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Déchets, Sciences & Techniques

N°83


Validation d’une méthode de valorisation matière et énergie des huiles de vidange


Mbomen Mbomen Louis Merlin, Nanfack-Minkeu Ferdinand, Nangue Mbomen Raoul, Teponno Rémy Bertrand et Kagou Dongmo Armand

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Résumé

Au Cameroun, plus de 25 200 tonnes d’huiles de vidange sont gérées annuellement par des méthodes non réglementaires comme par exemple la combustion en foyers non adaptés, voire le rejet direct dans le milieu naturel. Or, ces huiles sont classées parmi les déchets dangereux tant pour l’homme que pour tous les compartiments de l’environnement. Ce travail a pour objectif la valorisation matière et énergie en chaudière de ces huiles par une méthode combinant l’action des sels fondus, distillation sous pression réduite et traitement sur terre absorbante activée (ASFDPRTTA). Il s’agit d’un enchainement de techniques chimiques simples dans des conditions opératoires particulières pour un résultat tout aussi particulier. L’huile usée, traitée par cette méthode, fournit un combustible (écofuel) avec des taux de polluants extrêmement réduits respectant les normes en vigueur. D’autre part, ce combustible présente des caractéristiques physico-chimiques très proches de celles du gazole, permettant son utilisation directe sans restriction dans une chaudière à gazole. Ce combustible a également été utilisé comme base pour la régénération d’un lubrifiant nouveau (envilub) moyennant l’ajout d’additifs dans des proportions convenablement choisies. Notre méthode à moindre coût, utilisant des équipements simples, peut être mise en œuvre par des personnes sans qualification spécifique, associant ainsi la création d’emploi et la préservation de l’environnement.

Abstract

More than 22,500 tons per year of waste lubricating oil are non-regulatory managed in Cameroon. They are burned in very dangerous conditions when they are not simply dumped in nature. Yet, these wastes are classified as very dangerous for human-beings. The aim of this work is to promote safer methods of disposal of waste lubricating oil in Cameroon by stressing on materials recovery and energetic valorisation in a steam boiler. A combined method of action of melted salt, distillation under low pressure and treatment on activated adsorbed earth (ASFDPRTTA) is efficacious for the task. The oil, treated by this method strips it of polluting chemical in order to obtain a fuel (ecofuel) meeting up the energetic and environmental expectations as required by standards. On the other hand, the fuel presents physicochemical features nearest to the ones of gasoil so that it has been used in a gasoil steam boiler without risk. Also, the fuel served as a base for the regeneration of a new lubricant (envilub) by adding additives in suitably chosen proportions. Our method is using a low cost investment, simple equipment at the point where inexperienced staff with a minimum of training can master it. It also permits job employment opportunities as well as environmental preservation.

Entrées d'index

Mots-clés : huiles de vidange, combustible, lubrifiant

Keywords: used oil, fuel, lubricant

Texte intégral

Introduction

La production nationale des huiles usagées au Cameroun est estimée à 70 000 tonnes par an. Actuellement, 64 % font l’objet de régénération par des entreprises agréées (MINEP, 2008). Le reste, soit environ 25 200 tonnes par an, sont gérées par des méthodes non réglementaires voire illégales telles que la combustion en foyers non adaptés ou même le rejet direct dans le milieu naturel. Or, l’huile de vidange usagée non traitée est un déchet dangereux pour l’Homme, l’eau, le sol, la faune et la flore. Les huiles usagées sont très peu biodégradables ; leur rejet dans l’environnement est donc dangereux pour les systèmes naturels. Ces huiles usées déversées dans l’environnement contribuent à augmenter la pollution des eaux, l’incidence des cancers et une destruction de certains biotopes via leur persistance et bioaccumulation (Yildiz et al., 2019 ; Jackson et Nathanail, 2018).

La technologie Phillips Re-refined Oil Process (PROP), propose un procédé de traitement des huiles usagées impliquant une démétallisation, puis une filtration suivie d’une distillation sous vide et d’une hydrogénation. Malheureusement, le constat est que le traitement du résidu par hydrogénation et le coût d’investissement global des équipements et réactifs s’avèrent très élevés (Kajdas, 2014). D’autres procédés de régénération des huiles usagées utilisent un traitement à l’acide sulfurique dont l’élimination des quantités importantes de résidus acides générés peut présenter des risques environnementaux. De plus, l’acide sulfurique est un acide fort, très corrosif et irritant dont l’utilisation nécessite des précautions particulières (Fall et al., 2016 ; Flammiger et Maibach, 2006). La distillation à température élevée (T°>300°C) est également utilisée pour régénérer du gazole à partir des huiles usagées de moteurs ou d’huiles de pyrolyse des plastiques (Orpa et al., 2010 ; Khan et al., 2016 ; Maceiras et al., 2017). L’ajout de certains additifs tels que le carbonate de sodium (Na2CO3) et l’oxyde de calcium (CaO) en proportions spécifiques peut permettre d’améliorer la qualité des produits issus de la pyrolyse (Orpa et al., 2010 ; Maceiras et al., 2017).

L’objectif de la présente étude est d’évaluer une solution à moindre coût pour la gestion des huiles de moteur usagées dans des conditions respectueuses de l’environnement. L’approche suivie est basée sur la méthode ASFDPRTTA (Action des Sels Fondus, Distillation sous Pression Réduite, Traitement sur Terre Adsorbante Activée). Elle vise à convertir les huiles usagées en un combustible calibré (écofuel) qui en outre sert de base à la régénération d’un lubrifiant (envilub).

1. Matériels et méthodes

1.1 Traitement des huiles par la méthode ASFDPRTTA

Elle comporte trois étapes : l’action des sels fondus, la distillation sous pression réduite et le traitement sur terre adsorbante activée.

1.1.1 Action des sels fondus

L’huile usée collectée après avoir été préalablement filtrée à 150 µm pour éliminer les particules solides de taille supérieure, a été soumise à l’action des sels fondus. L’eutectique Na2CO3-NaOH a été choisi et utilisé dans les proportions suivantes : 1 kg d’huile usagée pour 0,2 Kg de sels fondus. Le mélange a été ensuite agité pendant cinq minutes puis placé dans une étuve à la température de 125oC à la pression de 1 atm (1,013.105 Pa) pendant trente minutes. Les huiles sont ensuite refroidies à 15oC sous pression constante en quinze minutes. Une masse morte se forme au fond du milieu réactionnel qui est récupérée par décantation et filtration à 75 µm. Le liquide obtenu ici est ainsi débarrassé d’une part importante des oxydes métalliques, de carbone et de soufre qui se retrouvent fixés sous forme de précipités dans la masse morte. Un volume final de 6,8 L d’huile est finalement récupéré à partir d’un volume initial de 7 L.

1.1.2 Distillation sous pression réduite

L’huile de vidange obtenue après traitement aux sels fondus est ensuite soumise à une distillation sous pression réduite dans un distillateur muni d’une pompe à vide et équipé pour le suivi de la pression et de la température à l’intérieur du réacteur. La pression mesurée à l’intérieur du distillateur est de 0,303.105 Pa. La température a été fixée à 210oC. De la pierre ponce a été utilisée pour réguler l’ébullition de l’huile. Le traitement permet en 2 heures de récupérer 6,65 L d’huile distillée à partir d’un volume initial de 6,8 L.

1.1.3 Traitement sur terre adsorbante activée

Le traitement utilise de la montmorillonite préalablement activée thermo chimiquement dans le but de décolorer, déodoriser et stabiliser les huiles distillées. Il est réalisé en faisant percoler l’huile gravitairement sur une colonne remplie d’un lit fixe d’adsorbant, équipée d’un robinet de sortie protégé par un filtre. L’huile récupérée en sortie de colonne correspond au combustible nommé écofuel.

1.1.4 Analyse de l’huile traitée

Des analyses élémentaires du combustible écofuel ont été effectuées suivant les normes ASTM (American Society for Testing and Materials) en parallèle au Laboratoire d’Analyse des Sols et de Chimie de l’Environnement de la FASA4 à l’Université de Dschang et à l’Institut pour la Recherche Géologique et Minière du MINRESI5 à Yaoundé.

Les analyses supplémentaires et les essais ont été effectués au Laboratoire Biopharma à Douala. L’acidité totale a été déterminée à l’aide d’un titreur automatique de marque ‘Mettler Toledo’. La densité a été déterminée à l’aide d’un densimètre automatique de marque ‘KYOTO DA-645’. La viscosité a été déterminée à l’aide d’un viscosimètre de marque ‘Scavini’. Le point d’éclair a été déterminé par la méthode Pensky-Martens à l’aide d’un thermomètre de précision. Le point d’écoulement a été déterminé à partir de la ‘tiltmethod’ ou méthode d’inclinaison après refroidissement des échantillons dans un congélateur de marque ‘Wescool’ et mesure de la température à l’aide d’un thermomètre de précision. Les sulfates ont été déterminés par gravimétrie après précipitation sous forme de sulfate de baryum par ajout de 10 % de chlorure de baryum. L’arsenic, le plomb, le cadmium, le phosphore et l’azote ont été déterminés par lecture directe à l’aide d’un spectrophotomètre d’absorption atomique (SAA) de marque ‘Rayleigh 130B’. Le pouvoir calorifique a été déterminé à l’aide d’une bombe calorifique (calorimètre) de 300 ml. Les halogènes ont été déterminés par chromatographie ionique après combustion.

1.2 Obtention du lubrifiant envilub

Les lubrifiants peuvent être obtenus à partir des huiles par des procédés variés (Uhler et al., 2016). Le marché est assez développé en Afrique de l’Est et de l’Ouest et embryonnaire en Afrique centrale. Ces raisons nous ont poussés à utiliser écofuel pour obtenir un lubrifiant. Les réactifs, pesés sur une balance de précision KERN, sont introduits dans un mélangeur de type VSM 1000 VIK-JV dans les proportions suivantes : l’huile traitée (écofuel) 84 %, améliorant de viscosité (polyisobutylène) 6 %, additifs multifonctions (dispersant, abaissant de point d’écoulement, améliorant de viscosité) 5 %, détergent (sulfonate de baryum et de calcium) 4 %, inhibiteur de détergent (dithiophosphate de dialkyle et zinc) 1 %. L’homogénéisation s’effectue pendant cinq à dix minutes à la pression de 1,013.105 Pa et à la température de 25oC.

2. Résultats et discussion

2.1 Valorisation énergétique

La méthode ASFDPRTTA utilisée pour le traitement des huiles de moteur usagées a permis d’obtenir, avec un rendement de 93 % en volume, une huile claire (figure 1) dont les caractéristiques physico-chimiques ont été résumées dans le tableau 1 en comparaison à celles du gazole. Sa masse volumique est de 840 kg/m3 à 40oC, son indice de cétane est compris entre 47 et 50 et sa viscosité à 40oC se situe entre 4 mm2/s et 6 mm2/s. Ces valeurs sont proches de celles du gazole. Son PCI volumique à 20oC est de 48200 kJ/L supérieur à celui du gazole à la même température. La teneur en soufre est inférieure à celle du gazole.

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Figure 1. Aspect de l’huile de vidange avant traitement (à gauche), après traitement aux sels fondus et distillation sous pression réduite (centre) et à l’issue du traitement complet (à droite)

Tableau 1. Comparaison des caractéristiques d’écofuel et du gazole (Comfort, 2009)

Caractéristiques

Gazole

écofuel

Masse volumique (kg/m3, à 40°C)

830

840

Viscosité à 40°C (mm2/s)

3, 5

4 , 6

Indice de cétane

49, 52

47, 50

PCI Massique à 20°C (KJ/kg)

42300

/

PCI Volumique à 20°C (KJ/L)

35000

48200

Point de trouble en °C

-5

-8

Teneur en soufre (mg/kg)

10

0,48

Le tableau 2 présente les résultats des analyses complémentaires et permet de comparer le combustible écofuel (huile traitée) à l’huile usagée de départ et aux seuils limites à respecter pour utiliser les huiles usagées comme combustible utilisés au Québec (Bourque, 2010).

Tableau 2. Résultats de l’analyse des polluants du combustible produit (écofuel)

Caractéristiques

Unités

Huile de vidange brute

Huile de vidange

traitée (écofuel)

Limites Québecoises

(Bourque, 2010)

Couleur

Noire

Claire

Densité à 60°C

Kg /m3

886

812

Arsenic

Ppm

5233

05,73

5

Cadmium

Ppm

1071

0,70

2

Chrome

Ppm

19

0,003

10

Plomb

Ppm

1210

15,36

50

Halogènes totaux

 %vol

5420

4,94

1000

PCB

Ppm

1995

0,985

3

Eau

 %vol

10

< 0,0001

20

Soufre

 % poids

1,5

0,48

1,5

Point d’éclair

°C

295

220

≥38

Pouvoir calorifique

KJ/L

/

48200

≥18500

Point découlement

°C

-15

-8

Acidité totale

gNaOH/L

/

0,112

pH

/

7,2

Azote total

Ppm

1 535

375

Chlore

Ppm

830

20

Phosphore

Ppm

1 740

15

Le tableau 2 montre que l’huile traitée présente des caractéristiques analytiques respectant la norme Québécoise, à l’exception du taux d’arsenic qui s’avère légèrement supérieur au seuil. Sur la base de ces analyses, on peut donc conclure que le combustible écofuel est utilisable comme carburant dans une chaudière à vapeur. Les concentrations des éléments dont les taux sont proches des seuils limites peuvent être réduites en optimisant l’action des sels fondus.

Les résultats d’analyse étant encourageants, la combustion du combustible écofuel a été étudiée dans la chaudière à vapeur au gazole de l’entreprise « Les Laboratoires Biopharma » basée à Douala, Cameroun. Les essais préliminaires ont permis d’enclencher et de maintenir la flamme de la chaudière de manière stable lorsque le brûleur a été alimenté par écofuel. Des études complémentaires devront confirmer ces résultats dans la durée et analyser les fumées émises pour conclure sur l’absence de risques environnementaux ou sanitaires.

2.2 Valorisation matière : le lubrifiant envilub

Les caractéristiques analysées du lubrifiant envilub généré à partir de l’huile traitée sont regroupées au tableau 3 où elles sont comparées à celles de l’huile usée de départ et à celle d’une huile vierge disponible sur le marché.

Tableau 3. Propriétés physiques du lubrifiant envilub

Caractéristiques

Huile vierge commerciale (sae20w50)

Huile de vidange

Huile traitée (envilub)

Viscosité (mm2/s) à 40°C

150,5

123

140

Viscosité (mm2/s) à 100°C

21

13,8

20,9

Indice de viscosité

131

107

141

Point d’écoulement (°C)

-9

-13

-8

Point d’éclair (°C)

240

150

225

Densité

0,845

0,892

0,856

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Figure 2. Aspect du lubrifiant envilub

La viscosité détermine les caractéristiques d’écoulement d’un fluide. La viscosité d’un lubrifiant conditionne ainsi l’épaisseur de la couche d’huile entre les surfaces métalliques en mouvement l’une contre l’autre. La viscosité d’un bon lubrifiant doit peu varier avec le temps. En général, une huile est considérée comme inutilisable si sa viscosité initiale augmente ou diminue considérablement lors de son usage. Une diminution de la viscosité peut être causée par la dilution avec du carburant léger ou une perte d’additif (Mazouzi et al, 2014). Une augmentation de la viscosité est associée à l’oxydation, la nitration, la présence des polluants ainsi qu’aux périodes prolongées entre les vidanges (Mazouzi et al, 2014). L’examen du tableau 3 montre une diminution de la viscosité cinématique de l’huile usagée par rapport à celle de l’huile neuve. Cependant, le traitement a pu restaurer partiellement cette viscosité.

L’indice de viscosité quant à lui est une caractéristique utilisée pour indiquer les variations de la viscosité des huiles lubrifiantes en fonction de la température (eni, 2012). Plus l’indice de viscosité est élevé, moins la viscosité varie avec la température. Le tableau 3 montre que l’indice de viscosité de l’huile usée est inférieur à celui de l’huile neuve. Il y a probablement eu une dégradation du polymère, par cisaillement mécanique, ou par coupure thermique ou thermo-oxydante (Denis et al, 1997). L’indice de viscosité de l’huile traitée (envilub) est comparable à celui d’une huile neuve.

Le point d’écoulement est une caractéristique d’intérêt particulier, lorsque l’huile fonctionne dans des conditions relativement froides. On constate que l’huile de lubrification usagée à un point d’écoulement moins élevé par rapport à celui de l’huile neuve, probablement à cause de la dégradation des additifs dans l’huile de lubrification (Mazouzi et al, 2014). Celui du lubrifiant envilub est proche de celui de l’huile commerciale. Le traitement réalisé s’avère donc efficace.

Le Point d’éclair est la température la plus basse à laquelle un mélange huile-vapeur-air devient inflammable. Ce paramètre doit être bien calibré pour éviter que le lubrifiant ne s’enflamme sous l’effet de la chaleur du moteur et n’endommage sérieusement ce dernier. Le point d’éclair est de 240°C pour l’huile neuve, 150°C pour l’huile usagée et 225°C pour l’huile traitée. Le traitement a donc permis de restaurer le point d’éclair presque à l’initial. La diminution de la valeur du point d’éclair de l’huile usagée pourrait être le résultat de la présence des fractions légères d’huile. En subissant la combustion et l’oxydation à haute température dans un moteur thermique, l’huile se décompose en effet en composants qui comprennent des fractions légères (Mazouzi et al, 2014).

La densité a un rôle capital en contrôle qualité. La comparaison de la densité d’une huile usagée avec celle de l’huile neuve permet de détecter d’éventuelles pollutions. Les résultats pour l’huile lubrifiante neuve et usée sont 0,845 et 0,892 respectivement, tandis que celle de l’huile régénérée est 0,856. Ce résultat confirme la bonne efficacité du traitement réalisé. La densité d’une huile usée peut être inférieure ou supérieure à celle de l’huile vierge de départ selon la nature des altérations subies. Si l’huile utilisée était contaminée en raison de la dilution du carburant et/ou de l’eau en provenance du lieu de la combustion du carburant dans le moteur ou une contamination accidentelle par la pluie, sa densité sera inférieure à celle de son huile de lubrification fraîche ou celle régénérée (Mazouzi et al, 2014).

2.3 Discussion générale

Les techniques existantes de traitement des huiles de vidange comme la technologie acide/filtration ont un rendement moyen et génèrent des déchets de terres acides considérés comme dangereux (Audibert, 2003). La technologie MEINKEN, malgré son faible coût d’investissement et de fonctionnement, présente un bon rendement mais le combustible produit est très acide ce qui provoque des problèmes de corrosion. La technologie PROP présente un rendement de 90 % mais son inconvénient est le coût d’investissement très élevé. La technologie Recyclon utilise une triple distillation simple ce qui est très énergivore (Audibert, 2003).

Nous avons au cours de ce travail utilisé la méthode ASFDPRTTA, un enchainement ordonné de techniques chimiques simples conduites dans des conditions physicochimiques particulières. Par ces techniques nous avons pu obtenir un rendement élevé de 93 %. Le coût d’investissement est faible et la consommation énergétique également grâce à la distillation sous pression réduite qui est largement moins énergivore que la distillation simple. La dépollution en trois étapes permet de réduire considérablement les taux de polluants dans le combustible. Les taux de PCB et de soufre sont respectivement de 0,985ppm et de 0,48 %. Ils sont extrêmement faibles comparés aux résultats de la méthode acide ou de la technologie recyclon. Le combustible produit est non acide et utilisable en chaudière au regard des résultats de l’analyse des polluants. Toutefois, les taux d’arsenic, d’azote et de chlore dans le combustible sont des points à améliorer tout comme l’odeur lors de la combustion.

Conclusion

L’huile usagée traitée par la méthode ASFDPRTTA produit d’une part un combustible répondant aux normes environnementales, dont le pouvoir calorifique volumique est supérieur à celui du gazole, dont l’analyse révèle qu’il pourrait être utilisé seul sans restriction dans une chaudière à vapeur. D’autre part, ce combustible peut être utilisé comme base pour la synthèse d’un lubrifiant aux caractéristiques très proches de celles des lubrifiants conventionnels retrouvés sur le marché.

Le processus de traitement des huiles usagées génère généralement d’une part des bitumes ou cokes qui peuvent être valorisés en techniques routière et d’autre part de l’argile saturée dont le traitement, s’il s’avère nécessaire, ne pourrait probablement se faire que par combustion. Globalement, la méthode de traitement utilisée s’avère efficace puisqu’elle permet de générer avec un très bon rendement un combustible respectant les normes. Les tests préliminaires en chaudière sont encourageants mais doivent être approfondis. En ce qui concerne le lubrifiant que l’on peut en tirer, la méthode permet de régénérer la viscosité de l’huile à 99,5 %, le point d’éclair à 93 % et le point d’écoulement à 88,8 %.

Elle présente tout de même des limites car le taux d’arsenic est légèrement supérieur aux seuils limites considérés et les taux d’azote total et de chlore sont également relativement élevés. Des améliorations peuvent cependant être apportées, qui font l’objet de nos travaux en cours, visant à réduire les impacts potentiels sur les phénomènes de pluies acides lors des combustions.

Nous remercions infiniment les structures suivantes :
Le laboratoire d’analyse des sols et de chimie de l’environnement de la FASA4(Faculté d’Agronomie et des Sciences Agricoles) de l’université de Dschang au Cameroun pour avoir analysé nos échantillons et permis que nous utilisions certains de leurs matériels ;
L’Institut National pour la Recherche Géologique et Minière du Ministère de la Recherche Scientifique et de l’Innovation du Cameroun pour avoir accepté d’évaluer certains paramètres physiques de notre combustible ;
L’entreprise les Laboratoires Biopharma Cameroun pour avoir accepté que nous expérimentions notre combustible dans sa chaudière à vapeur ;
La Faculté d’Agronomie et des Sciences Agricoles (FASA) ;
Le Ministère de la Recherche Scientifique et de l’Innovation (MINRESI).
Nous tenons également à remercier infiniment les lecteurs anonymes pour les critiques et suggestions pertinentes qui ont permis d’augmenter la qualité de cet article.

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Pour citer ce document

Référence électronique : Mbomen Mbomen Louis Merlin, Nanfack-Minkeu Ferdinand, Nangue Mbomen Raoul, Teponno Rémy Bertrand et Kagou Dongmo Armand « Validation d’une méthode de valorisation matière et énergie des huiles de vidange », Déchets sciences et techniques [En ligne], N°83, mis à jour le : 07/05/2020, URL : http://lodel.irevues.inist.fr/dechets-sciences-techniques/index.php?id=4244, https://doi.org/10.4267/dechets-sciences-techniques.4244

Auteur(s)

Mbomen Mbomen Louis Merlin

Faculté des Sciences Université de Dschang, BP 67, Dschang, Cameroun
mbomen(at)yahoo.fr

Nanfack-Minkeu Ferdinand

Faculté des Sciences, Département de Biochimie, Université de Yaoundé I, BP : 812 Yaoundé, Cameroun

Nangue Mbomen Raoul

Les Laboratoires Biopharma, BP : 1674, Douala, Cameroun

Teponno Rémy Bertrand

Faculté des Sciences Université de Dschang, BP 67, Dschang, Cameroun

Kagou Dongmo Armand

Faculté des Sciences Université de Dschang, BP 67, Dschang, Cameroun