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Production de l’hydrogène par un procédé d’électrosynthèse microbienne (ESM).

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Benkaraache, Ahmed (2017). Production de l’hydrogène par un procédé d’électrosynthèse microbienne (ESM). Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 77 p.

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Résumé

De nos jours, des solutions alternatives et durables sont proposées en remplacement des énergies fossiles. L’hydrogène, qui constitue une source énergétique d’avenir, est produit seulement à (4%) par électrolyse et essentiellement par reformage de combustibles fossiles (95%) (IFP-institut français de pétrole). Une technique reconnue pour ses émissions en gaz à effet de serre (GES) durant le processus de production. Des filières de production plus soucieuses de l’environnement doivent donc être envisagées. La cellule d’électrosynthèse microbienne (ESM) permet la réduction des GES en considérant les deux aspects suivants : le premier réside dans le processus de production de l’hydrogène lui-même et le deuxième réside dans le processus de combustion de l’hydrogène qui donne seulement de l’eau. La technologie des bioanodes permet l’oxydation de la biomasse en CO₂, avec libération des protons, des électrons et des bioproduits par l’intermédiaire d’un biofilm électro-actif. La réduction des protons en H₂ se fait à la cathode. Les travaux présentés dans ce manuscrit de mémoire ont pour but l’optimisation des performances de cette cellule d’électrosynthèse microbienne. L’architecture convenable aux électrodes était sélectionnée à partir de deux formes : une cellule parallélépipédique C1, avec une grande surface de membrane, donc plus de protons acheminés vers le compartiment cathodique et l’autre cellule cylindrique C2 (en forme de H) plus étanche et facile à manipuler. Même si la cellule C2 engendre une résistance plus importante à cause d’une surface moins importante de la membrane échangeuse de cations (MEC), elle reste la configuration la plus souvent utilisée. Le choix des électrodes (bioanode et cathode) était basé sur une étude voltampérométrique qui nous a permis de choisir la meilleure électrode de faible surtension de dégagement d’hydrogène. Pour des raisons du coût et d’affinité du biofilm avec l’anode, l’électrode en carbone était la plus apte pour une meilleure adhésion. Pour la cathode, nous avons testé plusieurs structures d’électrodes en graphite et en inox et différents taux de production en hydrogène ont été donc obtenus. En ce qui concerne les microorganismes, le milieu réactionnel favorable était préparé en faisant varier différents paramètres qui influencent l’activité bactérienne (ex. concentration en substrat et pourcentage d’inoculum) et ce, dans le but d’augmenter le taux de conversion de la matière organique en bio-hydrogène. Une pureté d’environ 95% en hydrogène était obtenue en imposant une tension de 5V, en utilisant une tige de graphite à la cathode, le feutre de carbone comme anode et une concentration de substrat de 10g/l de glucose en présence de 10% d’inoculum. Le taux maximal de la production en bio-H₂ enregistré est de 47 mmol/Litre de media et 6,7 mol H2/mol de glucose. Le taux journalier de production maximal en hydrogène en m³/m³ de volume utile du réacteur/jour est estimé à 1,1 m³/m³/jour.

Abstract

Today, alternative and sustainable solutions are proposed to replace fossil fuels. Hydrogen is an alternative energy source for the future. It can be produced by electrolysis (4%) and essentially by reforming fossil fuels (95%) (IFP-French Petroleum Institute). A technique that generates greenhouse gases (GHGs) during the production process. More environmentally-friendly production ways should therefore be considered. The microbial electrosynthesis cell (MEC) allows the reduction of GHGs by considering the following two aspects: the first one is due to the hydrogen production process itself and the second one is due to the combustion process of hydrogen. The bio-anode technology allows the oxidation of biomass into CO₂, with the release of protons, electrons and bio-products via an electroactive biofilm. The reduction of the protons to H₂ takes place at the cathode. The objective of this work is the optimization of the microbial electrosynthesis cell performance to produce Bio-H₂. The suitable architecture for the electrodes was selected from two forms: a parallelepipedic cell (C1), with a large membrane surface and more protons pass to the cathode compartment. The other one is cylindrical cell (C2) (H-shaped) easy to use and more waterproof. Even though cell (C2) generates a greater resistance due to a smaller surface area of the cation exchange membrane (CEM). It remains the configuration most often used. The choice of electrodes (bioanode and cathode) was based on a voltammetric study which allowed us to choose the best electrode with the low hydrogen overvoltage. For reasons of cost and affinity of the biofilm with the anode, the carbon electrode was the most suitable for a better adhesion. For the cathode, we tested several structures of graphite and stainless steel electrodes and different rates of hydrogen production were obtained. For the microorganisms, the favorable reaction medium was prepared by varying various parameters which influence the bacterial activity (e.g. concentration of substrate and percentage of inoculum) in order to increase the conversion rate of the organic matter to bio-H₂. A purity of about 95% hydrogen was obtained by imposing a voltage of 5 V, using a graphite rod at the cathode, carbon felt as viii an anode and a substrate concentration of 10 g/L of glucose in the presence of 10% of inoculum. The maximum bio-H2 production rate recorded was 47 mmol/L of media and 6,7 mol H2/mol of glucose. The maximum daily hydrogen production rate in m³ H₂/m³ of reactor liquid per day is estimated to 1,1 m³/ m³/day.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Drogui, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Mots-clés libres: hydrogène; rejets agroindustriels; électrosynthèse microbienne; ESM; production; récupération
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 janv. 2018 22:16
Dernière modification: 29 janv. 2018 22:16
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6645

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