docteur de l'université de bordeaux

286 Pages·2015·10.36 MB·French

THÈSE PRÉSENTÉE
POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR DE

L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES
SPÉCIALITÉ : CHIMIE ANALYTIQUE ET ENVIRONNEMENTALE

Par Amandine FOULET

Application de l’analyse du cycle de vie lors de la conception de
matériaux poreux à partir de la biomasse

Sous la direction de : Guido SONNEMANN
(co-directeur : Hervé DELEUZE)

Soutenue le 9 Octobre 2015
Après avis de :
Mme PERWUELZ Anne Professeur à l’ENSAIT Lille Rapporteur
M. ALLAIS Florent Professeur à AgroParisTech Rapporteur

Devant la commission d’examen formée de :

M. GARRIGUES Philippe Directeur de Recherche à l’Université de Bordeaux Président
M. FONTAINE Laurent Professeur à l’Université du Maine Examinateur
M. SONNEMANN Guido Professeur à l’Université de Bordeaux Directeur de thèse
M. DELEUZE Hervé Maître de Conférences à l’Université de Bordeaux Co-directeur de thèse

Remerciements
Ce travail a pu être réalisé grâce au concours de différentes personnes et organismes que je
tiens à remercier ici. Ces remerciements clôturent ainsi ces trois dernières années de ma jeune
vie scientifique et j’espère ainsi n’oublier personne.
Je tiens d’abord à remercier la Région Aquitaine pour avoir financé le projet. J’aimerais ensuite
exprimer ma gratitude au directeur de l’Institut des Sciences Moléculaires (ISM), le Docteur
Philippe Garrigues, pour m’avoir accueillie dans son laboratoire de recherche mais également
pour avoir accepté de présider mon jury de thèse. De la même manière, je suis également très
reconnaissante aux Professeurs Anne Perwuelz et Florent Allais d’avoir accepté d’être les
rapporteurs de ce manuscrit, ainsi qu’au Professeur Laurent Fontaine pour m’avoir fait l’honneur
de juger ce travail de thèse. Merci à eux d’avoir aussi traversé la France à cette occasion.
J’ai eu le plaisir de travailler au sein du groupe de recherche « Chimie Moléculaire et
Matériaux » (C2M), dirigé par le Professeur Thierry Toupance, que je remercie pour son accueil,
et du groupe de recherche « Analyse du cycle de vie et chimie durable » (CyVi) dont j’ai eu
l’honneur d’être la première doctorante. Toute ma gratitude va à mes deux directeurs de thèse, le
Docteur Hervé Deleuze et le Professeur Guido Sonnemann. C’est grâce à leur encadrement, leur
confiance, leur transfert de savoir et leurs critiques, que j’ai pu gagner en technicité, en
autonomie, et en maturité, qu’elle soit scientifique ou professionnelle. Je mesure ainsi le
privilège que vous m’avez offert de pouvoir me confronter à un sujet aussi passionnant et
interdisciplinaire.
Je remercie du fond du cœur les personnes qui composent et qui ont composé les équipes C2M
et CyVi pour leur amitié et leurs conseils. Grâce à eux, une ambiance chaleureuse a bercé ces
trois années de recherche. Je suis heureuse d’avoir pu rassembler ces deux équipes dans une
dynamique sociale fortement agréable.
Merci donc à mes collègues de bureau : Marie-France Bakaï, alias MFB ou Yseult, Karim
Charba, Imane Barbara, ma sœur éloignée, et Marion ; mes collègues doctorants et post-
doctorants (anciens et actuels) : Guillaume Gruntz, alias GG/Guigui/Le Grountz/Rastaquouère,
mon frérot de l’Est, Anaëlle Girard, mon autre sœur mais moins éloignée, Liuba Mitcova, alias
Liubovi, un amour de Moldavie, Matthieu Meillan, « allez l’UBB ! », Julien Massin, l’homme le
plus joyeux de la Terre, Christophe Pejoux, alias Bio-man, Samuel De Sousa, Tomofumi
Hamamura, je lui souhaite une belle carrière chez Panasonic, Shun Kashiwaya, Yannick Mousli,
alias Yannouch le manouche (merci de m’avoir offert le gîte et le couvert !!), Elise Siurdyban,
notre Québécoise en devenir, Sheavon, alias Shishi qui sera ma remplaçante de bonne humeur,
Ecaterina Lozan, Siliu Liu, Eskinder Gemechu, notre SchokoBon venu d’Ethiopie, Michael
Tsang, qui fait partie des belles rencontres durant ma thèse, Dieuwertje Schrijvers, alias Didie,
1
une belle grande humoriste, Baptiste Pillain, alias Baptou, un autre genre d’humoriste…, Maria
Pérez Ameneiro, qui est venue apporter le soleil d’Espagne, et Edis Glogic que j’ai
malheureusement peu côtoyé. Je souhaite également un bon courage et une belle réussite aux
nouveaux doctorants de C2M et CyVi.
Merci au Docteur Philippe Loubet pour son aide et ses conseils précieux. Je pense qu’il
apportera beaucoup pour le développement du groupe CyVi.
Je tiens fortement à exprimer mon amitié et mon respect à TOUS les permanents du groupe
C2M et plus particulièrement à mes compagnons de déjeuner dont le trio infernal : Bernard
Bennetau, Marie Degueil, Odile Babot, qui m’a aussi beaucoup aidée pour la caractérisation des
matériaux. Par ailleurs, je remercie Marc Birot pour sa disponibilité et sa contribution sur
l’analyse physico-chimique des matériaux.
J’adresse aussi des profonds remerciements à Karine N’Diaye qui a toujours été là pour moi, et
ce dès mon arrivée à l’ISM. Sans elle, cette expérience aurait été moins plaisante. Je lui souhaite
le meilleur.
Mes remerciements s’adressent aussi à l’ensemble des membres de l’ISM qui m’ont apportée
leur soutien tout au long de ces trois années que ce soit au niveau scientifique, administratif ou
social. J’associe à ces remerciements Rénal Backov et Alain Derré du Centre de Recherche Paul
Pascal (CRPP) et le personnel de la PLateforme Aquitaine de CAractérisation des MATériaux
(PLACAMAT).
J’exprime ma sympathie et mon respect au Professeur Alexander Bismarck pour m’avoir
invitée à l’Imperial College de Londres où j’ai eu l’occasion de travailler avec le Docteur Robert
Woodward, le Docteur Derrick Fam et le futur Docteur François De Luca. Je remercie vivement
ces personnes pour leur aide précieuse et leur fabuleux accueil.
Je tiens également à remercier mes petits stagiaires, Charlène Imbeau, Thais Guerra Braga et
Vincent Manin, d’avoir fait du bon travail. J’espère qu’ils iront loin dans leur vie
professionnelle.
D’un point de vue personnel, j’exprime ma sincère amitié au Docteur Laurianne Moity qui a
toujours rempli son rôle d’amie et de guide spirituel, et à Audrey Corona, ma colocataire de
toujours, qui a tenu à venir à ma soutenance. De la même manière, je remercie Gibus d’avoir été
un bon chat câlin lors de moments de doute.
Je profite de cette occasion pour exprimer mon amour à Fabien qui a toujours cru en moi, et à
mes parents qui m’ont toujours soutenue dans mes études et dans mes choix personnels. Un
grand merci à toute ma famille et mes amis proches.
Toutes les personnes citées et implicites ont eu une importance dans ce projet de thèse et ces
remerciements ne seront sans doute jamais suffisants pour exprimer toute ma reconnaissance.
2
SOMMAIRE
Abréviations ........................................................................................................................... 7
Introduction ......................................................................................................................... 13
I- Contexte ................................................................................................................................ 15
I-1. Notions de développement durable ................................................................................. 15
I-2. Intégration de la dimension environnementale dans les procédés .................................... 16
I-3. La chimie biosourcée ...................................................................................................... 16
II- Problématique ...................................................................................................................... 17
III- Les questions de recherche .................................................................................................. 18
IV- Hypothèses ......................................................................................................................... 19
V- Objectif principal et sous-objectifs ....................................................................................... 19
VI- Structure du manuscrit ........................................................................................................ 20
CHAPITRE 1 : L’analyse du cycle de vie comme méthode d’évaluation
environnementale des matériaux poreux .................................................................... 21
PARTIE A – Synthèse bibliographique sur les matériaux poreux....................................... 23
I- Domaine des matériaux poreux .............................................................................................. 23
I-1. Définition de la porosité.................................................................................................. 23
I-2. Comportement hydrodynamique dans les pores .............................................................. 24
I-3. Méthodes de caractérisation des pores............................................................................. 25
II- Les polymères organiques poreux ........................................................................................ 32
II-1. Microporosité intrinsèque .............................................................................................. 33
II-2. Porosité induite par auto-assemblage ............................................................................. 35
II-3. Génération de la macroporosité ..................................................................................... 36
III. les polymères poreux dérivés d’émulsions ........................................................................... 38
III-1. Généralités sur les émulsions........................................................................................ 38
III-2. Les émulsions concentrées ........................................................................................... 43
III-3. Polymérisation des émulsions concentrées ................................................................... 46
III-4. Applications des polyECs ............................................................................................ 52
IV- Les matériaux carbones poreux ........................................................................................... 54
IV-1. Les formes de carbone ................................................................................................. 54
IV-2. Production de carbone amorphe ................................................................................... 55
IV-3. Les carbones multi-poreux à porosité hiérarchisée ....................................................... 57
3
IV- Présentation de la liqueur noire........................................................................................... 59
IV-1. Production et valorisation intégrée de la liqueur noire .................................................. 59
IV-2. Emulsification et réticulation de la liqueur noire .......................................................... 60
IV-3. Pyrolyse de la liqueur noire ......................................................................................... 62
PARTIE B – Etat de l’art de l’évaluation environnementale .............................................. 63
I- Les impacts sur l’environnement ........................................................................................... 63
I-1. Définition ....................................................................................................................... 63
I-2. Les catégories d’impacts ................................................................................................ 65
II- Introduction a l’éco-conception ............................................................................................ 76
II-1. Définition ...................................................................................................................... 76
II-2. Comment éco-concevoir ? ............................................................................................. 77
III- L’Analyse du Cycle de Vie ................................................................................................. 79
III.1. Définition ..................................................................................................................... 79
III-2. Conception d’une ACV ................................................................................................ 80
III-3. Les limites de l’ACV ................................................................................................... 90
III-4. L’analyse du cycle de vie au profit de la chimie verte .................................................. 90
CHAPITRE 2 : Utilisation de l’analyse du cycle de vie comme outil d’éco-
conception de polyECs à partir de liqueur noire...................................................... 97
I- Formulation d’émulsions de liqueur noire ............................................................................. 99
I-1. Etude de la réticulation de la liqueur noire ...................................................................... 99
I-2. Etude de l’émulsification de la liqueur noire ................................................................. 101
II- Synthèse et caractérisation des polyECs de liqueur noire.................................................... 108
II-1. Influence de la nature de la phase dispersée sur la morphologie des polyECs .............. 108
II-2. Comparaison entre l’huile de ricin et le 1,2-dichloroéthane en tant que phases dispersées
........................................................................................................................................... 110
III- Mise en œuvre de l’Analyse du cycle de vie dans la comparaison de polyECs issus de la
liqueur noire ........................................................................................................................... 114
III-1. Objectifs et champ d’étude......................................................................................... 114
III-2. Inventaire................................................................................................................... 115
III-3. Evaluation des impacts environnementaux potentiels ................................................. 123
III-4. Interprétation ............................................................................................................. 141
III-5. Conclusion ................................................................................................................. 142
IV- Bilan du chapitre .............................................................................................................. 142
4
CHAPITRE 3 : Obtention de carbones poreux à partir de polymères poreux
issus de la liqueur noire .................................................................................................. 145
I- Carbonisation des polyECs .................................................................................................. 147
I-1. Gamme de porosité des polyECs à carboniser ............................................................... 147
I-2. Programme de carbonisation ......................................................................................... 151
I-3. Propriétés poreuses des carboECs ................................................................................. 153
I-4. Analyse de la composition chimique des matériaux carbonés ........................................ 160
I-5. Propriétés mécaniques et électriques ............................................................................. 166
I-6. Conclusion.................................................................................................................... 168
II- Essais d’activation.............................................................................................................. 168
II-1. Analyse de la morphologie après activation ................................................................. 169
II-2. Analyse de la microporosité et de la mésoporosité après activation .............................. 170
II-4. Conclusion .................................................................................................................. 171
III- Bilan du chapitre ............................................................................................................... 171
CHAPITRE 4 : Mise en œuvre de l’analyse du cycle de vie dans la
comparaison de différents procédés de préparation de carboECs .................... 173
I- Synthèse de carboECs à partir de poly(styrène-co-divinylbenzène) sulfonés ........................ 175
I-1. Préparation des polyECs de poly(styrène-co-divinylbenzène) sulfonés.......................... 175
I-2. Caractérisation .............................................................................................................. 176
I-3. Préparation des carboECs de poly(styrène-co-divinylbenzène) sulfonés ........................ 179
I-4. Conclusion.................................................................................................................... 185
II- Etude comparative par l’analyse du cycle de vie du carboEC de styrène/divinylbenzène et du
carboEC de liqueur noire......................................................................................................... 185
II-1. Objectif et champ d’étude ............................................................................................ 185
II-2. Description des systèmes ............................................................................................. 186
II-3. Création des inventaires ............................................................................................... 187
II-4. Evaluation des impacts environnementaux potentiels ................................................... 193
II-5. Interprétation ............................................................................................................... 201
II-6. Conclusion .................................................................................................................. 202
III- Bilan du chapitre ............................................................................................................... 203
CHAPITRE 5 : Etude préliminaire des carboECs en tant que
supercondensateurs électrostatiques .......................................................................... 205
I- Introduction aux supercondensateurs de type électrostatique ................................................ 207
5
I-1. Principes généraux ....................................................................................................... 207
I-2. Fonctionnement d’un supercondensateur électrostatique ............................................... 208
I-3. Paramètres influents sur la capacité des supercondensateurs ......................................... 211
I-4. Matériaux utilisés pour façonner les électrodes ............................................................. 214
II- Etude préliminaire des carboECs en tant que supercondensateur ........................................ 221
II-1. Tests électrochimiques ................................................................................................ 221
II-2. Résultats ..................................................................................................................... 222
II-3. Conclusion .................................................................................................................. 223
III- Analyse du cycle de vie des carboECs fonctionnels .......................................................... 224
III-1. Objectifs et champ d’étude......................................................................................... 224
III-2. Inventaires ................................................................................................................. 224
III-3. Méthode d’évaluation des impacts ............................................................................. 228
III-4. Résultats .................................................................................................................... 229
III-5. Interprétation ............................................................................................................. 233
III-6. Conclusion ................................................................................................................. 234
IV- Bilan du chapitre .............................................................................................................. 234
Conclusion générale et perspectives ........................................................................... 237
Partie expérimentale ....................................................................................................... 245
Références .......................................................................................................................... 259
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Abréviations par ordre alphabétique

Introduction
ISO Organisation internationale de normalisation
Chapitre 1
Partie A
BET Brunauer, Emmett, Teller
BJH Barrett, Joyner, Halenda
CarboEC Carbones poreux issus d’Emulsions Concentrées
CMC Concentration Micellaire Critique
CVB Chlorure de vinylbenzène
DVB Divinylbenzène
E/H Eau-dans-Huile
E/H/E Eau-dans-Huile-dans-Eau
EC Emulsion Concentrée
H/E Huile-dans-Eau
H/E/H Huile-dans-Eau-dans-Huile
H/H Huile-dans-Huile
HIPE High Internal Phase Emulsion
HLB Balance Hydrophile-Lipophile
HLD Hydrophilic Lipophilic Deviation
ISM Institut des Sciences Moléculaires
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry
LogP Coefficient de partage octanol/eau
MEB Microscopie Electronique à Balayage
PEO-PPO-PEO Poly(oxyde d'éthylène-b-oxyde de propylène-b-oxyde d'éthylène)
PIT Phase-Inversion Temperature
PolyEC Polymère poreux issu d’Emulsions Concentrées
PolyHIPE Polymère poreux issu d’émulsions concentrées
ROMP Ring-Opening Metathesis Polymerization
Partie B
ACV Analyse du Cycle de Vie
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CFC Chlorofluorocarbure
COV Composé Organique Volatile
COVNM Composé Organique Volatile Non Méthanique
EPA Environmental Protection Agency
MI Intensité matérielle
MIPS Material Input Per unit of Service
OMM Organisation Météorologique Mondiale
PDO Potentiel de Déplétion Ozonique
PFOP Potentiel de Formation d'Ozone Photochimique
PM Particulate Matter (particule en suspension)
PNUE Programme des Nations Unies pour l'Environnement
PRG Pouvoir de Réchauffement Global
SETAC Society of Environmental Toxicology and Chemistry
UICN Union Internationale pour la Conservation de la Nature
Chapitre 2
%eco Allocation économique
%mas Allocation massique
ACV Analyse du cycle de vie
ARA Appauvrissement des ressources abiotiques
BET Brunauer, Emmett, Teller
COV Composé Organique Volatile
COVNM Composé Organique Volatile Non Méthanique
DBO5 Demande biochimique en oxygène au bout de 5 jours
DCE 1,2-dichloroéthane
DCO Demande chimique en oxygène
EPC Epichlorhydrine
H/E Huile-dans-Eau
HAP Hydrocarbure Aromatique Polycyclique
HLB Balance Hydrophile-Lipophile
LogP Coefficient de partage octanol/eau
MEB Microscopie Electronique à Balayage
N,N-DGA N,N-diglycidyl-4-glycidyloxyaniline
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