Dans le cadre du développement durable, il est important d’augmenter le recyclage du phosphore (P) contenu dans les flux de déchets. L'industrie de la pâte de bois et du papier produit de grandes quantités de boues riches en nutriments, notamment le P. Des scientifiques suédois ont récemment publié une caractérisation détaillée des cendres* issues de la co-combustion d'écorces et de boues provenant d'une usine de papier. Leurs paramètres morphologiques et porosité ont été analysés par micro-tomographie à rayons X sur la ligne ANATOMIX. Les résultats de l’étude indiquent que les scories* pourraient être utilisées à des fins de fertilisation du sol, après avoir été préalablement broyées.
Le recyclage du phosphore contenu dans les flux de déchets à des fins de fertilisation pourrait contribuer à une démarche de développement durable. L'industrie de la pâte de bois et du papier génère plusieurs flux de déchets, par exemple des boues riches en nutriments sous différentes formes (phosphore mais aussi azote, potassium, oligoélements comme le magnésium, zinc, cuivre…). Cette étude vise à examiner les possibilités d'utilisation des fractions de cendres riches en nutriments provenant de la combustion d'écorces et de deux types de boues, qui sont des flux résiduels de l'industrie de la pâte à papier et du papier. Les performances de combustion ont été étudiées et des méthodes d'analyse avancées ont été utilisées pour caractériser les cendres, notamment pour évaluer leur morphologie, leur porosité, la distribution de la taille de leurs pores, leur surface active, leur composition chimique et les phases cristallines existantes.
Figure 1 : co-combustion d’écorces de bois et de boues issues de l’industrie
Il s'agit d'une collaboration entre le Laboratoire de Conversion de l'Energie Thermochimique du Département de physique appliquée et d'électronique (Université d'Umeå, Suède) et le Département des biomatériaux forestiers et de la technologie (Université suédoise des sciences agricoles). Les expériences de tomographie ont été réalisées en collaboration avec les scientifiques de la ligne de lumière ANATOMIX à SOLEIL.
Bien que des scories soient présentes dans toutes les expériences, leur proportion augmente avec la proportion de boues dans le mélange de combustibles. Les quantités de nutriments indiquent que les particules de scories issues de la combustion de mélanges de boues et d'écorces peuvent être utiles soit pour améliorer directement les sols, soit pour des processus de régénération.
L'évaluation des données de tomographie a montré que des pores distincts et ouverts pouvaient être distingués à l'échelle du micromètre. La porosité des scories variait entre 17 et 23 % pour les mélanges d'écorces et de boues. Le volume des pores ouverts a montré de grandes variations, 39-56% des pores étaient des pores ouverts connectés au volume environnant. Pour tous les échantillons, 90 % des pores étaient petits, avec un diamètre équivalent inférieur à 30 μm, mais le plus grand volume de pores était constitué de pores d'un diamètre supérieur à 75 μm. Dans les sols, les pores d'un diamètre supérieur à 30 μm laissent généralement passer l'eau alors que les pores plus petits la stockent.
Les parois des particules de scories sont relativement épaisses, avec peu d'ouvertures de pores vers l'extérieur.
Figure 2 : image de particule de scorie obtenue par microtomographie X sur ANATOMIX permettant de visualiser les pores de différentes tailles
L'analyse tomographique des paramètres morphologiques a été réalisée sur ANATOMIX. Une stratégie de mesure pour un type d'échantillon hétérogène contenant des régions fortement absorbantes (riches en Fe) et des régions riches en C absorbant très peu les rayons X a été développée en collaboration avec l’équipe de la ligne, y compris l'essai de différents détecteurs et distances de mesure afin d'obtenir des images claires de la microporosité.
Conclusions
La quantité de nutriments dans les scories provenant des expériences de combustion indique que les scories sont un matériau candidat pour des recherches ultérieures sur l'amélioration des sols. La morphologie des particules de scories a été analysée par micro-tomographie à rayons X et analyse d'images. La porosité et le volume des pores ouverts des scories ont montré une grande variation au sein d’un mélange de combustibles donné, mais aussi d’un mélange de combustibles à un autre, avec une porosité comprise entre 17 et 23 % pour les mélanges d'écorces et de boues et en moyenne 39-56 % de volume de pores ouverts. Il y a globalement un grand nombre de pores distincts par volume de particules ; les pores les plus nombreux ont un diamètre inférieur à 30 µm de diamètre, tandis que le plus grand volume de pores est constitué de pores de plus de 75 µm de diamètre. Dans l'ensemble, les particules de scories ont des parois relativement épaisses, avec des pores nombreux mais de petite taille et s’ouvrant peu vers l’extérieur. C’est pourquoi, avant de les ajouter dans le sol à des fins de fertilisation, il faudrait broyer les scories dans le but d'améliorer l'accès des racines aux nutriments qu’ils contiennent.
* Cendre/scorie : Ici, le terme général de « cendre » désigne un mélange de matériaux fins et poudreux (cendres) et de particules plus grosses, allant jusqu'à la taille d'un poing, provenant du système de combustion (scories). Les scories se forment lorsque la part de phase liquide dans les cendres totales est trop importante et que les petits grains individuels s’agglomèrent pour former un mélange de matières fondues et solides. Lorsque ce mélange se solidifie, on obtient des scories qui contiennent des cristallites de composés stables, des matières amorphes et des pores, vides.