Mécanisme de réaction de l’ozone

Mécanisme de réaction de l’ozone

Caractéristiques physiques et chimiques de l’ozone

L’ozone est une molécule triatomique comportant trois atomes d’oxygène. Sa structure est une résonance entre trois états, comme montré à la Figure 2.1. Il est un agent oxydant puissant, plus fort que l’oxygène, mais il est non stable à haute concentration [5]. L’ozone est un gaz bleu pâle; sa solubilité dans l’eau est très basse, mais celle dans les solvants inertes non-polarisés, dans lesquels il deviendra un liquide bleu, est beaucoup plus haute. Contrairement à l’oxygène qui est inodore, l’ozone est perçu facilement par l’odorat humain. L’ozone devient un liquide noir à -112°C. il est très dangereux de chauffer ce liquide jusqu’à son point d’ ébullition, car une détonation a lieu lorsque les deux états de l’ozone, gazeux et liquide, existent en même temps [6]. À une faible concentration dans l’air, l’ozone peut aisément détruire les matériaux organiques, par exemple, les latex et les plastiques. Généralement, l’ozone est généré à partir d’un courant d’air sec ou d’oxygène qui traverse la zone entre des électrodes où une décharge électrique se produit. Il y a une grande variété de produits qui absorbent l’ozone en solution [7].

Du point de vue chimique, l’ozone réagit sur la majorité des composants du bois, comme la cellulose, les hémicelluloses et la lignine [8]. L’ozone peut dégrader les hydrates de carbone du bois, mais il n’ influence pas la partie cristalline de la cellulose [9]. L’ozonation s’ utilise dans le procédé de blanchiment des pâtes chimiques où la délignification et le blanchiment sont remarqués. Avec la pâte mécanique, l’ozone réagit avec les mêmes composants du bois que lorsqu’il est utilisé sur la pâte chimique, donc l’ozonation peut aussi être utilisée lors de la mise de pâte à haut rendement. L’ozonation agit à la surface des fibres pour faciliter leur séparation. De plus, les matières extractibles du bois, qui sont normalement inutiles pour la fabrication du papier, peuvent être détruites sélectivement.

À cause de la super réactivité de l’ozone, sa perméabilité et son ratio de transfert vont énormément influencer les résultats d’ozonation [10]. il est aussi important d’étudier comment les caractéristiques physiques du bois vont affecter l’ ozonation. Au niveau des propriétés du gaz, l’ozone peut s’appliquer directement dans une phase solide qui contient beaucoup de cellulose, d ‘hémicellulose et de lignine, et la dissolution de l’ozone dans un liquide avant de l’ utiliser n’est pas nécessaire. Osawa [11] a indiqué, dans une recherche portant sur l’utilisation d’ozone avec la pâte kraft, que l’ application de solvants organiques préférés par la lignine n’aide pas l’ozone pour attaquer les lignines spécifiquement, mais il influence remarquablement le taux de réaction. L’ozone réagit plus vite sur la paroi des fibres quand il opère dans une phase gazeuse, avec une concentration d’ozone en haut du point de saturation.

Effets de l’ozone sur la morphologie des fibres Il y a deux groupes de fibres principales, celles du bois feuillus et celles du bois résineux. La densité des bois feuillus est généralement plus haute que celle des bois résineux. Dans les bois, les fibres sont organisées parallèlement au tronc. La lamelle mitoyenne sépare les fibres et agit comme une colle entre elles, comme montrée à la Figure 2.2 [12]. La paroi des fibres contient la paroi primaire (P) et la paroi secondaire (S), qui elle-même consiste en trois couches différentes : SI, S2 et S3. La paroi S2 est environ dix fois plus épaisse que les deux autres.

Pour une même essence de bois, les fibres sont différentes en morphologie, géométrie et composition chimique. La plus grande variation est entre le bois d’été et le bois de printemps. L’épaisseur moyenne des fibres de bois de printemps est de 2,3 l..Im et celle du bois d’été est de 4,5 /lm [13]. Les fibres des bois de printemps se développent quand le temps d’exposition solaire augmente. Ces fibres ont un diamètre plus large et une paroi de fibre plus mince. Pendant l’ été, la vitesse de croissance baisse et la fonction qui prend de l’importante pour les fibres est le renforcement de la structure du bois. Les fibres développées durant cette période ont un diamètre radial plus petit, une paroi de fibre plus épaisse, et une couleur plus foncée créant un cercle annuel visible. Naturellement, les fibres du bois de printemps ne réagissent pas de la même façon dans les procédés de mise en pâte mécanique que celles du bois d’été. La Figure 2.3 [14] montre une image de section transversale des fibres du bois. Les fibres contiennent de la cellulose, des hémicelluloses, de la lignine et des matières extractibles. La Figure 2.4 [15] montre la distribution de la cellulose, des hémicelluloses et de la lignine pour une fibre de bois résineux. Le contenu en lignine est plus haut dans la lamelle mitoyenne et plus basse dans la couche S3 de la paroi secondaire. Presque tous les composants de la fibre native restent dans la pâte mécanique, comparativement à la pâte chimique où la lignine est enlevée presque totalement

Effets de l’ozone sur la morphologie des fibres des pâtes mécaniques Dans la mise de pâte mécanique, l’ozone réagit premièrement avec les composants situés à la surface des fibres [16]. L’ozone attaque la lignine dans la paroi primaire, la couche SI et la couche intercellulaire, ainsi que les polysaccharides dans la paroi secondaire. Puisque l’ozone est un agent oxydant gazeux, fort et difficilement soluble dans l’eau, on pourrait supposer qu’ il réagit rapidement à la surface des fibres, étant alors incapable de pénétrer profondément dans la paroi de la fibre [17] . Ainsi, les sections transversales des parois de fibre ne seraient pas détruites et la rigidité des fibres serait maintenue [18]. Il y a deux mécanismes pour augmenter la résistance de la pâte mécanique par l’ ozonation. Premièrement, la modification de la structure de la lignine augmente le pouvoir hydrophylique des pâtes [19]. Deuxièmement, l’ozone modifie la surface des fibres par la production de groupes qui consolident les liaisons entres les fibres.

Ce dernier mécanisme peut être démontré par l’observation de la surface des films de cellulose et des fibres de pâte après l’ozonation [20, 21]. Hosokawa [22] a conclu que 70-80 % d’augmentation de la résistance de pâte mécanique est causée par la modification de la surface des fibres, le restant soit 20-30% est attribuée à l’amélioration de la plasticité des fibres. Kubo [23] a indiqué que la résistance des pâtes est augmentée principalement par la modification de la surface des fibres. Kibblewhite [17] a montré que dans une mise de pâte thermomécanique à haute température, l’ozone modifie de façon évidente la lignine et la surface des fibres, ce qui résulte en des fibres qui pourraient ainsi être détachées et fibrillées sélectivement pendant le raffinage. Cependant, le procédé de raffmage sans ozonation donne plus de fibres coupées. En plus, la pâte après l’ ozonation contient une grande quantité des fmes fibrillés qui ont une concentration de lignine faible, ce qui pourrait augmenter la capacité de liaison de la pâte.

Effets de l’ozone sur la lignine Pour les fibres de pâte mécanique, la teneur en lignine est près de 30%, mais la surface des fibres est couverte de beaucoup plus de lignine et de matières extractibles, soit une teneur de 50 à 75% [24]. Contrairement à la cellulose, la lignine et les matières extractibles sont hydrophobiques, et elles ont une influence négative sur la capacité de liaison entre les fibres [18]. Les parties hydrophobes à la surface des fibres de pâte mécanique réduisent l’adhérence des fibres et la capacité d’adsorption [25]. La lignine est la cause du jaunissement du papier par la chaleur, la pollution ou la lumière solaire. Une haute température est requise durant le procédé de mise en pâte mécanique pour atteindre le point de ramollissement de la lignine, ou sa température de transition vitreuse.

Il est généralement admis que l’ozone réagit essentiellement avec la lignine dans les pâtes [26]. Beaucoup de recherches ont été faites pour trouver les effets de l’ozonation sur la lignine. L’ozone modifie la lignine principalement de trois façons :

1) les chaînes latérales sont attaquées s’accompagnant d’une dépolymérisation des macromolécules,

2) les noyaux aromatiques sont ouverts en conséquence de l’oxydation,

3) des acides organiques hydrosolubles sont formés. Plusieurs groupes carbonyles et carboxyles sont générés [27], favorisant la création de liaisons hydrogènes qui lient les fibres et augmentent la résistance et la cohésion des pâtes [28] .

Après l’oxydation de la lignine, une modification de la surface des fibres est observée qui favorise l’hydrophilicité [28] , [29]. Les lignines sont des polymères de monolignols. TI existe au moms trois types de monomères différents :

1) l’alcool coumarylique, appelé unité H, sans groupe méthoxyle;

2) l’alcool coniférylique, appelé unité G, contenant un groupe méthoxyle;

3) l’alcool sinapylique, appelé unité S, à deux groupes méthoxyles. Kojima et al. [30] a indiqué que l’ozone réagit plus avec les lignines en forme d’unité S qu’en forme d’unité G.

Table des matières

Table des Matières
Remerciements
Résumé
Mots clés
Summary
Keywords
Table des Matières
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Liste des Abréviations
Chapitre 1 – Introduction   
1.1 Fondement de la recherche
1.2 Problématique
Chapitre 2 – Revue de la littérature   
2.l Mécanisme de réaction de l’ozone
2.1.1 Caractéristiques physiques et chimiques de l’ozone
2.1.2 Effets de l’ozone sur la morphologie des fibres
2.1.2.1 La morphologie et la chimie des fibres
2.1.2.2 Effets de l’ozone sur la morphologie des fibres des pâtes mécaniques
2.1.3 Effets de l’ozone sur la lignine
2.1.4 Effets de l’ozone sur la cellulose et les matières extractibles
2.2 Introduction d’ozone dans la mise en pâte mécanique
2.2.1 Économies d’énergie par l’ozonation
2.2.1.1 Application d’ozone dans le raffineur ou interstade
2.2.1.2 Application d’ozone dans le raffmage de rejets
2.2.2 Influence de l’ozone sur les caractéristiques mécaniques des pâtes
2.2.2.1 Généralités
2.2.2.2 Influence de l’ozone sur les propriétés physiques des pâtes
2.2.3 Influence de l’ozone sur les caractéristiques optiques des pâtes
2.3 Objectifs de la recherche
Chapitre 3 – Effet de l’ozone dans la mise en pâte thermomécanique- essais préliminaires
Chapitre 4 – Optimisation du traitement à l’ozone dans la mise en pâte thermomécanique
Chapitre 5 – Effets combinés du raffinage sélectif et d’un traitement interstade à l’ozone sur la fraction des fibres longues
Chapitre 6 – Conclusions
Bibliographie
Annexes A – Résultats expérimentaux – Essais préliminaires
Annexes B – Résultats expérimentaux – Essais du chapitre 4
Annexes C – Résultats expérimentaux – Essais du chapitre 5

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