216 - Le bois : la science d’aujourd’hui pour les matériaux de demain

La torréfaction présente une voie prometteuse de valorisation de surplus de copeaux de bois. Dans ce contexte, ce projet vise à évaluer le potentiel des copeaux torréfiés dans la production des granules énergétiques. Les effets de la température de torréfaction (315, 400 et 454 °C) et du type d’essences (pin gris, épinette noire et sapin baumier) sur les propriétés des granules ont été étudiés. Une caractérisation physico-chimique des fibres de bois brutes et torréfiées a été réalisée, à savoir la chimie de surface, l’analyse élémentaire et la composition chimique. La granulation a été faite en utilisant 20% de teneur en eau et 15% de la lignine pyrolytique. Les granules ont été caractérisés en termes du pouvoir calorifique supérieur (PCS) et de durabilité. Les résultats ont montré que la torréfaction sévère engendre la disparition des groupements hydroxyles (OH), la diminution des teneurs en oxygène et hydrogène et l’augmentation du taux de carbone. Quelle que soit la température de torréfaction, les granules à base de fibres du pin gris ont présenté la meilleure durabilité, d’une valeur supérieure à 91%. Indépendamment de l’essence, le PCS des granules de fibres torréfiées est nettement supérieur (27,6-31,1 MJ/kg) à celui des granules de fibres brutes (18-19 MJ/kg). Ainsi, l’utilisation de granules de bois torréfiés permettra de créer un combustible de haut pouvoir calorifique et d’assurer la diversité des approvisionnements énergétiques à faible empreinte environnementale.

De nos jours, la plupart des scieries sont confrontées à un problème du surplus de copeaux de bois. Pour pallier ce problème, ce travail vise une valorisation des copeaux de bois afin de fabriquer des granules énergétiques de haute qualité. Pour ce faire, trois essences sont utilisées: l’épinette noire, le pin gris et le sapin baumier. La consommation d’énergie électrique est mesurée lors de la granulation. Les effets des paramètres de granulation, à savoir l’humidité des sciures (15, 20 et 25%) et la granulométrie (1, 2 et 4mm) sont étudiés sur les propriétés des granules obtenus par défibrage mécanique. Ceux-ci sont caractérisés en termes de durabilité, du pouvoir calorifique supérieur (PCS) et de densité réelle. Les résultats montrent que le bois d’épinette noire nécessite plus d’énergie pour former des granules que les autres essences, et que la consommation électrique est inversement proportionnelle à la teneur en humidité. La durabilité augmente avec l’augmentation de l’humidité des sciures et la taille de particules. Les granules à base du pin gris présentent la durabilité la plus élevée (98,7%). Ils ont aussi le PCS le plus élevé (19,4 MJ/kg), suivie par ceux du sapin baumier (18,9 MJ/kg) et de l’épinette noire (18,5 MJ/kg). Indépendamment de la granulométrie, le PCS diminue avec l’augmentation de l’humidité du mélange. La production des biocombustibles représente une source d’énergie très intéressante autant sur le plan environnemental que sur le plan économique.

Dans sa Politique énergétique 2030, le gouvernement du Québec vise une augmentation de 50% de la production de la bioénergie par rapport à 2013. On y envisage la production de chaleur par combustion directe de la biomasse forestière en remplacement de carburants fossiles dans des bâtiments institutionnels et commerciaux. Cependant, une des barrières au déploiement de la biomasse forestière est la complexité, réelle ou perçue, des systèmes de bioénergie en termes de quantification des réductions d’émissions de GES. Cette étude développe un outil de diagnostic environnemental, économique et social de la bioénergie permettant d’évaluer la performance des projets potentiels en matière de réduction des émissions de GES tout en considérant l'aspect économique et social. L'étude caractérise les modèles types de chaînes de valeur de bioénergie forestière. Il en ressort qu’au Québec, on distingue les chaînes de valeur de bioénergie forestière de type IA : la production de chaleur est de 45% de l’apport d’énergie, type IB : la différence par rapport au type IA est que les bûches sont achetées au prix du marché, type II : la production de chaleur est de 75% de l’apport d’énergie et enfin le type III : les rendements sont de 25% pour l’électricité et 60% pour la production de chaleur. Les indicateurs comme la valeur ajoutée brute, le coûts de production ou encore l'emploi révèlent que l’utilisation de la bioénergie forestière a un impact positif sur la durabilité. 

En RDC, on retrouve des enjeux systémiques d’approvisionnement en énergie. Près de 91% de la consommation totale d’énergie provient de la biomasse forestière (bois-énergie). Les congolais utilisent le bois comme principale source d’énergie domestique afin de satisfaire des besoins fondamentaux, avec des méthodes de production, d’approvisionnement, de conversion peu efficaces et non durables. L’exploitation massive et régulière de la forêt du Congo pour l’approvisionnement en bois-énergie engendre les impacts.

L'objectif est d’analyser les enjeux environnementaux, techniques, politiques, les aspects de gouvernance environnementale et de développement durable liés à la production et à l’utilisation du bois-énergie en RDC, pour favoriser la transition énergétique vers des formes d’utilisation modernes et durables de la bioénergie. Pour ce faire, nous utiliserons la grille d’analyse de la durabilité de la bioénergie du Partenariat mondial de la bioénergie qui est composée de 24 critères de durabilité cadrant avec les piliers de développement durable. Elle permet d’établir un diagnostic des systèmes de bioénergie, d’identifier les forces et les faiblesses de ces systèmes pour ensuite faire des recommandations et orienter la prise de décision. L’analyse identifie les facteurs favorisant une transition énergétique vers des formes modernes et durables d’utilisation de la biomasse forestière, en vue de la mise sur pied des nouvelles stratégies et politiques énergétiques en RDC.

La sécurité incendie des toits verts a toujours été un sujet de préoccupation. La raison est que les plantes et la matière organique du sol présentent une charge combustible additionnelle qui peut contribuer à la propagation du feu. Les réglementations de sécurité incendie sont parfois trop strictes, comme, par exemple au Québec, l’interdiction d’installation sur les bâtiments combustibles. Cela limite les possibilités de conception et empêche ainsi une utilisation généralisée et le développement de ces systèmes.

L'objectif principal du projet est d'approfondir les connaissances sur les toits verts en termes de la sécurité incendie. Tout d’abord, évaluer la charge combustible d’un assemblage de toit vert. Différents types de substrat dans différentes conditions d'humidité sont testés afin d'évaluer leurs caractéristiques d'inflammabilité. Deuxièmement, analyser la propagation du feu à travers d’un toit vert par la simulation numérique. Les paramètres thermiques du substrat de croissance nécessaires pour la simulation ont été déterminés en fonction de la température par une série d'essais et les calculs. Enfin, l'analyse du transfert thermique est effectuée en utilisant la méthode des éléments finis pour différents assemblages. Cela montre l'évolution de la température dans un assemblage dans les hautes températures.

Les toits verts ne présentent pas un risque d'incendie, et le substrat dans le feu agit comme une isolation protégeant la structure du toit.

Le bois est un matériau de construction formidable. En plus de ses excellentes propriétés physiques et de sa belle apparence, il possède de nombreuses vertus environnementales. Il est cependant sujet à être dégradé par différents agents comme l’eau et les champignons. Dans cette optique, il est fortement suggéré de le protéger à l’aide d’un traitement durable qui permettra d’allonger sa durée de vie utile. Au cours de ce projet, un traitement aqueux a été développé pour imprégner le bois en profondeur sans avoir recourt aux méthodes traditionnelles utilisant de la pression et/ou du vide. Il utilise plutôt des oxydes d’amine pour permettre la diffusion de fongicides organiques dans le bois. Éléments centraux du traitement, les oxydes d’amine augmentent également la solubilité des fongicides dans l’eau, améliorent leurs propriétés antifongiques et diminuent les changements de dimensions du bois dues aux variations d’humidité. Lors de cette présentation, plusieurs aspects du traitement seront présentés : sa composition, sa distribution dans le bois et ses performances contre la biodégradation et les changements de dimensions. Ce projet servira à améliorer l’utilisation du bois en construction en permettant de réduire sa dégradation à partir d’un procédé plus écologique. Parmi les avantages écologiques, on peut noter l’utilisation de l’eau comme solvant et une réduction significative de la consommation en énergie.

Dans le but de réduire l’empreinte écologique des bâtiments, les concepteurs optent plus que jamais pour des produits de bois d’ingénierie, comme le lamellé-collé, en remplacement de matériaux à l’empreinte écologique plus importante comme l’acier ou le béton. En plus d’utiliser rationnellement une matière renouvelable, ces produits à valeur ajoutée se distinguent par leurs propriétés mécaniques compétitives. Très peu utilisées dans le bois lamellé-collé, les espèces feuillues suscitent un intérêt grandissant en raison de leur disponibilité, de leur résistance mécanique et d’une apparence esthétique différente des produits fabriqués à partir d’espèces résineuses. Chaque année au Québec, la moitié de la possibilité forestière en feuillus n’est pas attribuée et les volumes récoltés ne sont pas pleinement valorisés. L’objectif du projet est d’évaluer la faisabilité technique d’un bois lamellé-collé composé d’espèces feuillues du nord-est de l’Amérique du Nord. Des essais de résistance au cisaillement ont été réalisés à partir de pièces de six espèces assemblées avec cinq adhésifs dans le but de réaliser une sélection. À partir de celle-ci, des pièces seront aboutées selon deux géométries de joint à entures multiples et leur résistance en traction sera mesurée. Les propriétés mécaniques des espèces et l’impact des défauts sur leur résistance seront aussi évalués. Les résultats du projet pourraient accroître les débouchés à forte valeur ajoutée pour les bois d’espèces feuillues.

Dans le domaine structurel du bois, il est nécessaire d’évaluer l’efficacité des méthodes destructives et non destructives pour prédire le module de cisaillement du bois. Cette nécessité est due aux difficultés expérimentales lors de réaliser un essai statique de cisaillement dans le cas du bois. Cette recherche vise à étudier la relation entre les modules d’élasticité et de cisaillement du bois mesurés par les méthodes destructives (essais de compression et de flexion) et non destructives (méthodes d’ultrason et de résonnance). Sept essences du bois ont été sélectionnées pour cette étude (épinette blanche, bouleau blanc, peuplier hybride, peuplier faux-tremble, pin gris, mélèze et thuya occidental). Les résultats montrent que la corrélation la plus élevée entre le module d’élasticité et celui de cisaillement a été obtenue par les méthodes non destructives (R²>0,79), par rapport à celles destructives (essai de compression R²=0,37 et de flexion R² = 0,49). La forte corrélation a été obtenue dans le cas de la méthode de résonnance de flexion (R²=0,96) comparé à la résonnance longitudinale (R²=0,95) et l’ultrason (R²=0,79). Ainsi, les modules d’élasticité dynamiques et statiques sont fortement corrélés (R²=0,80-0,99), ce qui permet de prédire le module de cisaillement du bois en appliquant un essai statique. Les méthodes non destructives, notamment la méthode de résonnance, se sont révélées être plus fiables pour estimer précisément le module du cisaillement du bois.

La contamination de l'eau est une préoccupation mondiale croissante. Les métaux lourds tels que le cadmium sont des contaminants toxiques, dangereux et couramment détectés dans les cours d’eau. Il est donc nécessaire de développer une technologie de traitement des eaux pour éliminer le cadmium. Parmi les techniques prometteuses, l’adsorption se démarque par son efficacité et son faible coût. Toutefois, son usage est souvent limité par la capacité d’adsorption des substrats utilisés. Des adsorbants tels que le chitosane (CS) et la microcellulose phosphorylée (MCP) peuvent permettre de contourner ce problème. Cette étude vise donc à exploiter ces polymères naturels par électrofilage pour capter ces contaminants dangereux. L’électrofilage est un excellent choix puisqu’elle permet la production de membranes adsorbantes de nanofibres ayant une surface spécifique très élevée. Ainsi, des membranes de CS/MCP ont été développées et caractérisées tant du point de vue de leur morphologie que de leurs propriétés chimiques et leur capacité d’adsorption du cadmium a été évaluée. Ces travaux ont confirmé qu’un biosorbant à base de nanofibres électrofilées CS/MCP peut être utilisé comme matériau alternatif pour l’élimination des ions cadmium, contribuant ainsi à la restauration de la qualité de l’eau. Les résultats montrent que la méthode développée permet de produire rapidement des membranes électrofilées CS/MCP possédant une capacité d’adsorption élevée.

Dans cette étude, de nouveaux adsorbants hybrides à base de fibres lignocellulosiques phosphorylées et des microparticules inorganiques sont élaborés. Ces adsorbants possèdent la capacité de capter à la fois les cations et les anions métalliques, ce qui est impossible avec les fibres phosphorylées. Celles-ci ne peuvent capter que les cations grâce à leurs groupements phosphate. Trois types de particules sont choisis : les hydrotalcites Mg₂AlCO₃, la magnétite Fe₃O₄ et des zéolites LTA-Na modifiées avec l’hydrotalcite ou la magnétite. L’incorporation des différentes particules dans les fibres est réalisée selon une nouvelle méthode assistée par ultrasons et micro-ondes. Le chrome hexavalent a été pris comme contaminant modèle. L’ajout de ces particules minérales aux fibres phosphorylées a amélioré les capacités d’adsorption d’une manière significative, avec des rendements pouvant atteindre 60 %. Ces fibres modifiées ont alors un potentiel intéressant pour un usage en tant qu’adsorbant bifonctionnel pour capter des métaux lourds présents dans les eaux, indépendamment de leur état d’oxydation. En outre, elles peuvent servir de matrices pour les adsorbants en poudre ce qui peut en faciliter l’utilisation à l’échelle industrielle et éventuellement conduire au développement de procédés de traitement des eaux usées de nouvelle génération. Par conséquent, la modification des fibres de bois abouti à des nouveaux substrats à faible coût, respectueux de l’environnement et versatiles.

La créosote représente l’un des agents de préservation du bois les plus efficaces. Plus de 90% de la composition totale de la créosote est constituée par des Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs), classés comme substances dangereuses. L’objectif est d’évaluer le potentiel du procédé de la pyrolyse rapide du bois pour le traitement de la biomasse contaminée à la créosote. Les propriétés thermochimiques du bois sont déterminées en utilisant une analyse thermogravimétrique (TGA) couplée à la chromatographie en phase gazeuse et la spectroscopie de masse (GC-MS). L’identification des HAPs est réalisée par GC. Trois températures ont été évaluées en utilisant un prototype du four et un filtre des HAPs. Trois gammes de granulométrie sont sélectionnées. L’analyse élémentaire CHNS a montré que le pourcentage du carbone est élevé dans le bois créosoté (55%) dû à la présence des composés aromatiques. La température de dégradation du bois créosoté se fait à 300-500°C. Le rendement du biochar augmente avec la granulométrie et diminue avec l’augmentation de la température de pyrolyse, alors que la concentration des HAPs augmente avec la température. L’analyse des gaz de la pyrolyse a montré peu de traces pour la majorité des HAP à poids moléculaire élevé, comme le Benzo pyrène. Au contraire, la concentration des HAPs était plus importante au niveau du biochar. Cette étude vise une activation du biochar à 800°C afin d’inerter le produit final et de l’entreposer de façon sécuritaire.