Formulation du papier (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - expliquer les principes du recyclage du papier et les enjeux environnementaux et économiques au Cameroun ; - décrire les étapes du procédé d’extraction de la cellulose (kraft, alcalin doux) et en maîtriser les paramètres opératoires ; - réaliser une activité d’intégration permettant de fabriquer du papier recyclé ou d’extraire de la cellulose à partir de résidus agricoles locaux ; - calculer des rendements de récupération de fibres ou de cellulose et interpréter les résultats ; - appliquer les règles de sécurité et d’hygiène liées à la manipulation de produits chimiques (NaOH, H₂O₂, agents de blanchiment) et aux équipements de traitement. **Prérequis** : connaissances de base en chimie organique (structure de la cellulose, lignine, hémicellulose), notions de séparation solide‑liquide (filtration, centrifugation), propriétés physiques du papier (porosité, résistance), et sensibilisation au tri des déchets solides urbains. --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la consommation de papier dépasse 150 000 t/an, tandis que le taux de recyclage reste inférieur à 20 %. La valorisation des résidus lignocellulosiques (bagasse de canne, résidus de scierie, coques de noix de coco) constitue une voie prometteuse pour réduire l’importation de pâte à papier et créer des emplois locaux. Ce chapitre présente les deux leviers techniques du programme : le recyclage du papier usé et l’extraction de la cellulose à partir de matières premières végétales, en insistant sur les aspects pratiques rencontrés en atelier ou en petite unité industrielle. --- ## I. Recyclage du papier ### 1. Définition et enjeux Le recyclage du papier consiste à récupérer les fibres cellulosiques contenues dans les papiers et cartons usés, à les nettoyer, puis à les reformuler en nouveau papier ou carton. Il permet de : - réduire la consommation de bois vierge (≈ 0,5 t de bois évitée par tonne de papier recyclé) ; - diminuer les déchets enfouis ou incinérés ; - économiser de l’énergie (≈ 40 % d’économie par rapport à la production à partir de bois). > **>** Le taux de récupération des fibres (TRF) est le pourcentage de fibres celluloses réellement réutilisables après traitement. ### 2. Étapes du procédé | Étape | Objectif principal | Conditions typiques | |-------|-------------------|---------------------| | Collecte & tri | Séparer les papiers propres des contaminants (plastiques, métaux) | – | | Broyage | Réduire la taille en particules de 2‑6 mm | Eau, 5‑15 % de consistance | | Désencrage | Enlever les encres, colles, adhésifs | Flottation à l’air ou lavage alcalin (pH 9‑10) | | Purification | Éliminer les charges, fillers, résidus de colle | Tamisage, centrifugation | | Refabrication | Former une nouvelle feuille, presser, sécher | Presse à chaud, séchage cylindre | ### 3. Désencrage (méthodes principales) - **Flottation à l’air** : injection d’air fin dans une suspension alcaline ; les particules d’encre hydrophobes se fixent aux bulles et remontent à la surface. - **Lavage alcalin** : traitement avec NaOH (0,5‑1 %) et agents tensioactifs à 50‑60 °C, suivi de rinçage à l’eau chaude. ### 4. Normes de sécurité et d’hygiène - Port de gants nitrile, lunettes de protection et masque anti‑poussière lors de la manipulation de NaOH ou d’agents de blanchiment (H₂O₂, NaClO₂). - Ventilation locale pour éviter l’inhalation de poussières de papier et de vapeurs d’ammoniaque provenant de certains désencrants. - Étiquetage clair des récipients contenant des produits corrosifs ; présence d’une douche de sécurité et d’un lavabo oculaire à proximité. ### 5. Exemple chiffré – taux de récupération des fibres Un lot de 500 kg de journaux usés contient 85 % de fibres celluloses (le reste étant charges, encres, humidité). Après désencrage et purification, on obtient 380 kg de pâte contenant 80 % de fibres. \[ \text{TRF} = \frac{380 \times 0,80}{500 \times 0,85}\times 100 = \frac{304}{425}\times 100 \approx 71,5\% \] > **>** Un TRF supérieur à 70 % est considéré comme bon pour un procédé de désencrage conventionnel. ### 6. Encadrés à retenir > **>** Le recyclage du papier permet d’économiser jusqu’à 40 % d’énergie comparé à la production à partir de bois vierge. > **>** Le pH optimal du bain de désencrage alcalin se situe entre 9 et 10 pour garantir la saponification des encres sans dégrader les fibres. --- ## II. Extraction de la cellulose ### 1. Définition et sources locales La cellulose est un polysaccharide linéaire de glucose (C₆H₁₀O₅)ₙ, constituant le squelette structural des parois cellulaires végétales. Au Cameroun, les matières premières les plus abondantes sont : - **Bagasse de canne à sucre** (≈ 45 % cellulose, 30 % lignine, 25 % hémicellulose) ; - **Résidus de scierie** (copeaux de bois dur, eucalyptus, iroko) ; - **Coton** (fibres presque pures en cellulose). ### 2. Principés procédés d’extraction | Procédé | Réactif principal | Température | Pression | Temps | Rendement typique de cellulose | |---------|-------------------|-------------|----------|-------|--------------------------------| | Kraft (sulfate) | NaOH + Na₂S (liqueur blanche) | 150‑170 °C | 5‑10 bar | 1,5‑2 h | 45‑55 % (sur bois sec) | | Sulfite | SO₂ + NH₃ (ou Ca) | 130‑150 °C | 3‑5 bar | 1‑2 h | 35‑45 % | | Alcalin doux (bagasse) | NaOH 5‑8 % | 80‑100 °C | atmosphérique | 0,5‑2 h | 30‑40 % (sur bagasse sèche) | | Organosolv | Éthanol + acide | 180‑200 °C | 10‑15 bar | 1‑2 h | 50‑60 % | Le procédé **kraft** reste le plus utilisé pour la production de pâte à papier industrielle du fait de sa capacité à éliminer efficacement la lignine tout en préservant la longueur des fibres. ### 3. Réaction chimique du kraft (simplifiée) La lignine réagit avec les ions hydroxyde et sulfhydryle pour former des composés solubles (lignosulfonates) : \[ \text{Lignine} + 2\,\text{NaOH} + \text{Na}_2\text{S} \rightarrow \text{Lignosulfonate soluble} + 2\,\text{H}_2\text{O} \] > **>** La liqueur noire issue du kraft contient les composés de lignine solubilisés et est récupérée pour la production d’énergie (combustion) ou d’acides organiques. ### 4. Paramètres opératoires critiques (kraft) - **Facteur d’alcalinité (AA)** : NaOH exprimé en % du poids du bois sec (souvent 16‑20 %). - **Facteur de sulfidité (S)** : Na₂S/(NaOH+Na₂S) ≈ 0,25‑0,35. - **Température** : 150‑170 °C, contrôlée pour éviter la dégradation des cellulose (peeling). - **Temps de cuisson** : 90‑120 min selon le diamètre des copeaux. ### 5. Rendement de cellulose – formule \[ \text{Rendement (\%)} = \frac{m_{\text{cellulose obtenue}}}{m_{\text{bois sec}}}\times 100 \] ### 6. Exemple chiffré – extraction à partir de bagasse On traite 200 kg de bagasse sèche (composition théorique : 45 % cellulose, 30 % lignine, 25 % hémicellulose) avec une solution de NaOH 6 % à 90 °C pendant 1 h. Après filtration, lavage et séchage, on obtient 78 kg de produit solide contenant 70 % de cellulose (déterminé par analyse chimique). \[ m_{\text{cellulose obtenue}} = 78 \times 0,70 = 54,6\text{ kg} \] \[ \text{Rendement} = \frac{54,6}{200}\times 100 = 27,3\% \] Ce rendement reflète la perte de hémicellulose et une partie de la cellulose lors de l’alcalin doux ; un procédé kraft sur le même matériau donnerait environ 45‑50 %. > **>** Un rendement supérieur à 30 % avec un alcalin doux est considéré comme satisfaisant pour la valorisation de résidus agricoles à petite échelle. ### 7. Normes de sécurité - Manipulation de NaOH : gants résistants aux produits alcalins, lunettes de protection, tablier en PVC. - Risque de libération de gaz sulfure d’hydrogène (H₂S) lors du kraft : détecteur de gaz obligatoire, ventilation forcée, port d’un appareil de protection respiratoire si concentration > 10 ppm. - Température élevée : utiliser des réacteurs à jacket avec soupape de sûreté, éviter les surtensions de pression. ### 8. Encadrés à retenir > **>** Dans le procédé kraft, la combinaison NaOH/Na₂S permet de rompre les liaisons éther‑aryl de la lignine tout en préservant les chaînes de cellulose. > **>** La température de cuisson du kraft ne doit pas dépasser 175 °C afin d’éviter le phénomène de « peeling » qui réduit la longueur des fibres et la résistance du papier. --- ## III. Intégration ACTIVITIES ### Objectif de l’activité Mettre en pratique les connaissances acquises sur le recyclage du papier et l’extraction de la cellulose à l’aide d’équipements simples disponibles dans un atelier technique ou un lycée professionnel. ### Activité 1 – Fabrication de papier recyclé à partir de journaux usés | Étape | Description | Durée | Matériel | |-------|-------------|-------|----------| | 1. Broyage | Découper les journaux en bandes de 2 cm, les mettre dans un seau avec eau (rapport 1:10) et mélanger à l’aide d’un mélangeur à basse vitesse. | 15 min | Ciseaux, seau, mélangeur | | 2. Désencrage | Ajouter 0,5 % de savon de Marseille (solution aqueuse) et chauffer à 55 °C pendant 10 min, puis faire bouillonner doucement à l’aide d’un bâtonnet pour libérer les encres. | 10 min | Chauffage, thermomètre, bâtonnet | | 3. Filtration | Verser la suspension sur un tamis à mailles fines (0,5 mm) pour récupérer les fibres; presser légèrement pour éliminer l’excès d’eau. | 5 min | Tamis, presse manuelle | | 4. Feuille formation | Disposer les fibres humides sur un tamis à mailles très fines (type toile de polyester) formant une feuille de 20 × 20 cm, couvrir d’une deuxième toile et presser à l’aide d’un rouleau. | 5 min | Tamis, toile, rouleau | | 5. Séchage | Laisser sécher à l’air libre 24 h ou utiliser un séchoir à convection à 60 °C pendant 2 h. | 2 h (séchoir) ou 24 h (air) | Séchoir ou espace ventilé | | 6. Contrôle qualité | Mesurer l’épaisseur (micromètre), tester la résistance à la traction (essai simple avec pesée) et noter l’opacité. | 10 min | Micromètre, pesée, source lumineuse | > **>** Le papier obtenu doit présenter une épaisseur de 0,12‑0,18 mm et une résistance à la traction supérieure à 15 N/15 mm pour être considéré comme conforme à un usage d’emballage léger. ### Activité 2 – Extraction de cellulose à partir de bagasse de canne à sucre (alcalin doux) | Étape | Description | Durée | Matériel | |-------|-------------|-------|----------| | 1. Préparation de la matière première | Sécher la bagasse à 60 °C jusqu’à atteindre < 10 % d’humidité, puis broyer à 2‑4 mm. | 30 min | Étuve, broyeur à marteaux | | 2. Traitement alcalin | Mélanger 100 g de bagasse sèche avec 600 mL de solution NaOH 6 % (pH≈12,5) dans un réacteur à jacket, chauffer à 90 °C sous agitation. | 60 min | Réacteur, agitation, thermomètre | | 3. Filtration | Filtrer à chaud à l’aide d’un filtre sous vide pour séparer la liqueur noire (containing lignine solubilisée) de la fibre. | 10 min | Filtre sous vide, pompe à vide | | 4. Lavage | Rincer le résidu solide avec 3 L d’eau chaude (60 °C) jusqu’à neutralité du pH (pH≈7) – tester avec papier indicateur. | 15 min | Bacs d’eau, indicateur pH | | 5. Séchage | Étaler la fibre lavée sur des plateaux et sécher à 80 °C pendant 4 h. | 4 h | Étuve à convection | | 6. Analyse du rendement | Peser la fibre sèche obtenue, déterminer le taux de cellulose par méthode d’analyse chimique (hydrolyse à l’acide suivi du dosage du glucose) – on supposera ici 70 % de cellulose mesurée. | 20 min | Balance, kit d’analyse | | 7. Calcul du rendement | Appliquer la formule du rendement (voir §II.5). | – | – | > **>** Le port de gants nitrile et de lunettes est obligatoire durant les étapes de traitement alcalin et de lavage à chaud pour éviter les projections de solution caustique. ### Tableau récapitulatif des activités | Activité | Produit attendu | Durée totale | Principaux paramètres de sécurité | |----------|----------------|--------------|-----------------------------------| | Papier recyclé | Feuilles de 20 × 20 cm, épaisseur 0,15 mm | ~3 h (incl. séchage) | Manipulation de savon chaud, éviter éclaboussures | | Extraction cellulose (bagasse) | Fibre blanche, rendement ≈ 27 % cellulose | ~6 h (incl. séchage) | Manipulation de NaOH 6 %, température 90 °C, ventilation | > **>** Toute activité doit être réalisée sous la supervision d’un enseignant ou d’un technicien formé aux risques chimiques. --- ## Synthèse du chapitre - Le recyclage du papier permet de récupérer les fibres celluloses grâce à des étapes de broyage, désencrage (flottation ou lavage alcalin) et purification, avec un taux de récupération des fibres (TRF) généralement supérieur à 70 % pour un procédé bien maîtrisé. - L’extraction de la cellulose s’appuie sur des procédés chimiques (kraft, sulfite, alcalin doux, organosolv) qui rompent les liaisons lignine‑cellulose ; le procédé kraft reste le plus efficace pour obtenir des fibres longues et résistantes. - Le rendement de cellulose se calcule par la masse de cellulose obtenue divisée par la masse de matière première sèche, exprimé en pourcentage. - Les activités d’intégration (papier recyclé à partir de journaux, extraction de cellulose à partir de bagasse) permettent de mettre en œuvre les principes théoriques en toute sécurité, en respectant le port d’EPI, la ventilation et la gestion des déchets liquides. - Les normes de sécurité portent essentiellement sur la manipulation de solutions alcalines concentrées (NaOH), la prévention des risques de gaz toxiques (H₂S) et le contrôle des températures/pressions dans les réacteurs. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Recyclage du papier** | Processus de récupération, nettoyage et re‑formation des fibres cellulosiques contenues dans les papiers et cartons usés. | | **Taux de récupération des fibres (TRF)** | Pourcentage de fibres celluloses réellement réutilisables après les étapes de désencrage et de purification, par rapport à la quantité initiale présente dans le déchet. | | **Désencrage** | Étape visant à éliminer les encres, colles et adhésifs du papier usé, généralement par flottation à l’air ou lavage alcalin. | | **Procédé kraft** | Procédé d’extraction de la cellulose utilisant une liqueur blanche composée de NaOH et de Na₂S à haute température et pression, permettant de solubiliser la lignine. | | **Liqueur noire** | Sous‑produit aqueux du kraft contenant les composés de lignine solubilisés, récupérable pour la production d’énergie ou de produits chimiques. | | **Alcalin doux** | Traitement à base de NaOH à faible concentration (5‑8 %) et température modérée (80‑100 °C) utilisé pour extraire la cellulose de résidus agricoles tels que la bagasse. | | **Rendement de cellulose** | Rapport entre la masse de cellulose obtenue et la masse de matière première sèche, exprimé en pourcentage. | | **Peeling** | Dégradation de la chaîne de cellulose lors d’une cuisson trop poussée (température > 175 °C ou temps excessif), entraînant une réduction de la longueur des fibres et de la résistance du papier. | | **Bagasse** | Résidu fibreux restant après l’extraction du jus de la canne à sucre, composé principalement de cellulose, hémicellulose et lignine. | | **Floculation** | Agrégation de particules en suspension sous l’effet d’agents chimiques, utilisée lors du lavage alcalin pour faciliter l’élimination des encres. | | **Tamisage** | Opération de séparation des particules selon leur taille à l’aide d’un tamis à mailles définies. | | **EPI** | Équipement de Protection Individuelle (gants, lunettes, masque, tablier) porté pour se protéger des risques chimiques ou mécaniques. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul du taux de récupération des fibres Un atelier reçoit 350 kg de papiers de bureau usés contenant 78 % de fibres celluloses. Après le procédé de désencrage et de purification, on obtient 260 kg de pâte contenant 82 % de fibres. **Calcul du TRF** : \[ \text{TRF} = \frac{260 \times 0,82}{350 \times 0,78}\times 100 = \frac{213,2}{273}\times 100 \approx 78,1\% \] **Réponse** : Le taux de récupération des fibres est d’environ **78 %**, ce qui indique un bon rendement du procédé de désencrage. --- ### Exercice 2 – Rendement d’extraction de cellulose à partir de bagasse On traite 150 kg de bagasse sèche (composition théorique : 44 % cellulose, 32 % lignine, 24 % hémicellulose) avec une solution de NaOH 7 % à 95 °C pendant 1 h. Après filtration, lavage et séchage, on obtient 55 kg de produit solide contenant 68 % de cellulose (mesurée par dosage du glucose). **Calcul du rendement** : \[ m_{\text{cellulose obtenue}} = 55 \times 0,68 = 37,4\text{ kg} \] \[ \text{Rendement} = \frac{37,4}{150}\times 100 \approx 24,9\% \] **Réponse** : Le rendement de cellulose obtenu est d’environ **25 %**. Ce valeur est cohérente avec un procédé alcalin doux appliqué à la bagasse ; un passage au procédé kraft permettrait d’augmenter ce rendement à près de 45‑50 %. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | Utiliser de l’eau froide pour le lavage alcalin du papier usé | Mauvaise eliminación des encres, TRF faible | Toujours chauffer le bain de lavage à 50‑60 °C pour assurer la saponification des encres. | | 2 | Omettre le port de lunettes lors de la manipulation de NaOH 6 % | Risque de brûlures oculaires irréversibles | Porter obligatoirement des lunettes de protection anti‑projections et un écran facial si risque de projections importantes. | | 3 | Laisser échapper de la vapeur H₂S lors du procédé kraft sans détecteur | Inhalation toxique, céphalées, perte de connaissance | Installer un détecteur de H₂S calibré, assurer une ventilation forcée et prévoir un arrêt d’urgence du réacteur en cas de dépassement du seuil (10 ppm). | | 4 | Surcharger le réacteur de kraft au-delà de 80 % de son volume | Augmentation de la pression, risque de rupture | Respecter le coefficient de remplissage recommandé (≤ 70 %) et vérifier le bon fonctionnement des soupapes de sûreté avant chaque lancement. | | 5 | Négliger le neutralisation du pH après lavage alcalin de la bagasse | Résidus alcalins pouvant endommager les équipements de séchage et altérer la qualité de la cellulose | Mesurer le pH du résidu après lavage ; ajouter une solution d’acide dilué (ex. acide acétique 5 %) jusqu’à obtenir un pH entre 6 et 8 avant le séchage. | | 6 | Utiliser un tamis à mailles trop grosses lors de la formation de la feuille de papier recyclé | Feuille trop épaisse, mauvaise formation, défauts d’uniformité | Sélectionner un tamis à mailles de 0,2‑0,3 mm pour obtenir une feuille homogène et contrôler l’épaisseur avec un micromètre en cours de fabrication. | --- *Fin du cours.*