FR3143760A1 - Dispositif et procédé pour quantifier une teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse - Google Patents

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Herman RAVELOJAONA
Olivier Sissmann
Philipp SCHIFFMANN
Sonia NOIREZ
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Abstract

L’invention concerne un dispositif et un procédé pour quantifier une teneur en azote total d’un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse. On chauffe l’échantillon en atmosphère inerte entre une température comprise entre 50 et 300°C et une température comprise entre 650 et 1000°C, et on détermine des teneurs en NH3,N2O, et N2, et des premières teneurs enNO et NO2 ; on oxyde en continu à au moins 900°C des effluents de la première chauffe, et on détermine des deuxièmes teneurs en NO et NO2 ; on chauffe en atmosphère oxydante un résidu de l’échantillon entre une température comprise entre 50 et 300°C et une température d’au moins 850°C, et on détermine des troisièmes teneurs en NO et NO2. La teneur en azote total correspond à la somme des teneurs en NH3, N2O, N2, et des première, deuxième et troisième teneurs en NO et NO2. Figure 3 à publier

Description

Dispositif et procédé pour quantifier une teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse
La présente invention concerne le domaine de quantification de l’azote présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse.
Appliquée au domaine de la science du sol, des géosciences de l’environnement ou encore à l’agriculture, la présente invention peut permettre notamment la quantification de l’azote présent dans un échantillon de sol, d’une formation superficielle, ou encore d’un fertilisant pour un sol.
L’azote est un élément essentiel à la croissance des plantes. La fertilisation azotée est nécessaire au développement des cultures. Ainsi, une déficience en azote hypothèque le rendement et la qualité des récoltes. En contrepartie, un excès d’azote est nuisible à l’environnement, notamment parce que sous certaines conditions, les fertilisants azotés sont transformés en protoxyde d’azote, un puissant gaz à effet de serre.
Ainsi, en complément de la teneur en carbone, la teneur en azote est un indicateur qui permet de renseigner sur l’état d’un sol, en particulier dans le cadre d’une agriculture biologique qui vise à réduire voire à supprimer le recours aux engrais de synthèse dans un contexte d’enjeu climatique. Notons que, si l’utilisation d’un engrais azoté de synthèse par fixation de l’azote atmosphérique a permis dans les années 1930 ce qu’on appelle la « révolution verte », c’est justement son emploi excessif qui conduit aussi aujourd’hui à un effet environnemental désastreux sur les milieux aquatiques suite au processus d’eutrophisation.
Le terme azote désigne deux groupes : l’azote organique et l’azote inorganique. On appelle azote organique, celui qui est présent dans tout composé organique (comme les acides aminés, les protéines, l'azote lié aux résidus de matières végétales et animales en décomposition, etc.) et azote inorganique, celui qui est présent dans les composés inorganiques (comme l’ammonium (NH4 +), les nitrates (NO3 –), l'azote gazeux (N2) et les nitrites (NO2 –)).
Dans un sol, l’azote est majoritairement présent sous forme organique (environ 95% de l’azote total d’un sol). Ces formes d'azote ne sont pas directement assimilables par les plantes (à l’exception de l'urée, une molécule de petite taille). L’azote organique est constitué de divers composés azotés dont la minéralisation sous l’effet de l’activité microbienne est très variable et très difficilement prévisible.
Sous forme minérale, l’azote peut être présent dans des nitrates : KNO3(salpêtre) et NaNO3(nitrate du Chili), ammonitrates (engrais les plus utilisés en France), et dans l’urée (engrais azotés). L'azote minéral des sols comprend l'azote dissous dans la solution du sol ou fixé sur le complexe argilo-humique, dont les formes principales sont les ions nitrate (NO3 -, azote nitrique) et ammonium (NH4 +, azote ammoniacal). C'est sous forme minérale que les plantes puisent l'azote. L'azote nitrique (NO3) est la forme la plus disponible pour les plantes et l'azote ammoniacal provient principalement de l’hydrolyse des acides aminés. Grâce à sa charge positive, NH4 +se fixe sur le complexe argilo-humique du sol, ce qui limite le risque d'entrainement en profondeur (par lixiviation) mais aussi sa disponibilité instantanée pour les plantes. L'activité microbienne des sols consomme de l'ammonium et le transforme en azote nitrique, c'est le processus de nitrification. En cas de lixiviation ou de dénitrification, l’azote est perdu pour l’écosystème.
L’azote peut être présent sous plusieurs états d’oxydation allant de la forme volatile gazeuse la plus réduite à la plus oxydée : NH3(ammoniac), N2(diazote), N2O, NO, NO2.
On appelle alors « azote total » l’ensemble des formes de l'azote présentes dans un échantillon dans sa configuration organique et/ou minérale. Le stock d’azote du sol évolue dans le temps en fonction de trois phénomènes : la minéralisation, la lixiviation et le développement du couvert végétal. La fertilité du sol (ou qualité d’un sol) repose, entre autres, sur une analyse élémentaire en carbone et en azote. En plus de la texture et la structure du sol, le pH et les conditions pédoclimatiques, cette fertilité (taux de décomposition de la matière organique du sol et de minéralisation de l’azote) va dépendre du contenu organique du sol en C et N (sa qualité et sa quantité) et des apports en fertilisants et amendements organiques ou minéraux. Les engrais organiques sont très nombreux et de plus en plus variés et la seule connaissance de la composition élémentaire des sols (en principe, correspondant au rapport C organique / N organique, mais qui est souvent assimilé à C total / N total) rend de plus en plus difficile la prédiction de leurs évolutions dans le sol. Ce rapport C/N renseigne sur le degré d’évolution de la matière organique, l'activité biologique du sol et le potentiel de fourniture d'azote par le sol (minéralisation). Toutefois, l'azote total ne fournit aucun renseignement sur l'azote minéral disponible pour le végétal.
Les documents suivants seront cités au cours de la description :
Jaber A.M.Y., Mehanna N.A., Sultan S.M.; 2009. Determination of ammonium and organic bound nitrogen by inductively coupled plasma emission spectroscopy, Talanta 78 (4–5), pp. 1298-1302, https://doi.org/10.1016/j.talanta.2009.01.060.
Hsieh, Y.P. (2007). A novel multielemental scanning thermal analysis (MESTA) method for the identification and characterization of solid substances. Journal of AOAC International. 90. 54-9.
Hsieh Y.P., Bugna G.C., 2008. Analysis of black carbon in sediments and soils using multi-element scanning thermal analysis (MESTA), Organic Geochemistry, Vol. 39 (11), pp 1562-1571, ISSN 0146-6380, https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2008.07.015.
Les méthodes actuelles d'analyse de l’azote des sols s'effectuent le plus souvent sur terre fine (particules inférieures à 2mm) fraiche et séchée. En effet, sans précautions particulières, la quantité d’azote nitrique (NO3 -) et ammoniacal (NH4 +) peut, par minéralisation de la matière organique, évoluer très rapidement (en moins de 24 heures). Ces différentes méthodes de mesure de l’azote sont soit physico-chimiques soit thermiques.
Les méthodes physico-chimiques font généralement appel à des normes. Par exemple, l'azote total du sol (sous sa forme ammonium, nitrate, nitrite et organique) peut être mesuré par la méthode dite de « Dumas » (analyse élémentaire - NF ISO 13878), qui permet de déterminer la teneur totale en azote par combustion sèche, plus précisément par combustion en présence d'oxygène du sol broyé dans un four à 950°C. On connait aussi la méthode dite de « Kjeldahl modifiée » (NF ISO 11261) pour déterminer l'azote total (sous sa forme ammonium, nitrate, nitrite et organique à savoir N-tot. = N-org. + N-NH4+ N-NO3), qui comprend trois étapes : a) une minéralisation sous forme d'azote d'ammonium par H2SO4(qui transforme la matière organique en NH4 +), b) une distillation du NH3formé avec de la vapeur d’eau et c) un titrage du distillat à l’aide de l'acide borique. Les quantités nécessaires à la mesure varient de 0,1 à 10 g d’échantillons. Quant à l’azote minéral (N-NH4 et N-NO3), il peut être mesuré en deux parties selon la norme NF ISO 14256 qui fait intervenir des méthodes colorimétriques. Plus précisément, le dosage des nitrates, des nitrites et de l’ammonium dans des sols bruts s’obtient par extraction avec une solution de chlorure de potassium suivie d’analyses spectrophotométriques des différents types d’azote (lecture à 543 nm pour les nitrites et nitrates et à 660 nm pour l’ammonium). Les résultats de teneurs en azote total et sous ses différentes formes suite à la méthode de Kjeldahl sont indiqués respectivement en mg/ kg sur sol humide, mg/kg sur sol sec et kg/ha. Le calcul de l'azote organique peut aussi s’obtenir par différence entre l'azote total et l'azote minéral.Ces mesures obtenues selon des procédures normées sont réalisées en général par des bureaux d’étude ou des laboratoires accrédités.
Parmi les méthodes thermiques, on connait la méthode décrite dans le document (Jaber et al., 2009), et qui est basée sur la spectrométrie à plasma à couplage inductif (« Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometer » en anglais, aussi connue sous l’acronyme « ICP-AES ») intégrant un système de génération de flux de plasma amélioré. Cette méthode permet d’obtenir des teneurs en azote total comparables avec celles obtenues par la méthode standard Kjeldahl, mais est bien plus sensible. Elle est aussi plus sensible que l’analyse élémentaire ICP-AES classique qui présente l’inconvénient de générer beaucoup d'interférences de matrice.
On connait aussi des analyseurs élémentaires plus récents, par exemples les analyseurs élémentaires 828 et 928 développés par la société LECO (Etats-Unis) pour la mesure de l’azote total, couplant une combustion sèche sous O2avec une détection du N2généré à l’aide d’un détecteur à conductivité thermique (TCD) sous courant d’He ou d’Ar en utilisant un four catalytique chauffé (Cu) pour la réduction des espèces d’oxydes d’azote (NOx) en N2. En fonction du type d’échantillons (sol, fertilisant, végétaux), les échantillons sont tamisés (0.150 à 0,5 mm) et séchés (85 à 105°C) au préalable. La quantité d’échantillons varie de 0,05 à 2g et la méthode nécessite des nacelles en céramiques. Ce capteur, en ne mesurant que le N2, permet de déterminer la quantité d’azote total présent dans un échantillon grâce à un four catalytique à haute température.
Comme tous les autres analyseurs élémentaires décrits ci-dessus, ces nouveaux analyseurs permettent d’améliorer la méthode de combustion selon Dumas pour la mesure de l’azote total en apportant fiabilité, rendement analytique plus élevé et facilité d’utilisation. L’avantage de ces analyses sont qu’elles sont plus rapides et n’utilisent ni solvant ni traitement préalable comparé à la méthode de Kjeldahl pour mesurer un azote total. Par contre, ces méthodes ne mesurent l’azote total qu’à partir d’une forme azotée (par exemple N2) alors que la méthode de Kjeldahl mesure jusqu’à trois formes azotées pour décrire l’azote total : N-Org., N-NH4et N-NO3.
On connait aussi une méthode thermique multi-éléments (ou méthode MESTA, de l’anglais « multi-element scanning thermal analysis ») décrite dans les documents (Hsieh, 2007 ; Hsieh et Bugna, 2008) qui permet de déterminer simultanément la décomposition des composés carbonés, azotés et soufrés en fonction de la température. Plus précisément, cette méthode est mise en œuvre au moyen de deux fours : un four pour l’échantillon (qui peut peser entre 0,3 à 10 mg) programmable depuis la température ambiante jusqu’à 800 °C avec un gradient de 50 °C/min sous flux d’un mélange O2/He extra pur (40 /60 %), et un four à combustion maintenu à 1100 °C et constamment purgé avec 100% d'O2ultra-pur. Après pyrolyse, les effluents sont transportés par le gaz vecteur dans le four de combustion où elles sont oxydées en CO2, NO2et SO2. Les matières oxydées passent ensuite successivement par des détecteurs de C (analyseur de CO2de type infrarouge), N (détecteur à chimiluminescence d'azote ou « NCD ») et S (détecteur à chimiluminescence de soufre, ou « SCD »). Cette méthode mesure la teneur en azote total mais à partir d’une seule forme azotée (NO2), obtenue uniquement après oxydation. Par contre, cette méthode fournit une information sur la qualité de l’azote total en fonction de la température.
Ainsi diverses méthodes sont utilisées pour déterminer l'azote total d’échantillons, par exemple issus du sol. Pour l’azote organique, il peut être obtenu uniquement par la méthode de Kjeldahl ou par différence entre l’azote total et minéral. Cependant la plupart de ces méthodes sont lourdes de mise en œuvre avec des procédures compliquées, consommatrices de temps et de solvants, et aussi associées à des problèmes tels que la limitation à des concentrations élevées d'azote, des interférences de matrices (à l’exception de l’ICP AES), et une gamme dynamique (signal mesuré en continu) quasi inexistante (sauf pour la méthode thermique MESTA).
La présente invention permet de pallier ces inconvénients. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif et un procédé pour mesurer la teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse, au moyen de séquences de chauffe en atmosphère inerte et en atmosphère oxydante dont les caractéristiques permettent un craquage thermique complet des différents composés azotés contenus dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse, et au moyen de mesures des différents composés azotés contenus dans les effluents issus de ces chauffes.
La présente invention permet de quantifier l’azote total en une seule étape dans un échantillon, sans traitement préalable, et sur de faibles quantités (de quelques mg à une centaine de mg au maximum). Le caractère dynamique (signal mesuré en continu) fournit une seconde information sur la qualité des constituants azotés présents dans un échantillon en fonction de leur stabilité thermique (enregistrement continu du signal au cours du temps et de la température). Ces paramètres permettent de mieux identifier les différentes mécanismes (fixation de N2, nitrification, dénitrification) mis en jeu lors des processus de respiration et fermentation reliés au cycle du carbone. Par ailleurs, la présente invention, permet, du fait de la détection de plusieurs composés azotés, d’avoir en plus une information du type de composés azotés présents dans l’échantillon (et pas seulement concernant le NO2ou le N2selon la méthode d’analyse utilisée), tout en l’associant à sa stabilité thermique.
La présente invention concerne un dispositif pour quantifier une teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu’il comprend :
  • des moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
  • des moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
  • des moyens d'oxydation d’effluents issus des moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
  • des moyens aptes à une mesure en continu de :
  • une quantité de NH3, d’une quantité de NO, d’une quantité de NO2, d’une quantité de N2O et d’une quantité de N2issues desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
  • une quantité de NO et d’une quantité de NO2issues desdits moyens d'oxydation d’effluents issus desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
  • une quantité de NO et une quantité de NO2issues desdits moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon peuvent comprendre un four de pyrolyse en atmosphère inerte, et lesdits moyens pour chauffer en atmosphère oxydante ledit résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon comprennent un four d’oxydation.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon et lesdits moyens pour chauffer en atmosphère oxydante ledit résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon peuvent comprendre un unique four de pyrolyse, pouvant fonctionner en atmosphère inerte et en atmosphère oxydante.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits moyens d'oxydation desdits effluents issus desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon peuvent comprendre un four d’oxydation.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits moyens aptes à une mesure en continu de ladite quantité de NH3issue desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon, ainsi que lesdits moyens aptes à une mesure en continu de ladite quantité de NO et/ou de ladite quantité de NO2issues desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon et/ou issues desdits moyens d'oxydation d’effluents issus desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon et/ou issues desdits moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon peuvent comprendre un capteur optique opérant dans la gamme des ultra-violets, ledit capteur optique comprenant une source de rayonnement UV pour éclairer une zone de mesure et un spectromètre pour mesurer l’intensité en fonction de la longueur d’onde du rayonnement UV ayant traversé ladite zone de mesure.
L’invention concerne en outre un procédé pour quantifier une teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse, caractérisé en ce que ledit procédé comprend au moins les étapes suivantes :
  • on chauffe ledit échantillon en atmosphère inerte, entre une première température comprise entre 50 et 300°C et une deuxième température comprise entre 650 et 1000°C, en suivant une première séquence de températures, on mesure en continu au moins une quantité de NH3, une quantité de NO, une quantité de NO2, une quantité de N2O et une quantité de N2libérées pendant ladite chauffe en atmosphère inerte et on en déduit une teneur en NH3,une teneur en N2O, une teneur en N2, une première teneur intermédiaire en NO et une première teneur intermédiaire en NO2;
  • on oxyde en continu, au moyen d’une chauffe en atmosphère oxydante à une troisième température au moins égale à 900°C, au moins une partie des effluents issus de ladite chauffe en atmosphère inerte dudit échantillon, on mesure en continu au moins une quantité de NO et une quantité de NO2libérées pendant ladite oxydation en continu de ladite partie desdits effluents issus de ladite chauffe en atmosphère inerte, et on en déduit une deuxième teneur intermédiaire en NO et une deuxième teneur intermédiaire en NO2;
  • on chauffe en atmosphère oxydante un résidu dudit échantillon issu de ladite chauffe en atmosphère inerte entre une quatrième température comprise entre 50 et 300°C et une cinquième température supérieure ou égale à 850°C, en suivant une seconde séquence de températures, on mesure en continu au moins une quantité de NO et une quantité de NO2libérées pendant ladite chauffe en atmosphère oxydante dudit résidu et on en déduit une troisième teneur intermédiaire en NO et une troisième teneur intermédiaire en NO2;
et en ce qu’on détermine au moins une teneur en azote total présent dans ledit échantillon à partir de la somme desdites teneurs en NH3, en N2O, en N2, desdites première, deuxième et troisième teneurs intermédiaires en NO et desdites première, deuxième et troisième teneurs intermédiaires en NO2.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ladite première séquence de températures peut comprendre un premier palier isotherme, d’une première durée prédéterminée, à ladite première température et un deuxième palier isotherme, d’une deuxième durée prédéterminée, à ladite deuxième température, lesdits premier et deuxième paliers isothermes étant reliés entre eux par un premier gradient thermique.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ladite seconde séquence de températures peut comprendre un troisième palier isotherme, d’une troisième durée prédéterminée, à ladite quatrième température et un quatrième palier isotherme, d’une quatrième durée prédéterminée, à ladite cinquième température, lesdits troisième et quatrième paliers isothermes étant reliés entre eux par un deuxième gradient thermique.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdites première et/ou deuxième et/ou troisième et/ou quatrième durée prédéterminées peuvent être comprises entre 1 et 10 minutes, et lesdits premier et/ou deuxième gradients thermiques peuvent être compris entre 15°C/min et 40°C/min.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ledit procédé peut être mis en œuvre au moyen du dispositif selon l’une quelconque des variantes décrites ci-dessus.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et du procédé selon l'invention apparaitront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures [Fig 1]
La illustre un exemple de réalisation de la première séquence de températures, mise en œuvre pour la première étape du procédé selon l’invention.
[Fig 2]
La illustre un exemple de réalisation de la deuxième séquence de températures, mise en œuvre pour la troisième étape du procédé selon l’invention.
[Fig 3]
La illustre un exemple de mise en œuvre du dispositif selon l’invention.
[Fig 4]
La illustre une variante de mise en œuvre du dispositif selon l’invention.
[Fig 5]
La présente l’évolution de la somme de NO et de NO2libérés en fonction de la température lors de l’application de la première étape du procédé selon l’invention, dans le cas d’un premier type d’échantillon.
[Fig 6]
La présente l’évolution de la somme de NO et de NO2libérés en fonction du temps lors de l’application de la première étape du procédé selon l’invention ainsi que la séquence de températures utilisée pour cette étape, dans le cas d’un deuxième type d’échantillon.
L’invention concerne un dispositif et un procédé pour quantifier une teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de biomasse.
Par azote total, on entend la teneur à la fois en azote organique et en azote inorganique (ou autrement dit, en azote minéral) contenue dans l’échantillon considéré.
Par échantillon d’un milieu poreux, on entend un échantillon de tout matériau poreux, consolidé ou non consolidé. Il peut s’agir, de manière non limitative, d’un échantillon d’un sol, de sédiments marins récents, d’un fertilisant, d’une roche sédimentaire. Mais il peut aussi s’agir de boues (séchées) issues d’une station d’épuration, de sédiments issus d’un dragage d’une rivière ou d’un port. Il peut aussi s’agir de sols humides (marais, mangroves).
Par biomasse, on entend toute masse de matière vivante (animale, végétale, terrestre, aquatique) subsistant en équilibre sur une surface donnée du globe terrestre. Il peut s’agir de manière non limitative de végétaux, de biodéchets, ou de résidus organiques résiduaires (qui comprennent l'ensemble des déchets et sous-produits organiques issus d'activités humaines et agricoles).
L’échantillon de milieu poreux ou de biomasse, préalablement tamisé (particules inférieures ou égales à 2 mm), séché et broyé de manière homogène (particules inférieures ou égales à 0,25 mm) peut avoir une masse comprise entre 1 et 100mg. En effet, le procédé selon l’invention, notamment s’il est mis en œuvre au moyen du dispositif selon l’invention, ne nécessite pas des échantillons de masse importante du fait de la sensibilité des détecteurs et de l’optimisation des circuits utilisés. Par ailleurs, il n’est pas nécessaire de prétraiter l’échantillon (en particulier, pas de décarbonatation, de purification ou d’extraction), notamment avec des solvants.
De manière générale, le procédé selon l’invention repose sur la mesure au cours du temps de l’ensemble des composés azotés contenus dans des effluents libérés pendant une chauffe sous atmosphère inerte de l’échantillon, y compris les composés azotés contenus dans une oxydation des effluents libérés pendant la chauffe sous atmosphère inerte de l’échantillon, et sur la mesure de l’ensemble des composés azotés contenus dans des effluents libérés pendant une chauffe sous atmosphère oxydante d’un résidu de l’échantillon issu de la chauffe sous atmosphère inerte. De manière générale, les espèces azotées produites par craquage thermique de l’ensemble des familles chimiques azotées contenues dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de biomasse sont : NH3, NO, NO2, N2O et N2.
Plus précisément, le procédé selon l’invention comprend au moins les étapes suivantes :
1. Chauffe en atmosphère inerte de l’échantillon
2. Oxydation d’une partie des effluents issus de la chauffe en atmosphère inerte
3. Chauffe en atmosphère oxydante du résidu issu de la chauffe en atmosphère inerte
4. Détermination d’une teneur en azote total de l’échantillon
Le dispositif selon l’invention comprend des moyens pour une chauffe sous atmosphère inerte de l’échantillon, des moyens pour une oxydation des effluents libérés pendant la chauffe sous atmosphère inerte de l’échantillon, des moyens pour une chauffe sous atmosphère oxydante d’un résidu de l’échantillon, ainsi que des moyens de mesure en continu des quantités de NH3, de NO, de NO2, de N2O et de N2libérées pendant la chauffe en atmosphère inerte de l’échantillon, des moyens de mesure en continu des quantités de NO et de NO2libérées pendant l’oxydation des effluents libérés pendant la chauffe sous atmosphère inerte de l’échantillon, et des moyens de mesure en continu des quantités de NO et de NO2libérées pendant la chauffe sous atmosphère oxydante d’un résidu de l’échantillon. Le procédé selon l’invention peut avantageusement être mis en œuvre au moyen du dispositif selon l'invention.
Les étapes du procédé selon l’invention sont détaillées ci-après.
1. Chauffe en atmosphère inerte de l’échantillon
Au cours de cette étape, on chauffe ledit échantillon en atmosphère inerte, entre une première température (notée T1 par la suite) comprise entre 50°C et 300°C et une deuxième température (notée T2 par la suite) comprise entre 650 et 1000°C, en suivant une première séquence de températures, on mesure en continu une quantité de NH3, une quantité de NO, une quantité de NO2, une quantité de N2O et une quantité de N2libérées pendant ladite chauffe en atmosphère inerte, et on en déduit une teneur en NH3,une teneur en N2O, une teneur en N2, une première teneur intermédiaire en NO et une première teneur intermédiaire en NO2.
Autrement dit, au cours de cette étape, l’échantillon est pyrolysé en milieu réducteur, selon une séquence de températures dont les bornes inférieures et supérieures correspondent aux températures T1 et T2 selon l’invention. La demanderesse a en effet pu observer, au moyen d’essais réalisés sur de nombreux types d’échantillons de milieux poreux et issus de la biomasse, qu’une pyrolyse sous atmosphère inerte réalisée entre ces deux températures T1 et T2 permet de libérer, sous la forme d’effluents, la totalité des composés azotés pyrolysables en milieu réducteur contenus dans un échantillon. En fonction du type d’échantillons considérés, les quantités d’azote et la stabilité thermique des composés qui le contiennent peuvent être très variables, d’instable thermiquement (composés volatils) à très stable thermiquement. Ces gammes de température permettent de mieux discriminer les différents groupements de stabilité thermique des composés azotés générés ; les signaux ont une meilleure résolution. De plus, ces essais ont montré que les composés azotés suivants peuvent être libérés au cours de cette étape : NH3, NO, NO2, N2O et N2. Selon l’invention, on mesure en continu (c’est-à-dire qu’on mesure au cours du temps de la chauffe en atmosphère inerte) les quantités des composés azotés suivantes : une quantité de NH3, une quantité de NO, une quantité de NO2, une quantité de N2O et une quantité de N2. A partir des quantités de NH3, de NO, de NO2, de N2O et de N2mesurées, on en déduit une teneur en NH3, une teneur en N2O, une teneur en N2, une première teneur intermédiaire en NO et une première teneur intermédiaire en NO2. On parle ici de « teneurs intermédiaires » pour les composés azotés NO et NO2car des teneurs complémentaires sont déterminées à l’issue des étapes 2 et 3 du procédé selon l’invention. Autrement dit, on ne détermine pas la teneur totale en NO et en NO2au cours de cette seule étape, contrairement aux composé azotés NH3, N2O et de N2.Il est bien clair qu’une ou plusieurs des quantités de composés azotés mesurées peuvent être nulles, notamment en fonction de la nature de l’échantillon considéré. En effet, certains échantillons de milieu poreux ou issus de la biomasse peuvent ne pas libérer de NH3et/ou de NO et/ou de NO2, et/ou de N2O et/ou de N2lors de la première étape du procédé selon l’invention.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la séquence de températures utilisée pour la mise en œuvre de cette étape peut comprendre un premier palier isotherme à la température T1 (c’est-à-dire que la température T1 est maintenue pendant une première durée prédéterminée) et un deuxième palier isotherme à une température T2 (c’est-à-dire que la température T2 est maintenue pendant une deuxième durée prédéterminée), les deux paliers isothermes étant reliés entre eux par un gradient thermique (c’est-à-dire que le premier palier isotherme à la température T1 est suivi d’une augmentation linéaire de la température jusqu’à atteindre le deuxième palier isotherme à la température T2).
La illustre, de manière schématique et non limitative, un exemple de réalisation de la première séquence de températures, mise en œuvre pour la première étape du procédé selon l’invention. Plus précisément, cet exemple de première séquence de températures comprend un premier palier isotherme A à la température T1, un deuxième palier isotherme C à la température T2, les deux paliers isothermes A, C étant reliés entre eux par un gradient thermique B.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la première durée prédéterminée du palier à la température T1 et/ou la deuxième durée prédéterminée du palier à la température T2 peuvent être comprises entre 1 et 10 min. De telles durées permettent de libérer tous les composés azotés pyrolysables présents dans un échantillon en distinguant les composés azotés les plus légers et thermovaporisables (de poids moléculaires faibles) pendant la température T1 avec ceux obtenus par craquage par pyrolyse qui sont de plus en plus lourds (de poids moléculaires moyens à lourds) avec l’augmentation de température suivant le gradient thermique et ce jusqu’à la fin de la température T2. Avantageusement, le gradient thermique peut être compris entre 15°C/min et 40°C/min. Un tel gradient permet en effet de libérer la totalité des composés azotés pyrolysables contenus dans l’échantillon, et ce, dans un temps compris entre 15 et 75 minutes selon la mise en œuvre, ce qui est une durée courte comparée aux méthodes selon l’art antérieur, en particulier comparée aux méthodes chimiques.
Selon une autre mise en œuvre de l’invention, la séquence de températures utilisée pour cette étape peut comprendre un premier palier de température à la température T1 (c’est-à-dire que la température T1 est maintenue pendant une première durée prédéterminée, par exemple de durée entre 1 et 10 minutes), un deuxième palier isotherme à une température T2 (c’est-à-dire que la température T2 est maintenue pendant une deuxième durée prédéterminée, par exemple de durée entre 1 et 10 minutes), ainsi qu’une pluralité de paliers isothermes intermédiaires (par exemple 4 paliers isothermes intermédiaires, par exemple de durées comprises entre 1 et 10 minutes) entre les premier et deuxième paliers, les paliers étant reliés entre eux par des gradients thermiques (par exemple compris 15°C/min et 40°C/min). Une telle séquence permet de séparer encore plus précisément les composés azotés les plus légers et thermovaporisables des composés azotés seuillés entre différentes gammes de température en lien avec différentes classes chimiques azotées de début de craquage thermique à la fin de craquage thermique du dernier palier de température. La même quantité d’azote total est obtenue avec cette séquence à plusieurs paliers tout en obtenant une meilleure résolution des différents signaux renseignant mieux sur les différentes classes thermiques des espèces azotées présentes dans l’échantillon.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la séquence de températures utilisée pour cette étape peut comprendre une succession d'au moins six paliers isothermes d'une durée prédéterminée comprenant un premier palier isotherme à la température T1, comprise ici entre 80 et 200°C, un premier palier isotherme intermédiaire à une température comprise entre 340 et 380°C, un deuxième palier isotherme intermédiaire à une température comprise entre 400 et 440°C, un troisième palier isotherme à une température comprise entre 450 et 490°C, un quatrième palier isotherme intermédiaire à une température comprise entre 500 et 540°C, et un deuxième palier isotherme à la température T2, égale à 650°C, les paliers isothermes, intermédiaires ou non intermédiaires, étant reliés entre eux par un gradient thermique. Avantageusement, pour ce mode de réalisation, on peut en outre mesurer en continu une quantité de composés hydrocarbonés, une quantité de CO et une quantité de CO2libérées pendant cette séquence de chauffe.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le gaz inerte utilisé pour cette étape peut être de l’hélium He ou de l’argon Ar. Il est bien clair que le diazote N2est avantageusement évité pour la mise en œuvre de cette étape, afin de ne pas fausser les mesures réalisées. Autrement dit, au cours de cette étape, on chauffe ledit échantillon en atmosphère inerte, au moyen d’un gaz inerte, à l’exclusion du diazote.
Selon l’invention, on mesure une quantité de NH3, une quantité de NO, une quantité de NO2, une quantité de N2O et une quantité de N2libérées au cours du temps de la chauffe en atmosphère inerte. Pour chaque composé azoté, on peut alors établir une courbe représentant l’évolution de la quantité de ce composé azoté en fonction du temps, rapportée au poids de l’échantillon considéré. De manière générale, la demanderesse a observé que les courbes représentatives de l’évolution dans le temps de la quantité de chacun des composés azotés libérés pendant les étapes 1, 2 ou 3 présentent un à plusieurs pics.
Selon une mise en œuvre de l’invention, pour chaque composé azoté, à partir de la surface (ou encore l’aire) sous la courbe représentative de l’évolution dans le temps de la quantité de ce composé azoté libéré au cours d’une étape donnée (étape 1, 2 ou 3), on peut déterminer une teneur en ce composé azoté libéré pendant l’étape considérée. Par la suite, on note tout composé azoté choisi parmi la liste suivante : NH3, NO, NO2, N2O et N2.
Selon une mise en œuvre de l’invention, quelle que soit l’étape considérée (étape 1, 2 ou 3), on peut déterminer la teneur en un composé azoté selon une formule du type :
(1)
où est la teneur (en pourcentage massique) en azote du composé azoté , est la masse molaire de l’azote ( =14 g⋅mol−1), est la masse molaire du composé azoté considéré (par exemple 30 g⋅mol−1), est la surface sous la courbe représentative de l’évolution dans le temps de la quantité de composé azoté libéré pendant l’étape considérée (1, 2 ou 3), et est un facteur de calibration pour le composé azoté établi sur un échantillon de référence.
Selon une mise en œuvre de l’invention, on peut déterminer le facteur de calibration associé au composé azoté à partir d’au moins un échantillon de référence dont on connait la ou les teneurs en composés azotés , échantillon que l’on soumet à l’étape considérée (c’est-à-dire l’étape 1, 2 ou 3). Puis on détermine le coefficient de calibration à partir de l’aire sous la courbe représentative de l’évolution dans le temps de la quantité du ou des composé(s) azoté(s) libérés par cet échantillon de référence pendant l’étape considérée selon une formule du type :
(2)
où est la masse de l’échantillon de référence pour le composé azoté , est la surface sous la courbe représentative de l’évolution dans le temps de la quantité du composé azoté libéré par l’échantillon de référence pendant l’étape considérée. Selon une mise en œuvre, l’échantillon de référence peut être un échantillon d’un milieu poreux ou de biomasse dont on connait la ou les teneurs en composés azotés, obtenues par exemple au moyen d’une analyse élémentaire et d’une méthode de Kjeldahl modifiée. Alternativement, en l’absence d’un échantillon solide, l’échantillon de référence peut être constitué uniquement d’un ou plusieurs composés azotés , par exemple sous la forme d’un mélange ou non de gaz purs.
Ainsi, à l’issue de cette étape, on obtient une teneur en NH3, une teneur en N2O, une teneur en N2, une première teneur intermédiaire en NO et une première teneur intermédiaire en NO2.
2. Oxydation d’une partie des effluents issus de la chauffe en atmosphère inerte
Au cours de cette étape, il s’agit d’oxyder en continu au moins une partie des effluents (fluides) issus de la chauffe en atmosphère inerte de l’échantillon considéré, au moyen d’une chauffe en atmosphère oxydante à une température au moins égale à 900°C (que l’on note T3 par la suite), de mesurer en continu une quantité de NO et une quantité de NO2libérées pendant cette oxydation en continu de la partie des effluents issus de ladite chauffe en atmosphère inerte, et d’en déduire une deuxième teneur intermédiaire en NO et une deuxième teneur intermédiaire en NO2. Selon une mise en œuvre de l’invention, l’oxydation peut être une oxydation catalytique.
Autrement dit, au cours de cette étape, au moins une partie des effluents issus de la pyrolyse en atmosphère inerte est soumis à une oxydation. Cette étape a pour objectif de quantifier les composés azotés contenus dans les effluents les plus lourds générés pendant la phase de pyrolyse en milieu réducteur, au moyen d’une oxydation à haute température (T3 supérieure ou égale à 900°C). La demanderesse a observé, au moyen d’essais réalisés sur de nombreux types d’échantillons différents, que seuls les composés azotés NO et NO2peuvent être libérés pendant cette étape. Ainsi, selon l’invention, on mesure en continu une quantité de NO et une quantité de NO2libérées pendant cette oxydation des effluents issus de la pyrolyse. Pour chaque composé azoté libéré pendant cette étape, on peut alors établir une courbe représentant l’évolution de la quantité du composé azoté considéré, rapportée au poids de l’échantillon considéré, en fonction du temps. Enfin, à partir des quantités de NO et de NO2, mesurées au cours de cette étape, on en déduit une deuxième teneur intermédiaire en NO et une deuxième teneur intermédiaire en NO2. On parle ici de « teneurs intermédiaires » car des teneurs complémentaires sont déterminées à l’issue des étapes 1 et 3 du procédé selon l’invention. Il est bien clair que la quantité de NO et/ou la quantité de NO2mesurées au cours de cette étape peuvent être nulles, en fonction de la nature de l’échantillon considéré. En effet, certains échantillons de milieu poreux ou issus de la biomasse peuvent ne pas libérer de NO et/ou de NO2lors de la deuxième étape du procédé selon l’invention.
Selon une mise en œuvre de l’invention, pour chacun des composés azotés NO et NO2libérés au cours de l’étape 2, à partir de la surface sous la courbe représentative de l’évolution dans le temps de la quantité du composé azoté libéré pendant l’étape 2, on peut déterminer la teneur intermédiaire en ce composé azoté libéré pendant cette étape au moyen de la formule générale de l’équation (1) décrite à l’étape 1.
Selon une mise en œuvre de l’invention, cette étape peut être mise en œuvre au moyen d’un four d’oxydation chauffé au minimum à 900°C, et balayé par un mélange de gaz comprenant entre 30 et 100% d’O2et jusqu’à 70% d’un gaz inerte (par exemple de l’He ou de l’Ar) selon un débit par exemple compris entre 50 et 400 ml/min. Selon une mise en œuvre de l’invention, cette étape peut être mise en œuvre au moyen d’un four d’oxydation catalytique.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la chauffe sous atmosphère oxydante d’au moins une partie des effluents issus de la chauffe en atmosphère inerte de l’échantillon considéré peut être mise en œuvre au moyen d’une séquence de chauffe présentant un seul palier isotherme à la troisième température T3 valant au moins 900°C (température T3), d’une durée au moins égale à la durée de l’étape 1.
Ainsi, à l’issue de cette étape, on obtient une deuxième teneur intermédiaire en NO et une deuxième teneur intermédiaire en NO2.
3. Chauffe en atmosphère oxydante du résidu issu de la chauffe en atmosphère inerte
Au cours de cette étape, on chauffe en atmosphère oxydante un résidu (solide) de l’échantillon issu de la chauffe en atmosphère inerte entre une quatrième température (notée T4 par la suite) comprise entre 50°C et 300°C et une cinquième température (notée T5 par la suite) supérieure ou égale à 850°C, en suivant une seconde séquence de températures, puis on mesure en continu une quantité de NO et une quantité de NO2libérées pendant ladite chauffe en atmosphère oxydante dudit résidu, et on en déduit une troisième teneur intermédiaire en NO et une troisième teneur intermédiaire en NO2.
Ainsi, au cours de cette étape, le résidu (solide) issu de l’étape 1 est soumis à une oxydation selon une séquence de températures dont les bornes inférieures et supérieures correspondent aux températures T4 et T5 selon l’invention. Cette étape a pour objet de libérer, sous la forme de gaz oxydés, l’ensemble des composés azotés non pyrolysables (dans les conditions de l’étape 1) contenus dans l’échantillon. La demanderesse a observé, au moyen d’essais réalisés sur de nombreux types d’échantillons différents, que seuls les composés azotés suivants peuvent être libérés au cours de la chauffe sous atmosphère oxydante du résidu de pyrolyse : NO et NO2. Selon l’invention, on mesure alors en continu (c’est-à-dire qu’on mesure au cours du temps de la chauffe en atmosphère oxydante du résidu) les quantités de NO et de NO2libérées. Puis, à partir des quantités de NO et de NO2, mesurées au cours de cette étape, on en déduit une troisième teneur intermédiaire en NO et une troisième teneur intermédiaire en NO2. On parle ici de « teneurs intermédiaires » car des teneurs complémentaires sont déterminées à l’issue des étapes 1 et 2 du procédé selon l’invention comme décrit ci-dessus. Il est bien clair que la quantité de NO et/ou la quantité de NO2mesurées au cours de cette étape peuvent être nulles, en fonction de la nature de l’échantillon considéré et/ou des caractéristiques de la séquence de températures de l’étape 1. En effet, certains échantillons de milieu poreux ou issus de la biomasse peuvent ne pas libérer de NO et/ou de NO2lors de la troisième étape du procédé selon l’invention. Par ailleurs la quantité de NO et/ou la quantité de NO2mesurées peuvent être également nulles lorsque la température T2 de la première étape du procédé selon l’invention est très élevée (par exemple 1000°C). En effet, dans ce cas, tous les composés azotés pyrolysables peuvent déjà avoir été libérés au cours de la première étape du procédé selon l’invention.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la séquence de températures utilisée pour cette étape peut comprendre un premier palier isotherme à la température T4 (c’est-à-dire que la température T4 est maintenue pendant une quatrième durée prédéterminée) et un deuxième palier isotherme à une température T5 (c’est-à-dire que la température T5 est maintenue pendant une cinquième durée prédéterminée), les deux paliers isothermes étant reliés entre eux par au moins un gradient thermique (c’est-à-dire que le palier isotherme à la température T4 est suivi d’une augmentation linéaire de la température jusqu’à atteindre le palier isotherme à la température T5). Selon une mise en œuvre de l’invention, la quatrième durée prédéterminée du palier à la température T4 et/ou la cinquième durée prédéterminée du palier à la température T5 peuvent être comprises entre 1 et 10 min. De telles durées permettent d’effectuer une combustion souvent incomplète (NO et NO2) des composés organiques azotés encore présents dans le résidu de pyrolyse en fonction de leur cinétique de combustion. Avantageusement, le gradient thermique peut être compris entre 15°C/min et 40°C/min. Un tel gradient permet en effet de libérer la totalité des composés azotés non pyrolysables (dans les conditions de l’étape 1) contenus dans le résidu de l’échantillon, et ce, dans un temps limité (entre 20 et 30 minutes en fonction des conditions utilisées, ce qui est une durée courte comparée aux méthodes selon l’art antérieur). Cette augmentation de température rapide permet d’accélérer la cinétique de combustion des effluents très réfractaires.
La illustre, de manière schématique et non limitative, un exemple de réalisation de la deuxième séquence de températures, mise en œuvre pour la troisième étape du procédé selon l’invention. Plus précisément, cet exemple de deuxième séquence de températures comprend un premier palier isotherme D à la température T4, un deuxième palier isotherme F à la température T5, les deux paliers isothermes D, F étant reliés entre eux par un gradient thermique E.
Selon l’invention, on mesure une quantité de NO et une quantité de NO2libérées au cours du temps de la chauffe en atmosphère oxydante du résidu de l’échantillon. Pour chaque composé azoté libéré pendant cette étape, on peut alors établir une courbe représentant l’évolution de la quantité de ce composé azoté en fonction du temps, rapportée au poids de l’échantillon considéré.
Selon une mise en œuvre de l’invention, pour chaque composé azoté, à partir de la surface du pic (ou encore l’aire sous la courbe) de la courbe représentative de la quantité d’un composé azoté libérée pendant l’étape 1, on peut déterminer la teneur en un composé azoté libéré pendant cette étape au moyen de la formule générale de l’équation (1) décrite à l’étape 1.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la température T4 peut être comprise entre 150 et 300°C et la température T5 peut être comprise entre 850 et 1200°C. Avantageusement, on peut mesurer en outre en continu une quantité de CO et une quantité de CO2libérées pendant cette séquence de chauffe.
Ainsi, à l’issue de cette étape, on obtient une troisième teneur intermédiaire en NO et une troisième teneur intermédiaire en NO2.
4. Détermination de la teneur en azote total de l’échantillon
Au cours de cette étape, il s’agit de déterminer au moins une teneur en azote total présent dans ledit échantillon à partir des teneurs en NH3, en N2O, en N2déterminées à l’étape 1, des première, deuxième et troisième teneurs en NO déterminées respectivement aux étapes 1, 2 et 3, et des première, deuxième et troisième teneurs en NO2déterminées respectivement aux étapes 1, 2 et 3.
Autrement dit, au cours de cette étape, on détermine la teneur en azote total par la somme de l’ensemble des teneurs déterminées au cours des étapes 1, 2 et 3. Il s’agit en effet de la teneur en azote total car on prend en compte l’ensemble des composés azotés qui ont été identifiés comme libérés au cours des étapes 1, 2 et 3 après plusieurs essais réalisés sur de nombreux types d’échantillons de milieux poreux et issus de la biomasse. Pour rappel, les étapes 1 et 2 mesurent le contenu en azote pyrolysable alors que l’étape 3 mesure l’azote non pyrolysable dans les conditions de l’étape 1.
Selon une mise en œuvre avantageuse du procédé selon l’invention, et si on a en outre mesuré en continu une quantité de composés hydrocarbonés, une quantité de CO et une quantité de CO2libérées pendant la première étape mise en œuvre tel que décrit ci-dessus, et une quantité de CO et une quantité de CO2libérées pendant la troisième étape mise en œuvre tel que décrit ci-dessus, on peut en outre caractériser et quantifier le carbone présent dans l’échantillon considéré, en appliquant par exemple le procédé décrit dans la demande de brevet WO2022/200091.
L’invention concerne en outre un dispositif pour quantifier une teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse comprenant :
  • des moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
  • des moyens pour chauffer en atmosphère oxydante au moins une partie d’effluents issus desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
  • des moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
  • des moyens aptes à une mesure en continu de :
- une quantité de NH3, d’une quantité de NO, d’une quantité de NO2, d’une quantité de N2O et d’une quantité de N2issues des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon ;
- une quantité de NO et d’une quantité de NO2issues des moyens d'oxydation d’effluents issus des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon;
- une quantité de NO et une quantité de NO2issues des moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon.
Selon une première conception du dispositif selon l’invention, les moyens pour chauffer en atmosphère inerte un échantillon du milieu peuvent comprendre un four de pyrolyse, les moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon peuvent comprendre un premier four d’oxydation et les moyens pour chauffer en atmosphère oxydante au moins une partie des effluents issus des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon peuvent comprendre un deuxième four d’oxydation, qui peut être catalytique. Ainsi, dans cette conception, le dispositif comprend trois fours distincts. Le four de pyrolyse peut être un four balayé par un flux de gaz inerte, tel que de l’hélium He ou de l’argon Ar, à un débit compris entre 50 et 300 ml/min. Il est bien clair que le diazote N2peut être avantageusement évité, afin de ne pas fausser les mesures réalisées.
Le premier four d’oxydation peut être balayé par un mélange de gaz comprenant entre 20 et 90% d’O2et jusqu’à 80% d’un gaz inerte (par exemple de l’He ou de l’Ar, le gaz inerte ne correspondant de préférence pas à du N2), selon un débit par exemple compris entre 50 à 200 ml/min. Le deuxième four d’oxydation peut être balayé par de l’oxygène pur pour permettre une chauffe en atmosphère super oxydante à une température au moins égale à 900°C avec un débit compris entre 50 et 400 ml/min. Dans cette conception, le dispositif peut comprendre des moyens pour faire circuler les effluents libérés par le four de pyrolyse vers les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’au moins une quantité de NH3, de NO, de NO2, de N2O et de N2sous la forme de conduites dans lesquelles circulent un gaz vecteur inerte, tel que de l’hélium He ou de l’argon Ar, le gaz inerte ne correspondant de préférence pas à du N2.Dans cette conception, le dispositif peut en outre comprendre des moyens pour faire circuler les effluents du premier four d’oxydation vers les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’au moins une quantité de NO et de NO2sous la forme de conduites dans lesquelles circulent un mélange gazeux comprenant entre 20 et 90% d’O2, de préférence 20% d’O2, et entre 10 et 80% d’un gaz inerte, de préférence 80% de gaz inerte (par exemple de l’He ou de l’Ar, le gaz inerte ne correspondant de préférence pas à du N2). Dans cette conception, le dispositif peut en outre comprendre des moyens pour faire circuler les effluents du deuxième four d’oxydation vers les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’au moins une quantité de NO et de NO2sous la forme de conduites dans lesquelles circulent un gaz pur O2.
Selon une mise en œuvre de l’invention, au moins un des fours du dispositif selon l’invention peut être fait en inox, en alumine, porcelaine. De tels matériaux sont aptes à résister aux fortes températures mises en œuvre dans le procédé selon l’invention.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le dispositif peut comporter en outre une nacelle destinée à recevoir l’échantillon de milieu poreux et/ou issu de la biomasse. La nacelle peut être par exemple en inox, en alumine ou en porcelaine, et peut être introduite dans le four de pyrolyse et/ou le four d’oxydation au moyen par exemple d'un piston.
Dans une conception alternative du dispositif selon l’invention, les moyens pour chauffer en atmosphère inerte un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse et les moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon peuvent comprendre un unique four de pyrolyse, pouvant fonctionner soit en atmosphère inerte, soit en atmosphère oxydante, et les moyens pour chauffer en atmosphère oxydante au moins une partie des effluents issus des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon peuvent comprendre un four d’oxydation (distinct du four de pyrolyse pouvant fonctionner soit en atmosphère inerte, soit en atmosphère oxydante). Dans cette configuration, le four d’oxydation, qui peut être catalytique, distinct du four de pyrolyse permet que les effluents issus de la chauffe en atmosphère inerte soient oxydés en continu, c’est-à-dire au fur et à mesure de leur libération par la chauffe sous atmosphère inerte.
Selon une mise en œuvre préférée de l’invention, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de NO (respectivement d’une quantité de NO2) N2issue des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de NO (respectivement d’une quantité de NO2) issue des moyens d'oxydation d’effluents issus des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon, et les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de NO (respectivement d’une quantité de NO2) issue des moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon peuvent correspondre à un même et unique détecteur, pouvant au moins détecter et mesurer le NO (respectivement le NO2). Cela permet de ne pas multiplier le nombre de détecteurs puisque les détecteurs de NO et NO2peuvent alors être utilisés pour la mise en œuvre des trois étapes du procédé selon l’invention.
Selon une mise en œuvre préférée de l’invention pouvant être combinée à la précédente, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’au moins :
  • une quantité de NH3, d’une quantité de NO, d’une quantité de NO2, d’une quantité de N2O et d’une quantité de N2issues des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon ;
  • une quantité de NO et d’une quantité de NO2issues des moyens d'oxydation d’effluents issus des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon ;
  • une quantité de NO et une quantité de NO2issues des moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon ;
correspondent à un seul et unique détecteur, apte à mesurer en continu les composés azotés suivants : NH3, NO, NO2, N2O et N2.
La illustre de manière schématique et non limitative, un exemple de mise en œuvre du dispositif selon l’invention, comprenant trois fours distincts et un unique détecteur apte à mesurer une quantité de chacun des différents composés azotés libérés par un échantillon. Plus précisément, le dispositif selon cet exemple de réalisation du dispositif selon l’invention comporte un four de pyrolyse 1 pour une chauffe en atmosphère inerte d’un échantillon, un premier four d’oxydation 2 pour une chauffe en atmosphère oxydante d’un résidu de l’échantillon issu de la chauffe en atmosphère inerte (les moyens de transfert du four de pyrolyse au four d’oxydation ne sont pas représentés), et un deuxième four d’oxydation 3 pour une chauffe en atmosphère oxydante des effluents issus de la chauffe en atmosphère inerte de l’échantillon. Dans cette conception, une conduite 4 relie le four de pyrolyse 1 au deuxième four d’oxydation 3, pour permettre le transfert d’une partie des effluents issus de la chauffe en atmosphère inerte vers le four d’oxydation à haute température. Le four de pyrolyse 1, le premier four d’oxydation 2 et le deuxième four d’oxydation 3 sont reliés par des conduites 5 à un détecteur 10 apte à mesurer une quantité de chacun des différents composés azotés pouvant être libérés par un échantillon.
Selon une mise en œuvre, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’au moins une quantité de NH3issue des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon, ainsi que les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de NO et d’une quantité de NO2issues des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon et/ou issues des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon et/ou issues des moyens pour chauffer en atmosphère oxydante un résidu issu des moyens pour chauffer en atmosphère inerte l’échantillon peuvent être réalisées au moyen d’un capteur optique opérant dans la gamme des ultra-violets (UV). Selon une mise en œuvre de l’invention, le capteur optique peut comprendre une source de rayonnement UV pour éclairer une zone de mesure (destinée à recevoir des effluents issus de l’une quelconque des étapes du procédé selon l’invention), et un spectromètre pour mesurer l’intensité en fonction de la longueur d’onde du rayonnement UV ayant traversé la zone de mesure. L’homme du métier a parfaite connaissance de méthodes pour déterminer la quantité de différentes espèces chimiques à partir des mesures réalisées avec un tel capteur optique. On pourra par exemple se référer à la méthode décrite dans la demande de brevet WO 2019/020326 A1, qui concerne un procédé pour la mesure de la concentration en différentes espèces chimiques contenus dans des gaz d’échappement. Selon une mise en œuvre de l’invention, à partir de la mesure de l’intensité en fonction de la longueur d’onde du rayonnement UV ayant traversé la zone de mesure et d’une intensité en fonction de la longueur d’onde de référence, on peut déterminer une absorbance en fonction de la longueur d’onde des effluents contenus de la zone de mesure. Puis, on peut déterminer la concentration en chaque composé azoté présent dans les effluents considérés, à partir de l’absorbance des effluents ainsi calculée, et à partir également de caractéristiques prédéterminées d’absorbance et d’informations relatives à la température (connue dans notre procédé puisque la température des fours est connue à tout moment) et la pression (connue dans notre procédé et égale à la pression atmosphérique) de chacune des espèces chimiques que l’on souhaite quantifier.
Selon une mise en œuvre de l’invention pouvant être combinée à la précédente, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de N2peuvent correspondre à un micro-chromatographe (ou micro GC). Un micro-chromatographe est constitué d’un injecteur, d’un tamis moléculaire et d’un détecteur micro-TCD (détecteur à conductibilité thermique). Dans cette mise en œuvre, on peut, au moyen d’une pompe d’échantillonnage interne, prélever un volume de gaz dans le flux provenant de la ligne du dispositif selon l’invention pour l’envoyer au micro-GC.
Selon une mise en œuvre de l’invention pouvant être combinée à la précédente, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de NH3peuvent correspondre à un détecteur électrochimique. Le principe d’un détecteur électrochimique repose sur une réaction d’oxydo-réduction.
Selon une mise en œuvre de l’invention pouvant être combinée à la précédente, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de NO peuvent correspondre à un détecteur à infra-rouge (IR) ou un analyseur par chimiluminescence (CLD). Le principe du CLD repose sur la production de lumière à la suite d'une réaction chimique, comme par exemple une réaction d’oxydo-réduction entre une espèce réduite et un oxydant, par exemple comme l’oxygène. Ici, la chimiluminescence provient des photons (lumière) émis lors de la réaction entre le monoxyde d’azote (NO) et l’ozone (O3) qui sont détectés par un tube photomultiplicateur. De manière générale, un détecteur à IR comprend un capteur spectroscopique réagissant au rayonnement à infra-rouge. Avantageusement, le détecteur à infra-rouge peut utiliser une région spectrale à bande étroite correspondant à celle du gaz NO.
Selon une mise en œuvre de l’invention pouvant être combinée à la précédente, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de NO2peuvent correspondre à un détecteur à infra-rouge. Avantageusement, le détecteur à infra-rouge peut utiliser une région spectrale à bande étroite correspondant à celle du gaz NO2.
Selon une mise en œuvre de l’invention pouvant être combinée à la précédente, les moyens de mesure aptes à une mesure en continu d’une quantité de N2O peuvent correspondre à un détecteur à infra-rouge. Avantageusement, le détecteur à infra-rouge peut utiliser une région spectrale à bande étroite correspondant à celle du gaz N2O.
Selon une mise en œuvre selon laquelle le dispositif comprend au moins deux détecteurs de composés azotés distincts, ces détecteurs peuvent être disposés en série, c’est-à-dire que le flux gazeux traverse les détecteurs les uns après les autres, chacun étant apte à détecter un composé azoté spécifique.
Avantageusement, le dispositif selon l’invention peut en outre comprendre un détecteur du type à ionisation de flamme (FID) pour une mesure en continu d’une quantité de composés hydrocarbonés et/ou un détecteur du type infrarouge (IR) pour une mesure en continu d’une quantité de CO et CO2.
La illustre de manière schématique et non limitative, une variante de mise en œuvre du dispositif selon l’invention, en tout point identique au dispositif de la (ainsi les éléments en commun ne seront pas décrits à nouveau) à l’exception du fait qu’il comporte un détecteur spécifique à chacun des différents composés azotés libérés par un échantillon, au lieu d’un détecteur unique. Plus précisément, le dispositif selon cette variante comporte cinq détecteurs 11, 12, 13, 14, 15 disposés en série, chacun des détecteurs pouvant mesurer spécifiquement une quantité de l’un des composés azotés suivants : NH3, NO, NO2, N2O et N2. L’ordre selon lequel sont disposés les détecteurs 11, 12, 13, 14, 15 n’a pas d’incidence. Le four de pyrolyse 1, le premier four d’oxydation 2 et le deuxième four d’oxydation 3 sont reliés par des conduites 5 au premier détecteur 11 spécifique de la série de détecteurs 11, 12, 13, 14, 15, et les détecteurs 11, 12, 13, 14, 15 sont reliés deux à deux par des conduites 6 qui ont les mêmes caractéristiques techniques que les conduites 5.
Ainsi le dispositif et le procédé selon l’invention permettent de quantifier l’azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse en une seule étape, sans traitement préalable, et sur de faibles quantités (de quelques mg à une centaine de mg au maximum). Le caractère dynamique (signal mesuré en continu) fournit une seconde information sur la qualité des constituants azotés présents dans un échantillon en fonction de leur stabilité thermique (enregistrement continu du signal au cours du temps et de la température). Ces paramètres permettent de mieux identifier les différents mécanismes (fixation de N2, nitrification, dénitrification) mis en jeu lors des processus de respiration et fermentation reliés au cycle du carbone. Par ailleurs, la présente invention, permet, du fait de la détection de chaque composé azoté (par un détecteur unique ou plusieurs détecteurs), d’avoir en plus une information du type de composés azotés présents dans l’échantillon (et pas seulement concernant le NO2ou le N2selon la méthode d’analyse utilisée), tout en l’associant à sa stabilité thermique.
Exemples
Les caractéristiques et avantages du dispositif et du procédé selon l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de l’exemple d'application ci-après.
Des échantillons contenant des quantités d’azote variables (0,2 à 35% massique) ont été analysés par le procédé selon l’invention, au moyen du dispositif selon l’invention. Les résultats de la quantification de l’azote total sont comparables aux valeurs d’azote total mesurées par une analyse de référence telle que l’analyse élémentaire selon la méthode de Dumas.
On présente plus particulièrement ci-dessous les résultats de la mise en œuvre du procédé selon l’invention, au moyen du dispositif selon l’invention, pour un premier exemple correspondant à un échantillon d’un engrais minéral (KNO3) et pour un deuxième exemple correspondant à un biodéchet digéré (digestat).
Premier exemple
L’application du procédé selon l’invention pour le premier exemple révèle que seul le composé azoté NO est libéré dans le cas d’un minéral azoté de type KNO3. Autrement dit aucune quantité de N2, de NO2, de N2O et de NH3n’ont été mesurées au cours du procédé selon l’invention. A titre d’exemple, la présente des courbes représentant l’évolution de la somme de NO et de NO2libérés (au travers de l’intensité I du signal mesuré) en fonction de la température T (la température étant reliée au temps via la séquence de températures) au cours de la première étape pour des échantillons de KNO3ayant différentes masses : 4.55mg (courbe KNO3-4.55mg), 2.61 mg (courbe KNO3-2.61mg), et 1,42 mg (courbe KNO3-1.42mg). La première étape du procédé selon l’invention a été appliquée avec une séquence de températures comprenant un premier palier isotherme à 250°C maintenu pendant 10 min, suivi d’un gradient thermique de 25°C/min, jusqu’à atteindre une température de 100°C, maintenue pendant 3 minutes. On peut observer que les courbes ont des géométries similaires, mais pas la même intensité en fonction de la masse. Ainsi, la réponse du signal NO est linéaire avec la masse de l’échantillon à analyser. Le tableau 1 présente les quantités d’azote total NT (en % massique) obtenues pour les différentes masses de l’échantillon, ainsi que les quantités de N2, de NO2, de N2O et de NH3(quantités nulles), et une valeur d’azote total déterminée par une analyse élémentaire indépendante NAE. On peut observer que le % massique d’azote total, déterminé en appliquant le procédé selon l’invention, est similaire à celui déterminé par l’analyse élémentaire à 20% près.
Masse échantillon (mg) Composé azoté/Azote total (% massique)
N-NO2 N-NO N-NH3 N-N2O N-N2 NT NAE
4,55 15,83 15,83±2,8 13,85
2,61 17,1 17,1±2,8 13,85
1,42 16,87 16.87±2,8 13,85
Deuxième exemple
L’application du procédé selon l’invention au deuxième exemple montre que les composés azotés suivants sont libérés dans le cas d’un échantillon de digestat : NO, NO2, NH3et N2. La présente des courbes représentant l’évolution de la quantité (au travers de l’intensité I du signal mesuré) de NO et de NO2cumulées (car le signal NO2mesuré était négligeable ; courbe NO+NO2), de NH3(courbe NH3) et de N2(courbe N2) libérées en fonction du temps t pendant la première étape du procédé selon l’invention, ainsi que la séquence de températures utilisée pour cette étape (évolution de la température T en fonction du temps t). Nous pouvons observer que les différents composés azotés ne sont pas libérés aux mêmes températures : notamment le NO et le NO2sont libérés aux plus basses températures alors que le N2est libéré aux plus hautes températures. Une partie du signal NO/NO2semble aussi corrélée avec celui du NH3indiquant que ces deux gaz sont issus du craquage d’une même famille chimique. Plus de 90% du contenu en NT du digestat provient du signal N2. Le tableau 2 présente les quantités (en % massique) d’azote total NT, de N2, de NO2, de N2O et de NH3obtenues par le procédé selon l’invention, ainsi que l’azote total déterminé par une analyse élémentaire indépendante NAE. On peut observer la quantification obtenue par le procédé selon l’invention est en bon accord avec celui de l’analyse élémentaire.
Composé/Azote total N-(NO+NO2) N-NH3 N-N2O N-N2 NT NTAE
Mesure (% massique) 0.01 0.37 7.9 8.28±1.7 6,5±0.34

Claims (10)

  1. Dispositif pour quantifier une teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu’il comprend :
    • des moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon ;
    • des moyens pour chauffer en atmosphère oxydante (2) un résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
    • des moyens d'oxydation (3) d’effluents issus des moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon ;
    • des moyens aptes à une mesure (10, 11, 12, 13, 14, 15) en continu de :
    • une quantité de NH3, d’une quantité de NO, d’une quantité de NO2, d’une quantité de N2O et d’une quantité de N2issues desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon ;
    • une quantité de NO et d’une quantité de NO2issues desdits moyens d'oxydation (3) d’effluents issus desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon ;
    • une quantité de NO et une quantité de NO2issues desdits moyens pour chauffer en atmosphère oxydante (2) un résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon.
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon comprennent un four de pyrolyse en atmosphère inerte, et lesdits moyens pour chauffer en atmosphère oxydante (2) ledit résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon comprennent un four d’oxydation.
  3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon et les moyens pour chauffer en atmosphère oxydante (2) ledit résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon comprennent un unique four de pyrolyse, pouvant fonctionner en atmosphère inerte et en atmosphère oxydante.
  4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens d'oxydation (3) desdits effluents issus desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte ledit échantillon comprennent un four d’oxydation.
  5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens aptes à une mesure en continu de ladite quantité de NH3issue desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon, ainsi que lesdits moyens aptes à une mesure en continu de ladite quantité de NO et/ou de ladite quantité de NO2issues desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon et/ou issues desdits moyens d'oxydation d’effluents issus desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon et/ou issues desdits moyens pour chauffer en atmosphère oxydante (2) un résidu issu desdits moyens pour chauffer en atmosphère inerte (1) ledit échantillon comprennent un capteur optique opérant dans la gamme des ultra-violets, ledit capteur optique comprenant une source de rayonnement UV pour éclairer une zone de mesure et un spectromètre pour mesurer l’intensité en fonction de la longueur d’onde du rayonnement UV ayant traversé ladite zone de mesure.
  6. Procédé pour quantifier une teneur en azote total présent dans un échantillon d’un milieu poreux et/ou issu de la biomasse, caractérisé en ce que ledit procédé comprend au moins les étapes suivantes :
    • on chauffe ledit échantillon en atmosphère inerte, entre une première température (T1) comprise entre 50 et 300°C et une deuxième température (T2) comprise entre 650 et 1000°C, en suivant une première séquence de températures, on mesure en continu au moins une quantité de NH3, une quantité de NO, une quantité de NO2, une quantité de N2O et une quantité de N2libérées pendant ladite chauffe en atmosphère inerte et on en déduit une teneur en NH3,une teneur en N2O, une teneur en N2, une première teneur intermédiaire en NO et une première teneur intermédiaire en NO2;
    • on oxyde en continu, au moyen d’une chauffe en atmosphère oxydante à une troisième température au moins égale à 900°C, au moins une partie des effluents issus de ladite chauffe en atmosphère inerte dudit échantillon, on mesure en continu au moins une quantité de NO et une quantité de NO2libérées pendant ladite oxydation en continu de ladite partie desdits effluents issus de ladite chauffe en atmosphère inerte, et on en déduit une deuxième teneur intermédiaire en NO et une deuxième teneur intermédiaire en NO2;
    • on chauffe en atmosphère oxydante un résidu dudit échantillon issu de ladite chauffe en atmosphère inerte entre une quatrième température (T4) comprise entre 50 et 300°C et une cinquième température (T5) supérieure ou égale à 850°C, en suivant une seconde séquence de températures, on mesure en continu au moins une quantité de NO et une quantité de NO2libérées pendant ladite chauffe en atmosphère oxydante dudit résidu et on en déduit une troisième teneur intermédiaire en NO et une troisième teneur intermédiaire en NO2;
    et en ce qu’on détermine au moins une teneur en azote total présent dans ledit échantillon à partir de la somme desdites teneurs en NH3, en N2O, en N2, desdites première, deuxième et troisième teneurs intermédiaires en NO et desdites première, deuxième et troisième teneurs intermédiaires en NO2.
  7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite première séquence de températures comprend un premier palier isotherme (A), d’une première durée prédéterminée, à ladite première température (T1) et un deuxième palier isotherme (C), d’une deuxième durée prédéterminée, à ladite deuxième température (T2), lesdits premier et deuxième paliers isothermes étant reliés entre eux par un premier gradient thermique (B).
  8. Procédé selon l’une des revendications 6 à 7, dans lequel ladite seconde séquence de températures comprend un troisième palier isotherme (D), d’une troisième durée prédéterminée, à ladite quatrième température (T4) et un quatrième palier isotherme (F), d’une quatrième durée prédéterminée, à ladite cinquième température (T5), lesdits troisième et quatrième paliers isothermes étant reliés entre eux par un deuxième gradient thermique (E).
  9. Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel lesdites première et/ou deuxième et/ou troisième et/ou quatrième durée prédéterminées sont comprises entre 1 et 10 minutes, et lesdits premier et/ou deuxième gradients thermiques sont compris entre 15°C/min et 40°C/min.
  10. Procédé selon l’une des revendications 6 à 9, dans lequel ledit procédé est mis en œuvre au moyen du dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
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