Les algocarburants, la promesse énergétique attendue ?
Un TPE de Yoann Launay, Lucas Jousseaume et Elyes Zribi.
(2) De l'huile au au biocarburant ; L'exemple de la transestérification
(A) Explications
C'est le procédé classique qui permet de transformer une huile en un biodiesel. Elle se caractérise par le mélange d'huile, en l'occurrence pour nous l'huile de nos micro-algues, avec un alcool (l'éthanol ou le méthanol) en présence d'un catalyseur (hydroxyde de potassium ou potassium). On obtient un biodiesel et de la glycérine. La transformation de cette huile en esther éthilique ou méthilique réduit d'un tiers la masse moléculaire de l'huile, mais aussi sa viscosité d'un facteur 8. L'augmentation de la volatilité et la baisse de la densité sont aussi à prévoir. Ces propriétés obtenues sont très similaires à celle d'un diesel classique. Le biodiesel obtenue peut être ajouté au gazole classique à hauteur d'environ 10% du volume.
Cette transformation chimique peut s'écrire sous la formule :
(B) Expérimentation
Cette transformation est donc l'aboutissement de notre tpe et se concrétise par la fabrication d'un biodiesel. Notre quantité d'huile obtenue étant particulièrement faible (3,5 mL), notre tentative de transestérification a échouée. Et de ce fait nous avons décidé de réaliser cette transformation à partir d'huile de colza. Voici donc le déroulé de l'expérience...
Tout d'abord nous avons fabriqué une solution de soude alcoolique. Pour cela nous avons mélangé 0,90 d'hydroxyde de sodium en pastille dans 50 mL d'éthanol absolu puis le tout a été chauffé et agité pendant 45 min. Ensuite nous avons introduit 100 mL d'huile de colza avec 50 mL de notre soude alcoolique préalablement réalisée dans un ballon de 250 mL. Le ballon a été placé sur un système de chauffage à reflux avec un système d'agitation magnétique puissant pendant 45 min à nouveau.
Notre montage
Une fois le chauffage terminé, on refroidit le ballon dans un bac d'eau glacée pour gagner du temps et on verse le contenu dans une ampoule à décanter de 250 mL. On mesure le pH de la solution, on remarque qu'il est d'environ 7,5 et donc on ajoute quelques gouttes d'acide chlorhydrique pour que celui-ci avoisine 6.
Aspect du produit pendant le chauffage et l'agitation magnétique
On ajoute aussi de l'eau salée, environ 30mL, pour que le glycérol qui est plus soluble dans l'eau salée se sépare du biodiesel car en effet comme précédemment expliqué cette transformation génère un ester en l’occurrence éthylique pour nous et du glycérol. Ce procédé devrait donc en théorie permettre d'éliminer le glycérol présent dans la solution avec notre ester.
Après agitation
Après ajout de chlorure de sodium (eau salée) (NaCl), agitation avec dégazage et repos, il se forme 2 phases : l'une aqueuse et l'autre organique. On extrait la phase organique supérieure, autrement dit celle qui nous intéresse et on conserve la phase aqueuse pour plus tard.
Notre Hydrodistillation ; voir procédé antérieurement
Nous obtenons donc ce qui pourrait être un biocarburant mais nous décidons de le purifier pour éliminer des substances autres que notre ester présentes dans la phase organique tel que l'éthanol.
Pour cela nous réalisons une hydrodistillation. La température de l'éthanol étant d'environ 80°C, celui-ci devrait s'évaporer et retomber dans l'erlenmeyer et ainsi il nous resterait uniquement notre ester éthylique de colza (EEC). On place un thermomètre pour mesurer la température. Une fois à 80°C, on diminue le chauffage de façon à ce que soit uniquement l'éthanol qui s'évapore.
Après 15 min, on obtient notre biodiesel, celui-ci est liquide et au fond il y a un solide blanc indéterminé. En refroidissant, il se solidifie et devient similaire à de la gelée :
Démonstration de viscosité du produit obtenu
(C) Identification
On décide de mesurer sa densité. Pour cela, on le verse dans une éprouvette graduée et on calcule son volume et sa masse. On reproduit la même manipulation avec l'huile de colza utilisée au tout début qui n'a subie aucune transformation.
Masse volumique EEC = Masse (en g)/Volume (en cm³) = 90,03/99,0 = 0,909g/cm3
Donc densité EEC = 0,909
Masse volumique huile de colza= Masse (en g)/Volume (en cm³) = 91,12/100 = 0,911g/cm3
Donc densité huile de colza = 0,911.
Nous avons donc bien un biodiesel car la densité a diminuée certes mais très peu.
De plus on choisit de mettre en évidence la présence, retrouver, le glycérol qui est l'autre produit de la transestérification car l'identification d'un biocarburant est trop compliquée à réaliser au lycée. Pour cela, on réalisera un test d'identification rapide puis une chromatographie sur couche mince (CCM).
Test d'identification 1 :
On sait que le glycérol en présence d'une solution de soude et d'ions Cu2+, donne un précipité indigo qui se différencie du précipité d'hydroxyde de cuivre II Cu(OH)2 que l'on observe quand on met en contact la solution de soude et la solution contenant les ions Cu2+.
On décide donc d'utiliser 4 tubes à essais pour mettre en évidence sa synthèse (photo ci-dessous) :
-Tube à essai 1 : Il est composé de 1 mL d'eau distillée, de quelques gouttes d'une solution de soude et de quelques gouttes d'une solution de sulfate de cuivre. C'est le tube témoin.
-Tube à essai 2 : Il est composé de 1 mL de notre phase aqueuse que nous avions préalablement récupérée lors de notre décantation puis nous y avons ajouté quelques gouttes d'une solution de soude et quelques gouttes d'une solution de sulfate de cuivre.
-Tube à essai 3 : On répète l'opération avec de l'huile de colza.
-Tube à essai 4 : Pour vérifier si tout le glycérol a été éliminé de notre biocarburant, on reproduit le test avec notre ester après purification.
On agite les tubes.
On observe que le tube 1 et 3 n'ont pas de précipité indigo contrairement au tube à essai 2 et 4. On conclut que notre transestérification a bien eu lieu car en effet il n'y avait pas de glycérol au départ (tube 3) mais qu'il y en a à la fin (tube 2) . Malheureusement, on s'aperçoit aussi qu'il reste du glycérol dans notre biocarburant (tube 4). Il ne sait pas séparé entièrement de notre ester lors de notre chauffage à reflux car celui-ci n'a pas pu s'évaporer lors de notre hydrodistillation due à une température insuffisante (<290°C). Notre biodiesel n'est donc pas constituée uniquement d'EEC.
Test d'identification 2 :
Chromatographie sur couche mince
Tout d'abord on verse dans une cuve 10 mL d'éluant qui est constitué à 90 % de butanol, à 9 % d'eau distillée et à 1 % d'acide acétique glacial. Puis on sature la cuve en vapeur de l'éluant à l'aide d'une bande de papier filtre posée contre la paroi. Ensuite on trace une ligne de dépôt sur une plaque avec gel de silice à 1 cm du bord. On trace 3 points, sur lesquels on dépose avec un capillaire 3 gouttes des solutions suivantes. A : ester purifié. B : produit de synthèse. C : glycérol de référence On met la plaque de façon vertical dans la cuve. - Après 30 min, l'éluant atteint les 2/3 de la plaque, on décide donc de la sortir. On la sèche à l'aide d'un sèche-cheveux. Puis on la trempe dans une solution de permanganate de potassium (KMnO4). Enfin on la pose sur du papier absorbant. (Voir photo ci-dessous) On observe que 2 taches jaunes correspondant au B et C qui sont donc composé de glycérol et on aperçoit le début d'une tache au niveau du A ce qui met à nouveau en évidence le fait qu'il reste encore du glycérol dans notre biodiesel.
Test d'identification 3 :
On réalise un dernier test qui a pour but de mettre en évidence la synthèse de notre biocarburant : un test d'inflammabilité. Pour cela, on verse quelques gouttes de notre biocarburant sur du coton puis on l'enflamme. Celui-ci prend feu instantanément. On réalise la même expérience sans biocarburant et on s'aperçoit que le coton ne s'enflamme pas :
Toutes ces étapes nous ont permises de synthétiser en partie un biodiesel. Le fait qu'il ne soit pas complètement liquide peut être dû à plusieurs facteurs :
- le glycérol présent dans notre biocarburant
- peut être le biocarburant est-il pâteux car dans les stations essences le diesel est chaud et ce n'est qu'en se refroidissant qu'il s'est solidifié.
- ici nous obtenons un biodiesel pur or dans le diesel commercialisé de nombreux additifs sont ajoutés qui pour certains ont peut être pour but de le fusionner.
Mais notre expérience montre combien il est long et difficile de transformer une huile en un biocarburant.