de l'huile. Cette dernière atteint une valeur nécessaire pour pouvoir accélérer la réaction et donner un taux de conversion satisfaisant. Néanmoins, un chauffage excessif (généralement au-delà de 70°C) conduit à la diminution du rendement notamment en favorisant l'évaporation du méthanol [29]. La différence constatée dans notre étude par rapport à la littérature peut s'expliquer par la difficulté à contrôler la température rencontrée au cours de plusieurs de nos expériences. IV.3 CARACTÉRISATION DU BIODIESEL OBTENULe Tableau IV.3 suivant illustre les résultats des analyses physico-chimiques des 10 biocarburants obtenus. Tableau IV.3 : Résultats des caractéristiques physico-chimiques des biocarburants.
? Indice d'acide Les indices d'acide des 10 biodiesels obtenus sont de 0,5 mg KOH/g. Ces valeurs sont conformes aux normes ASTM D6751 et EN14214 qui exigent respectivement des valeurs de 0.8 et 0,5 mg KOH/g. L'indice d'acide d'un biodiesel issue de l'huile de soja cité dans la littérature était de 0,15 mg KOH/g. Cette valeur est nettement inférieure aux valeurs que nous avons obtenues dans ce travail pour nos 10 biocarburants. 42 ? Indice de saponification L'indice de saponification diffère d'une expérience à une autre cette différence est expliquée par le fait que chaque expérience nécessite un volume défini d'HCl (Tableau IV.4) pour neutraliser l'excès de KOH qui n'a pas intervenu dans la saponification des esters d'acides gras (EAG). Le volume d'HCl du test à blanc est de 20,5 ml. Tableau IV.4 : Volumes d'HCl des 10 biocarburants.
On remarque que pour l'expérience 7 il nous a fallu 12,1 ml d'HCl pour neutraliser l'excès de KOH qui n'a pas réagi avec les esters d'acides gras pour former des savons. Pour cette expérience, la valeur du IS mesuré est de 235,62 mg KOH/g, on constate que le biodiesel (7) présente plus d'EAG susceptibles d'être saponifiés vu la faible quantité de KOH qui n'a pas intervenu dans la saponification de ces derniers. Contrairement pour le biodiesel obtenu par l'expérience 10 qui présente moins d'esters d'acides gras. Les biodiesels qui ont présentés un indice proche des valeurs citées dans la littérature (201 mg KOH/g) sont ceux issues des expériences 3, 5 et 8 avec des valeurs de 207.57, 204.77 et 204.76 mg KOH/g respectivement. ? Indice d'iode Les valeurs obtenues de l'indice d'iode sont comprises entre 100,76 et 114,97. Ceci ne nous permet pas de dire si ces valeurs correspondent aux normes ou pas, du fait que nous n'avons pas trouvé des documents qui parlent de la norme de l'indice d'iode des biocarburants mais dans la littérature, certains travaux ont trouvé des valeurs proches de nos valeurs. ? Densité Les valeurs de la densité des biodiesels produits sont comprises entre 0,86 et 0,88. Ces valeurs sont en conformité avec celles de la norme EN14214 (0,86-0,9) mais elles sont légèrement supérieures à celles des normes américaines (ASTM D6751) qui exigent des valeurs entre 0,81 et 0,86. ? Viscosité Les biodiesels issus des expériences (de la 1 à la 9) ont des viscosités comprises entre 4,5 et 5,9 mm2/s. Ces valeurs appartiennent à l'intervalle donné par la norme américaine ASTM D6751, cependant, elles sont légèrement supérieures aux valeurs fixées par la norme européenne EN14214. 43 L'expérience 10 a présenté exceptionnellement une viscosité très élevée par rapport aux 9 autres, elle est de l'ordre de 9,9 mm2/s ce qui est largement supérieur aux normes préconisées par les réglementations américaines et européennes. Toutefois, celle-ci est environ 5 fois inférieure à celle de l'huile usagée, ce qui montre l'efficacité de la réaction de transestérification à réduire la viscosité des huiles [16]. IV.4 MODÉLISATION MATHÉMATIQUE DES RÉSULTATS OBTENUS La méthodologie des plans factoriels complets permet plusieurs avantages : ils sont faciles à construire, le calcul des effets et des interactions est très simple et ne demande d'outils informatiques évolués, l'interprétation des résultats est à la portée de tout le monde et ne demande pas des connaissances approfondies en statistique, comme chaque facteur ne prend que deux niveaux, les essais sont faciles à contrôler et les risques d'erreurs sont minimisés. Le but est d'obtenir une relation Y = f(xi), entre la réponse du système (rendement de la réaction de transestérification) et les facteurs xi. L'intérêt de modéliser la réponse par un polynôme est de prédire l'ensemble des réponses du domaine d'étude, sans réaliser toutes les expériences requises. Dans notre cas, le modèle mathématique correspondant au plan factoriel complet est un modèle polynomial du deuxième ordre, qui prend en compte les effets principaux âi et les interactions âij. Le traitement des données, la modélisation du système et l'optimisation du rendement réactionnel, ont été effectués en tenant compte des paramètres recensés dans le Tableau IV.5. Tableau IV.5 : Paramètres de modélisation. Coefficients Valeurs Observations a0 82,40 Rendement au centre du domaine a1 -2,39 Effet de la concentration en catalyseur a2 0,56 Effet du ratio molaire éthanol/huile a3 -1,31 Effet du temps de la réaction a12 -1,38 Interactions entre la concentration en catalyseur et le ratio molaire a13 -1,96 Interactions entre la concentration en catalyseur et le temps de la réaction a23 5,11 Interactions entre le ratio molaire et le temps de la réaction a123 -1,91 Interactions entre la concentration en catalyseur, le ratio molaire et le temps de la réaction Pt ctr 0,47 44 Ces coefficients des effets (ou matrices des effets), des paramètres étudiés, concernent l'ensemble des essais et des réponses du système (transestérification éthanoïque catalysée par le Fe2O3). L'équation IV.1 donne le modèle de régression ajusté aux données expérimentales ; elle exprime les effets des variables considérées sur le rendement du procédé. Y = 89,40 - 2,39X1 + 0,56X2 - 1,31X3 - 1,38X1X2 - 1,96X1X3 + 5,11X2X3 - 1,91X1X2X3 + 0,47 Équation IV.1 : le modèle de régression ajusté aux données. Ces résultats montrent que le rendement en esters éthyliques synthétisés dépend considérablement de trois facteurs, à savoir la concentration en catalyseur, le ratio molaire et le temps de la réaction. L'analyse de la variance présentée dans le Tableau IV.6 est nécessaire pour évaluer la signification statistique de chaque terme dans le modèle : un modèle ayant comme résultat une valeur F-valeur de 4,76 indique que le modèle est significatif. Tableau IV.6 : Analyse de la variance de réponse.
L'interaction entre le rapport molaire éthanol/huile a la plus faible p-valeur 0,131 et la plus grande valeur de F-valeur (22,97) parmi les autres variables étudiées. Une valeur du coefficient de détermination proche de 1,0 (R2 = 0,9744) indique que le rendement en ester éthylique d'huiles végétales (EEHV) est bien corrélé par le modèle. Le coefficient R2 prédit (0,8592) est en accord raisonnable avec celui ajusté (0,7696) et une valeur élevée de R2 prédit est également une indication de la précision du modèle établi. 45 Les trois facteurs étudiés influent fortement sur la conversion en EEHV : un grand coefficient de X2 (ratio molaire éthanol : huile) indique un effet significatif sur la conversion. Le coefficient positif correspondant au ratio molaire éthanol : huile indique qu'une augmentation de cette variable conduit à une hausse du rendement en EEHV, tandis qu'un signe négatif indique un effet antagoniste sur la réaction. La solution de l'équation du modèle fournit les valeurs optimales pour les variables considérées. Les conditions optimales comme la concentration en catalyseur, le rapport molaire éthanol : huile et le temps de la réaction sont : 6:1, 75 minutes et 3% en poids, respectivement. Dans ces conditions, une conversion théorique du biodiesel de 94,390% est obtenue. 46 CONCLUSION La production du biodiesel représente une alternative de production de combustibles propres, biodégradables, non toxiques et renouvelables, surtout quand la matière première est un déchet qui génère de nombreux problèmes écologiques. Les huiles alimentaires usagées possèdent un fort potentiel pour être valorisées en carburants, du fait de leur importante richesse en triglycérides et en acides gras libres. L'objectif de cette étude était de synthétiser un biodiesel en valorisant un déchet très polluant. Il s'agit d'une huile (de soja) usagée (HFU) en appliquant la réaction de transestérification. Cette dernière étant influencée par plusieurs paramètres, nous avons opté pour l'étude de l'effet de la concentration en catalyseur, le ratio molaire alcool : huile et du temps de la réaction sur le rendement de la réaction tout en maintenant la température constante. Une série de 10 expériences ont été menées en faisant varier ces trois paramètres afin de dégager un choix de conditions optimales donnant un bon rendement et un biodiesel de qualité. La caractérisation de l'huile usagée a permis de montrer une viscosité et un indice d'acide supérieurs à ceux de l'huile vierge. Ces résultats sont expliqués par les réactions de dégradation que subit l'huile au cours du chauffage. L'analyse des propriétés physico-chimiques des 10 biodiesels obtenus ont montré une densité et une viscosité inférieure à celles de l'huile de friture usagée (HFU). Cette diminution est expliquée par la formation des esters éthyliques par élimination du glycérol. La majorité des biodiesels synthétisés se sont avérés contenir des teneurs en eau très élevées par rapport aux normes internationales, d'où la nécessité d'un traitement supplémentaire par séchage à l'étuve. Par ailleurs, les résultats de l'étude multiparamétrique ont révélé que le meilleur rendement est de 94 %. Il a obtenu à l'issue de l'expérience 9 avec 3% en catalyseur (niveau min), un rapport molaire éthanol : huile de 6 :1 (niveau max) et à un temps de 75 minutes (niveau max). Le second rendement est fourni par l'expérience 1 avec un taux de conversion de 89 % dans des conditions minimales pour les 3 facteurs (3% en catalyseur, un ratio molaire de 3 :1 et à 45 minutes). Du point de vue analyses physico-chimiques, le biodiesel répondant aux qualités préconisées par les normes internationales est celui produit par l'expérience 3, effectué avec une concentration en catalyseur de 3%, un rapport molaire 6 :1 et à 45 minutes. Cette expérience a cependant présenté un rendement relativement faible 79%. La méthode adoptée dans ce travail a permis de sélectionner séparément les conditions optimales pour le rendement en biodiesel et pour une qualité optimale de celui-ci. L'idéal aurait 47 été de mener cette étude multiparamétrique en utilisant les plans d'expériences pour aboutir à une situation optimale qui prendrait en considération simultanément le rendement ainsi que les différentes caractéristiques physicochimiques des biocarburants synthétisés tout en respectant les normes en vigueur. 48 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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