Gasification biochar reactivity toward methane cracking

• Main Author: Ducousso, Marion
• Other Authors: Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Language: en
• Published: 2015
• Subjects: Charbon; Réactivité; Fonctionnalisation; Caractérisation de surface; Craquage du méthane; Désactivation; Biochar; Reactivity; Functionalization; Surface characterization; Methane cracking; Deactivation; 621.042
• Online Access: http://www.theses.fr/2015EMAC0016/document

Cette étude porte sur la compréhension et l'amélioration de la réactivité des charbons pour la catalyse de la réaction du craquage du méthane. Pour ce projet, nous avons produit des charbons à partir de la gazéification de bois de peuplier à 750°C sous vapeur d'eau. Par la suite, deux traitements de fonctionnalisation ont été appliqués. D'une part, une oxygénation en phase gaz a été réalisée pour augmenter la concentration des sites oxygénés. D'autre part, une imprégnation en phase liquide dans différentes solutions de sel de nitrate (calcium et potassium) a permis d'accroître la quantité de minéraux. Les propriétés physico-chimiques (structure carbonée, sites oxygénés, minéraux et porosité/surface spécifique) des charbons bruts et fonctionnalisés ont été caractérisées. Les résultats ont montré que les deux traitements de fonctionnalisation ont augmenté la concentration des sites actifs visés. Par ailleurs, les évolutions des propriétés texturales et de la structure carbonée lors des deux fonctionnalisations ont été mises en évidence. Les tests catalytiques du craquage du méthane sur les différents charbons, à 700°C, ont montré que les minéraux sont les sites les plus réactifs vis-à-vis de cette réaction. Les fonctions oxygénées basiques et les défauts de structure sont également des sites actifs. Une diminution de l'efficacité lors du craquage a été observée due à la désactivation progressive de la surface des biochars. Le développement d'un modèle, à l'échelle du pore, a permis de montrer que la concentration initiale de sites actifs à la surface et leur différence de réactivité étaient deux paramètres importants dans la prédiction du comportement de désactivation de la surface. === This study is focused on the reactivity of biochar to catalyze the methane cracking reaction. Biochar was produced from steam gasification of poplar wood (750°C, 30 min, 20°C/min, 90%H2O/10%N2, fluidized bed) and then functionalized by an O2 gas-phase treatment and a wet impregnation into nitrate salts solutions to increase oxygen functions and minerals (calcium and potassium) concentrations at the biochar surface respectively. A set of characterization was performed on the raw and functionalized biochars to evaluate their surface physico-chemical properties. The oxygenated functions, the mineral particles, the carbonaceous structures and the textural properties (specific surface area and porosity) were analyzed. Results showed that the two functionalization treatments increased the concentration of the targeted functions and modified the carbon structures and the textural properties as well. Methane cracking tests were then performed on the biochars to compare their activities and correlate with their physico-chemical properties. It has been highlighted the minerals particles of potassium and calcium are the main active sites of the biochar surface. In fact, the reactivity of the impregnated biochars was twice to 4 times higher than the one of the raw biochar. The porosity of the biochar is the second most important criteria to notably obtain a good dispersion of the minerals particles. Basic oxygenated functions and disordered carbonaceous structures (defaults into the graphene sheets) are reactive as well. However, coke deposition progressively deactivated the biochars surface over the reaction in any case. A model at the pore scale has been proposed to better understand the surface deactivation.