En tant que matériau important pour la gestion environnementale, le biochar est largement utilisé dans l’agriculture, la foresterie et le traitement des déchets. Cependant, la génération de hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans son processus de production a attiré une large attention. Les HAP constituent une classe de polluants organiques persistants présentant une certaine persistance et toxicité dans l'environnement. La teneur en HAP est strictement contrôlée dans les différents domaines d'application du biochar. Comprendre le mécanisme de formation et la stratégie de contrôle des HAP dans le processus de production du biochar est crucial pour améliorer le caractère écologique du biochar.
Aperçu du processus de production de biochar
Le biochar est un produit qui convertit la biomasse (telle que le bois, les résidus de récolte et les résidus de transformation des aliments) en solides à haute teneur en carbone dans un environnement micro-oxique grâce à procédé de pyrolyse de la biomasse. Le processus comprend trois étapes principales :
- Libération de matières volatiles non condensables: Dans la phase initiale à basse température, la biomasse subit une décomposition thermique, libérant des composants volatils tels que de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, du méthane et d'autres composés organiques de faible poids moléculaire. Ces volatils non condensables sont principalement gazeux et sont expulsés de la biomasse, réduisant sa masse et altérant sa composition chimique.
- Formation de matières volatiles condensables: À mesure que la température augmente, les composés organiques les plus complexes de la biomasse se décomposent en goudron et vinaigre de bois. Cette étape implique la décomposition de structures moléculaires plus grandes en substances volatiles plus petites et condensables qui peuvent être collectées comme sous-produits ou traitées ultérieurement.
- Génération de biochar: Dans la phase finale, la biomasse subit un chauffage et un refroidissement supplémentaires. Les résidus solides restants subissent une transformation supplémentaire, se transformant progressivement en biochar. Ce matériau à haute teneur en carbone se forme au fur et à mesure que les composants volatils sont éliminés, laissant derrière lui un produit stable et riche en carbone doté de propriétés d'adsorption améliorées.
Formation de HAP
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des substances nocives pouvant exister dans le biochar. Ils sont principalement générés par les mécanismes suivants :
Condensation des composants volatils
Lors de la pyrolyse du biochar, des composés organiques volatils (COV) de la biomasse, notamment des composés aromatiques (comme le benzène, le naphtalène, etc.), sont libérés de la biomasse solide à haute température. Ces matières organiques sont présentes en phase gazeuse dans le réacteur biochar. Lorsque le gaz refroidit, les matières organiques volatiles se condensent et se déposent à la surface du biochar. Ces substances condensées polymérisent à la surface ou dans les pores du biochar pour former des HAP.
Réaction incomplète
Lorsqu’il n’y a pas suffisamment d’oxygène, les composés organiques de la biomasse ne peuvent pas être complètement oxydés en dioxyde de carbone et en eau. Cela conduit à la formation de composés aromatiques complexes. Ces composés complexes peuvent continuer à polymériser pendant le processus de pyrolyse pour former des hydrocarbures aromatiques polycycliques. Plus précisément, les composés aromatiques génèrent des HAP dotés de structures cycliques multiples par réticulation, cyclisation et autres réactions dans des conditions anaérobies.
Réactions secondaires
Des réactions secondaires se produisent souvent pendant la phase de refroidissement. Lorsque la matière organique présente dans le gaz est refroidie jusqu’à une certaine température, les risques de formation de HAP augmentent. À mesure que la température diminue, les composés aromatiques gazeux peuvent subir des réactions de polymérisation pour générer des HAP lorsqu'ils rencontrent des radicaux libres (tels que les radicaux hydroxyles). Ces réactions secondaires peuvent inclure des réactions d’addition de radicaux libres, des réactions inverses, etc. Cela conduit à une génération et une accumulation supplémentaires de HAP.
Effets des HAP sur l'utilisation du biochar
Effets de l'amélioration du sol
Les HAP sont persistants et toxiques. Cela peut entraîner une grave contamination du sol et des plantes. Des concentrations élevées de HAP peuvent retarder la croissance des plantes et nuire à la santé microbienne du sol, ce qui peut réduire l’efficacité du biocharbon dans l’amélioration des sols. De plus, les HAP peuvent altérer les propriétés physiques et chimiques du biochar, réduisant ainsi sa capacité d’adsorption. De tels changements peuvent affecter la capacité du biocharbon à améliorer la fertilité et la structure du sol, compromettant ainsi les avantages escomptés.
Sécurité des aliments pour animaux
Les HAP présentent un risque considérable pour la santé animale. En élevage, le biochar est souvent utilisé comme additif alimentaire pour animaux. Le biochar contenant des niveaux élevés de HAP peut avoir un impact négatif sur la santé globale des animaux lorsqu'il est utilisé comme additif pour l'alimentation animale. Les HAP peuvent s'accumuler chez les animaux par ingestion, posant un risque pour la chaîne alimentaire et la santé des consommateurs. Cette contamination peut entraîner de graves problèmes de santé chez les animaux et compromettre la sécurité des produits d'origine animale.
Réduction de la valeur économique
La présence de HAP dans le biochar peut avoir un impact négatif sur sa valeur marchande et son acceptation. Les préoccupations concernant la contamination par les HAP pourraient conduire à un examen plus approfondi du biocharbon et à des normes de qualité plus élevées. Des niveaux élevés de HAP peuvent nécessiter une manipulation et une gestion supplémentaires, augmentant ainsi les coûts de production. De plus, le biochar pourrait avoir moins d’applications. Cela pourrait réduire la viabilité économique du biochar et affecter sa compétitivité sur le marché.
Facteurs affectant la génération de HAP et stratégies de contrôle
Alimentation en oxygène
In équipement de biochar, un environnement pauvre en oxygène contribue à la formation de HAP en empêchant l’oxydation complète de la matière organique. Cette combustion incomplète entraîne la création de composés aromatiques complexes pouvant se polymériser en HAP. Pour atténuer la génération de HAP, un contrôle précis des niveaux d’oxygène est essentiel. En assurant un apport adéquat en oxygène, l’oxydation complète de la matière organique peut être obtenue, réduisant ainsi la formation de HAP tout en préservant le rendement et la qualité du biochar.
Conditions de réaction
Les températures élevées jouent un rôle crucial dans la réduction de la production de HAP. Les températures élevées facilitent la décomposition complète des composés organiques volatils et inhibent leur polymérisation. Les méthodes de chauffage rapide sont particulièrement efficaces car elles atteignent rapidement des températures élevées, réduisant ainsi le temps passé par les composés volatils dans les phases à basse température où les HAP sont plus susceptibles de se former. Une gestion thermique efficace garantit que les conditions au sein du réacteur de pyrolyse favorisent la réduction des HAP.
Type de matière première
Le type de matière première de biomasse influence considérablement la génération de HAP. Les matières premières riches en lignine ont tendance à produire des niveaux plus élevés de HAP en raison de leur propension à former des composés aromatiques lors de la pyrolyse. La sélection de matières premières ayant une composition chimique plus stable et une teneur plus faible en lignine peut réduire la formation de HAP. En optant pour des matières premières moins susceptibles de produire des composés aromatiques, le caractère écologique global du biochar peut être amélioré, conduisant à un produit plus sûr et plus efficace.
À la fin
Bien que le biochar présente des avantages significatifs en termes d’amélioration de la qualité des sols et d’alimentation animale, la présence de HAP peut affecter son effet d’application pratique et sa valeur économique. Par conséquent, un contrôle efficace de la génération de HAP peut améliorer la sécurité du biocharbon et sa compétitivité sur le marché. Les recherches futures et les améliorations technologiques contribueront à améliorer encore la qualité globale et le respect de l’environnement du biochar.
