La pyrolyse flash est un procédé attrayant pour convertir la biomasse lignocellulosique en bio-huiles, intermédiaires énergétiques potentiellement valorisables en biocarburants et/ou intermédiaires chimiques. L’émergence d’une telle filière requiert la mise au point d’une stratégie catalytique efficace et innovante qui permette de diminuer la teneur en oxygène des bio-huiles. Les mécanismes de pyrolyse ont lieu à la fois au sein de la biomasse - mécanismes primaires - et en phase gazeuse - mécanismes secondaires-. Par conséquent, notre démarche a consisté à tester si l’imprégnation d’un précurseur catalytique dans la biomasse permet d’agir sur les mécanismes primaires afin de favoriser la désoxygénation. Puis, nous avons cherché à favoriser le craquage catalytique des vapeurs de pyrolyse en utilisant un catalyseur hétérogène.Nos travaux montrent que la pyrolyse de biomasse imprégnée avec des sels de nitrates - Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn et Ce - favorise principalement la dépolymérisation de la cellulose aux dépens de sa fragmentation. En outre, la présence d’anions nitrate catalyse la formation d’anhydrosaccharides déshydratés, employés pour synthétiser des molécules complexes. Après pyrolyse, un support carboné contenant des nanoparticules métalliques est obtenu et peut être valorisé pour catalyser la désoxygénation de molécules modèles en phase vapeur. Néanmoins, l’activité catalytique de ces charbons est limitée par leur faible surface spécifique, comme le montre la comparaison avec un charbon actif commercial contenant des nanoparticules métalliques. Parmi les métaux testés, le catalyseur à base de cérine s’avère très efficace pour réduire l’acidité des bio-huiles et catalyser la formation de dérivés phénoliques. De plus, ce catalyseur de craquage catalytique permet de réduire la teneur en oxygène de l’huile de pyrolyse et d’augmenter sa densité énergétique. Ce résultat encourageant suggère que le craquage catalytique pourrait être mis en œuvre en complément de l’hydrodésoxygénation dans une filière de production de biocarburants. Cette alternative permet de réduire le coût de l’hydrodésoxygénation et notamment la consommation de dihydrogène. / Flash pyrolysis of biomass is seen as a new way to produce bio-oils which can be converted to biofuels and chemicals. However, development of such pyrolysis processes requires implementation of an efficient and innovative catalytic strategy to deoxygenate bio-oils. Pyrolysis mechanisms involve both biomass degradation reactions - primary mechanisms - and gas phase reactions - secondary mechanisms -. As a consequence, our work has been directed along two research lines. First, we tested whether impregnating a catalyst precursor in the biomass can act on the primary pyrolysis mechanisms in order to promote deoxygenation. Then we sought to enhance the catalytic cracking of pyrolysis vapours using a heterogeneous catalyst.Pyrolysis experiments of impregnated biomass show that metal nitrate salts - Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn and Ce – mainly enhance cellulose depolymerisation at the expense of its fragmentation. Moreover, nitrate anions inserted in biomass promote the production of dehydrated anhydrosugars which can be used to synthesize value-added molecules. Pyrolysis of impregnated biomass also results in the formation of a catalytically active charcoal containing metal nanoparticles. Those charcoals were successfully employed to catalyse the deoxygenation of model vapour phase compounds. However, it was found that the catalytic activity of these charcoals was limited by their low specific surface area, in comparison with the measured performance measured for commercially available activated charcoal containing metal nanoparticles. Among the tested metals, the ceria-based catalyst was found both to efficiently reduce bio-oil acidity and to enhance phenol yields. Additionally, this catalytic cracking catalyst reduces the oxygen content in the pyrolysis bio-oil and increases its heating value. This encouraging result suggests that catalytic vapour cracking could be integrated in a hydrodeoxygenation-based process to produce biofuels. This option should reduce the cost of hydrodeoxygenation and in particular the hydrogen consumption.

Les trois familles catalytiques à base de perovskites contenant du Ni: massives [[LnFe1-x-yNiyMxO3-δ] (Ln=La, Pr; B=Co, Mn, Ru), sur support [mLnNi0.9Ru0.1О3/nMg-γ-Al2O3] (Ln = La, Pr) et structuré [mLaNi0.9Ru0.1О3/nMg-γ-Al2O3/mousses structurées] ont été synthétisés, caractérisés et testés dans les réactions de vaporeformage de l'éthanol et de glycérol. Les effets de la composition chimique et de la méthode de synthèse sur les propriétés structurelles et texturales, ainsi que sur la réductibilité des échantillons initiaux ont été évalués. L'utilisation préférentielle de Pr, Ni et Ru dans la composition de catalyseur a été démontrée pour toutes les familles. Le rôle essentiel de la modification du support γ-Al2O3 avec ≥ 10%mass de Mg introduit par imprégnation humide pour le catalyseur supporté a également été prouvé. Des catalyseurs de la composition optimale fournissant une activité élevée dans le vaporeformage de l'éthanol et du glycérol à T = 650 °C ont été trouvés: le meilleur catalyseur massif à base du précurseur PrFe0.6Ni0.3Ru0.1O3 fournit une activité élevée pendant au moins 7 h, grâce à la facilité de leur réduction et les propriétés d'oxydoréduction de l'oxyde de praséodyme formé. Les catalyseurs sur support 10-20% PrNi0.9Ru0.1O3/10-15%Mg-γ-Al2O3 fournissent le meilleur rendement en hydrogène (~ 90%) et la stabilité pendant ~ 20 heures. Le catalyseur structuré optimisé à base de la plaquette Ni-Al métallique fournit le rendement stable en hydrogène 80-87% dans l’oxy-vaporeformage d'éthanol dans les mélanges concentrés (concentration d'éthanol de 30%) dans un réacteur pilote pendant 40 heures. Les résultats obtenus rendent ces systèmes catalytiques structurés très prometteurs à utiliser dans les générateurs électrochimiques à base de piles à combustible avec l'utilisation de ressources renouvelables peu coûteuses comme bio-huile. / The three catalytic families based on Ni-containing perovskites: massive [LnFe1-x-yNiyMxO3-δ] (Ln=La, Pr; B=Co, Mn, Ru), supported [mLnNi0.9Ru0.1О3/nMg-γ-Al2O3] (Ln = La, Pr) and structured [mLaNi0.9Ru0.1О3/nMg-γ-Al2O3/structured foams] were synthesized, characterized and tested in the reactions of the ethanol and glycerol steam reforming. The effects of the chemical composition and synthesis method on the structural and textural properties, as well as on reducibility of initial samples were evaluated. The preferred use of Pr, Ni and Ru in the catalyst composition was shown for all families. The essential role of the effective γ-Al2O3 support modification with the ≥10 % wt. of Mg introduced by wetness impregnation for the supported catalyst was also proved. Catalysts of the optimal composition providing a high activity in steam reforming of both ethanol and glycerol at T= 650 °С were found: the best massive catalyst based on the PrFe0.6Ni0.3Ru0.1O3 precursor provides high activity for at least 7 hours, which is explained by the ease of their reduction and the oxidation-reduction properties of the praseodymium oxide formed. Supported 10-20% PrNi0.9Ru0.1O3/10-15%Mg-γ-Al2O3 provide the greatest yield of hydrogen (~ 90%) and stability for ~ 20 hours. Structured catalyst based on the metal Ni-Al platelet provides the yield of hydrogen 80-87% in oxy-steam and steam reforming of ethanol in the concentrated mixtures (ethanol concentration of 30%) in a pilot reactor for 40 hours. The results obtained make these structured catalytic systems very promising to use in electrochemical generators based on fuel cells with the use of inexpensive renewable resource – bio-oil.

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La pyrolyse rapide de biomasse lignocellulosique produit des bio-huiles avec des rendements élevés mais ces liquides contiennent de nombreux composés oxygénés, une acidité élevée et de ce fait sont instables. Un hydrotraitement poussé de ces huiles est nécessaire avant qu'elles puissent être utilisées comme combustibles liquides. Afin de réduire le coût et d'améliorer les performances de l'hydrotraitement ultérieur, plusieurs stratégies ont été proposées pour réduire les teneurs en oxygène et en acides, comme l'ajout d'un lit catalytique après la pyrolyse. La conversion catalytique des vapeurs de pyrolyse permet une désoxygénation partielle avant la condensation des vapeurs. Dans ce contexte, nous avons étudié la conversion de molécules modèles, l'acide acétique et le gaïacol, sur différents catalyseurs acides afin d'identifier des phases actives performantes et de comprendre les mécanismes réactionnels. Dans un deuxième temps, un test de pyrolyse semi-continu combiné avec un réacteur catalytique a été conçu et mis en place et les meilleurs catalyseurs acides sélectionnés pour les molécules modèles ont été testés pour la conversion de bois de hêtre. Après conversion, un protocole de séparation des fractions a été appliqué et les fractions gaz, liquide et solide ont été caractérisées par différentes méthodes (?-GC, GC×GC, GPC, RMN…). Une attention particulière a été portée à la quantification des monomères dans la fraction liquide par GC×GC. Les bilans massiques atteignent plus de 90% et des bilans carbones ont été également réalisés dans les différentes fractions. L'ensemble des caractérisations et la comparaison entre pyrolyse avec et sans étape catalytique permet d'améliorer la compréhension du rôle du catalyseur dans la conversion des vapeurs de pyrolyse / Fast pyrolysis of biomass yields bio-oils with high levels of oxygen-containing components, high acidity and low stability. Further upgrading of these oils is necessary before they can be used as liquid fuels. Several low-cost strategies have been proposed for reducing the oxygen and acid contents including the catalytic conversion of pyrolytic vapors before vapor condensation. In this context, a first step in this work was the study of model molecules conversion, acetic acid and guaiacol, on different acid catalyst to understand reaction mechanisms and determine the best catalyst. In a second time, a semi-continuous pyrolysis test combined with a catalytic reactor was built and use to test the best acid catalysts found on model molecules, for the conversion of beech wood chips. A product recovery protocol was implanted to recover all the gas, liquid and solid fractions. Those fractions were characterized in depth by various techniques (?-GC, GC×GC, GPC, RMN…). A special focus was made on the quantification of monomers in the bio-oils by GC×GC. Mass balance reached 90% and carbon balance were established for some experiments. The performed characterizations as well as the comparison between catalytic and thermal experiments allowed to get more insights in the role of the catalyst on pyrolytic vapors conversion

La biomasse ligno-cellulosique est principalement constituée de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. Par conversion thermochimique, la lignine se transforme en bio-huile riche en composés phénoliques. Ces composés phénoliques sont généralement récupérés à l’aide de plusieurs étapes d‘extractions liquide-liquide consécutives impliquant des solvants aqueux et organiques. À l’aide d’une approche multi-échelle, nous avons étudié, la faisabilité et l’efficacité d’un liquide ionique, la [Choline][NTf2], pour l’extraction liquide-liquide de ces composés. En effet, l’utilisation de ce solvant permettrait d’améliorer l’efficacité d’extraction, tout en diminuant la toxicité et les coûts liés à l’utilisation de solvants organiques classiques. Des calculs quantiques ont été effectués afin de mieux comprendre les interactions régissant les systèmes clés de ces extractions. Les structures des composés phénoliques dans leur état isolé ou en présence de solvant montrent que les conformations sont stabilisées par la présence de liaisons hydrogène. De plus, la détermination des énergies d’interaction indique que la [Choline][NTf2] est efficace pour l’extraction de composés phénoliques présents en solution aqueuse. Par ailleurs, la détermination des diagrammes de phases des systèmes binaires {eau-composé + phénolique} et des systèmes ternaires {eau + composé phénolique + [Choline][NTf2]} montre que l’extraction des composés est également possible à une échelle macroscopique. Les paramètres NRTL issus de ces expériences ont permis de simuler l’extraction de trois composés phénoliques majoritairement présents dans les bio-huiles, i.e. le phénol, le guaiacol et le syringol, et ce, à moindre coût. Enfin, l’extraction de ces composés à partir d’une bio-huile obtenue par pyrolyse rapide de lignine a également été particulièrement efficace avec le liquide ionique [Choline][NTf2]. De ce fait, cette étude multi-échelle a permis de montrer que la [Choline][NTf2] est un excellent solvant pour la récupération des composés phénoliques. Enfin, l’étude des propriétés anti-oxydantes témoigne de la valeur ajoutée de ces composés, notamment à travers leur pouvoir réducteur et leur propriété anti-radicalaire / The lignocellulosic biomass is mostly composed of cellulose, hemicellulose and lignin. Upon thermal conversion of lignin, a bio-oil rich in phenolic compounds is obtained. These latter are then generally recovered through several liquid-liquid extraction involving aqueous and organic solvents. In this work we investigated, by a multi-scale study, the feasibility and the efficiency of the ionic liquid [Choline][NTf2] for the extraction of these phenolic compounds by liquid-liquid extraction. Indeed, such a solvent could improve the extraction efficiency and at the same time, reduce the toxicity and the cost of the classic organic solvents. Quantum calculations were performed in order to better understand the interaction governing the key systems of these extractions. The structures of the phenolic compounds in their isolated forms and in contact with solvents show that the conformations are stabilized by the presence of hydrogen bonds. More, the determination of the interaction energies indicates that the [Choline][NTf2] ionic liquid is efficient for the extraction of phenolic compounds present in aqueous solution. Furthermore, the study of phase diagrams of binary systems {water-phenolic compound} and ternary systems {water-phenolic compound-[Choline][NTf2]} show that the extraction of these compounds is also possible at a macroscopic scale. Then, the NRTL parameters coming from these experiments allowed the simulation of the extraction of three compounds mostly present in the bio-oils, namely phenol, guaiacol and syringol, as so at low cost. Finally, the extraction of these compounds from bio-oil obtained from lignin fast pyrolysis was also particularly efficient with the [Choline][NTf2] ionic liquid. Therefore, this multi-scale study demonstrated that [Choline][NTf2] is an excellent solvent for the recovery of phenolic compounds. Lastly, the study of the antioxidant properties testify the added-value of these compounds, especially through their reducing power and their radical scavenging capacity

Les produits de la pyrolyse de la biomasse lignocellulosique présentent un potentiel important dans le cadre des ressources renouvelables. Cependant, leur utilisation directe est réduite en raison de leur importante complexité et de leur teneur élevée en oxygène. Il est nécessaire de leur faire subir des traitements de désoxygénation et/ou de craquage. Afin de déterminer quels sont les traitements les mieux adaptés, il est indispensable de connaitre aussi précisément que possible leur composition. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse portent sur la mise en place de méthodologies d’analyse robustes pour obtenir la description la plus exhaustive possible des bio-huiles. Pour cela, la spectrométrie de masse à résonance cyclotronique d’ions à transformée de Fourier (FT-ICR MS) a été employée en couplage avec différentes sources d’ionisation. L’électronébulisation (ESI), dans des conditions contrôlées d’ionisation, permet d’observer plus particulièrement les composés dérivés de la cellulose et de l’hémicellulose ainsi que des lipides et des dérivés de la lignine. La photoionisation à pression atmosphérique (APPI) et la désorption-ionisation par laser (LDI) sont plus spécifiques des espèces relatives à la lignine. Celles qui sont alors observées sont plus insaturées qu’en ESI. La complémentarité des différentes techniques d’analyse a été établie et a permis la description détaillée de bio-huiles. Cette méthodologie a été appliquée à des bio-huiles avant et après traitement de désoxygénation/cracking sur zéolithes. L’analyse par ESI FT-ICR MS a mis en évidence la sélectivité de ces catalyseurs envers les dérivés cellulosiques alors que l’étude par APPI et LDI a permis de déterminer la nature des composés obtenus après traitement catalytique. Ceux-ci présentent une diminution de la teneur en oxygène et résultent, pour une partie d’entre eux, du craquage catalytique sur les composés de la bio-huile originelle / The products of lignocellulosic biomass pyrolysis are potential sources of renewable materials such as bio-fuels, biochars, and chemicals. However, their ready-to-use capacity is limited by their high chemical complexity and their high oxygen content. Therefore, they have to be upgraded by different treatments such as deoxygenation and/or cracking. In order to assess the most suited upgrading process, it is necessary to obtain an extensive composition description of the raw pyrolysis products. The works carried out during this PhD thesis are dealing with the development of though analytical methods to reach the most detailed composition description of bio-oils. This study was performed by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS) using different ionization sources. The electrospray ionization (ESI), in controlled-conditions, ensures to ionize the cellulose and the hemicellulose derived compounds as well as the lipids and the lignin derivatives. The atmospheric pressure photoionisation (APPI) and the laser desorption/ionization (LDI) allow specifically to detect more unsaturated pyrolytic lignin species. The combination of the different results ensures to obtain an extensive bio-oil description. The established methodology was applied to raw and upgraded (catalytic deoxygenation/cracking treatment on different zeolites) bio-oils. The ESI FT-ICR MS measurements evidenced the selectivity of the used catalysts on sugaric compounds whereas the APPI and LDI highlighted the nature of the resulting compounds which are less oxygenated and produced, for a part of them, by catalytic cracking