Brevet FR3080917A1 — publié le 20191108

PROCEDE D'ANALYSE DU GLYCEROL LIBRE DANS UN ECHANTILLON DE BIODIESEL PAR DETECTION ELECTROCHIMIQUE [0001] L'invention concerne un procédé d'analyse du glycérol libre dans un échantillon de biodiesel. [0002] Plus particulièrement, l'invention s'intéresse à un procédé d'analyse du glycérol libre présent dans le biodiesel par une étape de séparation en phase solide suivie d'une étape de détection électrochimique par voie non-enzymatique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [0003] Les biocarburants, tels que le biodiesel, sont des esters méthyliques d'acides gras (EMAG) obtenus au moyen d'une trans-estérification à partir de la biomasse. [0004] Les esters dérivés du glycérol que sont les mono-glycérides ou mono- acylglycérol (MAG), les di-glycérides ou di-acylglycérols (DAG), les triglycérides ou triacylglycérols (TAG) et le glycérol libre (FG) sont les principaux polluants des bio- carburants et, notamment, du biodiesel. [0005] La présence de ces dérivés du glycérol dans le biodiesel altère ses propriétés combustibles et, outre les nuisances environnementales, ces polluants peuvent provoquer des dysfonctionnements des moteurs à combustion dans lesquels ce biocarburant est utilisé. [0006] Dans ce contexte, il est apparu nécessaire de développer des procédés d'analyse de la composition des biocarburants et, notamment, du biodiesel en vue de déterminer la présence et la quantité de ces polluants et, en particulier, de celle du glycérol libre (FG). [0007] Parmi les procédés connus, le US8476075 décrit une méthode comprenant la séparation des polluants contenus dans un échantillon de biodiesel par chromatographie en couche mince puis l'analyse de la composition desdits polluants. 2 [0008] Le US7981680 décrit une méthode de détection des polluants dans un biocarburant par séparation des composants polaires et des composants apolaires au moyen d'un solvant puis analyse des composants par chromatographie gazeuse et spectrométrie de masse en vue de déterminer la teneur en polluants. 5 [0009] Le US20080318763 décrit, quant à lui, une méthode d'extraction des polluants adsorbés sur un catalyseur inorganique et leur conversion en intermédiaires réactionnels pour la synthèse de biocarburants. [0010] Cependant, ces méthodes sont complexes et onéreuses car elles sont généralement mises en oeuvre avec des équipements sophistiqués qui ne se trouvent 10 qu'en laboratoire. Elles ne sont donc pas adaptées à une utilisation à petite échelle. [0011] Par ailleurs, de nombreuses techniques d'analyse des triglycérides ont déjà été appliquées dans le domaine clinique (sérum, plasma, ...) ou alimentaire (produits fermentés, tabac, ...) en utilisant la voie enzymatique combinée à des méthodes de détection optique. 15 [0012] Dans le cadre de ces techniques, les triglycérides sont transformés en glycérol et en acides gras. Puis, le glycérol est transformé en di-hydroxy-acétone phosphate (ADP) par l'action d'enzymes telles que le glycérol-kinase (GK) et le glycérol-3-phosphate oxydase (G3P0) selon les réactions suivantes : (1) Glycérol + ATP (en présence de GK) > G-3-P + ADP (où ATP et ADP sont 20 respectivement l'adénosine triphosphate et l'adénosine diphosphate) (2) G-3-P + 02 (en présence de GPO) > DAP + H202 (3) H202 + 4-AAP + OA (en présence de peroxydase) > CC + H20; (où 4-AAP est le 4-aminoantipyrine et OA un accepteur d'oxygène tel que le 4-chlorophenol) Le produit CC obtenu est un composé coloré dont la concentration est mesurée 25 par spectrophotométrie. [0013] Une telle approche par voie enzymatique a été aussi appliquée aux bio- carburants comme décrit dans le US20040137546 dans lequel la concentration en 3 glycérol d'un échantillon de biodiesel est déterminée par transformation enzymatique du glycérol en un composé coloré, de préférence un pigment de quinone-imine, qui est ensuite analysé par spectrophotométrie. [0014] Cependant, les techniques qui utilisent la détection par spectrophotométrie 5 ne sont pas suffisamment fiables et les mesures se révèlent assez imprécises car perturbées par la présence avec le glycérol d'autres produits et, en particulier, des acyle-glycérols qui sont aussi présents dans les biodiesels. En outre, les méthodes connues sont généralement destinées à l'analyse de biocarburants dans lesquels les teneurs en polluants sont relativement élevées ce qui n'est pas le cas des bio diesels du 10 commerce qui sont déjà produits avec de bonnes qualités. EXPOSÉ DE L'INVENTION [0015] La présente invention a pour but de résoudre les problèmes techniques posés par l'art antérieur en proposant un procédé d'analyse du glycérol libre dans un échantillon de biodiesel permettant une identification simple et une mesure précise et 15 aisée de faibles concentrations en glycérol en utilisant une étape d'extraction en phase solide suivie d'une étape de détection électrochimique. [0016] Ce but est atteint, selon l'invention, au moyen d'un procédé d'analyse d'un échantillon de biocarburant comprenant des esters méthyliques d'acides gras (EMAG) en vue de déterminer la teneur en glycérol libre (FG), caractérisé en ce que ; 20 - on effectue l'extraction en phase solide du glycérol à partir de l'échantillon dans un collecteur contenant une cartouche de silice (A), en éluant, d'une part, une phase (F1) contenant les esters méthyliques et les acylglycérols et, d'autre part, une phase (F2) contenant le glycérol libre puis, - on sèche ladite phase (F2) et on la met en suspension dans le solvant éthanol, 25 - on introduit ladite suspension dans une cellule électrochimique contenant un électrolyte à base d'hydroxyde de potassium et une électrode en carbone vitreux modifiée par dépôt de nanoparticules de palladium et, - on mesure la concentration en glycérol libre (FG) par voltamétrie cyclique. 4 [0017] Selon une caractéristique avantageuse, on conditionne ladite cartouche de silice avec de l'hexane. [0018] Selon une autre caractéristique, on élue la phase (F1) avec des solvants choisis dans le groupe constitué des éthers de pétrole, d'éther éthylique et de mélanges 5 en solution de ces éthers. [0019] Selon encore une autre caractéristique, on élue la phase (F2) avec de l'éthanol de qualité CHLP (Chromatographie Liquide Haute Performance). [0020] Selon une variante spécifique de mise en oeuvre, l'électrolyte comprend 3,95 mL d'une solution d'hydroxyde de potassium à une concentration de 0,1 mol L-1 et 10 de 0,05 mL de la phase (F2). [0021] Selon encore une autre variante, le dépôt de nanoparticules de palladium sur l'électrode en carbone vitreux est effectué par voltamétrie à 1200 cycles avec un potentiel compris entre -200 mV et 900 mV et un taux de balayage de 6 V s-1. [0022] Avantageusement, le dépôt de nanoparticules de palladium sur l'électrode 15 en carbone vitreux est effectué avec une concentration en chlorure de palladium de 0,005 mol L-1. [0023] De préférence, on mesure la concentration en glycérol libre (FG) par voltamétrie à 1 cycle avec un potentiel compris entre -800 mV et 800 mV et un taux de balayage de 100 mV s-1. 20 [0024] La mesure par voltamétrie cyclique de la quantité de glycérol libre (FG) est effectuée avec une courbe d'addition standard. [0025] Un autre objet de l'invention est une utilisation du procédé d'analyse présentant les caractéristiques définies ci-dessus, pour l'analyse du glycérol libre (FG) d'un biocarburant issu d'une trans-estérification à taux de conversion élevé, c'est-à25 dire, avec une teneur de FG bas. 5 [0026] Le procédé d'analyse de l'invention associe une étape préalable de séparation en phase solide du glycérol libre avec une étape subséquente de mesure de la quantité de glycérol libre par voltamétrie cyclique. [0027] L'étape de séparation en phase solide est effectuée avec une cartouche de 5 silice du commerce. Le procédé de l'invention est donc particulièrement économique par rapport aux méthodes antérieures traditionnelles car, en outre, les quantités de réactifs et d'échantillon de biodiesel utilisées sont très faibles. [0028] De plus, le média assurant le dépôt de nanoparticules de palladium sur l'électrode en carbone vitreux de palladium peut être utilisé plusieurs fois et être 10 aisément recyclé même après de nombreuses mesures. [0029] Par ailleurs, le procédé de l'invention est rapide du fait que la modification de l'électrode de carbone est réalisée dans un temps très court, de l'ordre de quelques minutes, et la mesure de la quantité de glycérol libre ne dure que quelques dizaines de secondes. 15 [0030] Enfin, à la différence des procédés faisant appel à la spectrophotométrie, le procédé de l'invention n'est pas influencé par la présence des acylglycérols du biodiesel et permet ainsi d'obtenir des résultats particulièrement fiables et précis. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES [0031] La figure 1 unique représente les courbes de voltamétrie cyclique avec 0,1 20 Vs-1 de taux de balayage du glycérol en solution KOH à 0,1 mol L-1 pour différentes concentrations. [0032] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux figures annexées et détaillées ci-après. 25 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE REALISATION [0033] Naturellement, les modes de réalisation décrits ci-après ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatif. Il est explicitement prévu que l'on puisse combiner entre eux ces différents modes pour en proposer d'autres. 6 [0034] Les biocarburants, tels que le biodiesel, sont principalement des esters méthyliques d'acides gras (EMAG) obtenus au moyen d'une trans-estérification à partir de la biomasse. [0035] Ces biocarburants contiennent des dérivés du glycérol tels que les mono- 5 glycérides ou mono-acylglycérol (MAG), les di-glycérides ou di-acylglycérols (DAG), les triglycérides ou tri-acylglycérols (TAG) et le glycérol libre (FG). [0036] Ces dérivés du glycérol sont les principaux polluants du biodiesel obtenu par trans-estérification. [0037] En effet, la présence de ces dérivés du glycérol dans le biodiesel altère ses 10 propriétés combustibles et, outre les nuisances environnementales, ces polluants peuvent provoquer des dysfonctionnements des moteurs à combustion dans lesquels ce biocarburant est utilisé. [0038] L'invention vise, plus particulièrement, à analyser un échantillon déterminé d'un biodiesel comprenant des esters méthyliques d'acides gras (EMAG) et, en 15 particulier, en vue de déterminer sa teneur en glycérol libre (FG). [0039] Dans cet objectif, le procédé de l'invention consiste d'abord à effectuer l'extraction en phase solide du glycérol libre. Cette opération est effectuée en faisant passer un échantillon de 0,150 mL de biodiesel dans une cartouche de silice du commerce conditionnée avec 2mL d'hexane. 20 [0040] On élue d'abord une phase F1 contenant les esters méthyliques (EMAG) et, les acylglycérols (MAG, DAG et TAG) en faisant passer les solvants dans l'ordre suivant: 5 mL d'éther de pétrole, 15 mL d'un mélange constitué de 25% d'une solution d'éther éthylique et de 75% d'éther de pétrole et 12 mL d'éther éthylique. [0041] On élue ensuite une phase F2 comprenant les composants polaires (ici le 25 glycérol libre) avec 12 mL d'éthanol de qualité CLHP (Chromatographie Liquide Haute Performance). 7 [0042] L'étape suivante consiste à sécher la phase F2 à l'azote et à la mettre en nouveau en suspension dans le solvant éthanol en une quantité appropriée pour les mesures ultérieures. [0043] Cette suspension est ensuite introduite dans une cellule électrochimique 5 contenant un électrolyte à base d'hydroxyde de potassium et une électrode en carbone vitreux modifiée par dépôt de nanoparticules de palladium afin de mesurer la concentration en glycérol libre (FG) par voltamétrie cyclique. [0044] L'électrolyte comprend 3,95 mL d'une solution d'hydroxyde de potassium à une concentration de 0,1 mol L-1 et de 0,05 mL de la phase F2. 10 [0045] Le revêtement de l'électrode en carbone vitreux est obtenu par une technique de voltamétrie permettant d'effectuer des réductions et des oxydations successives qui assurent le dépôt des nanoparticules de palladium et l'exfoliation ultérieure du dépôt en libérant ces particules. [0046] Cette technique est mise en oeuvre de façon optimale en suivant le protocole 15 de Box-Benhken avec différentes concentrations en chlorure de palladium, respectivement, de 0,005, 0,0035 et 0,002 mol L-1, des cycles de 1200, 800 et 400 et des taux de balayage de 6, 4 et 2 V s-1. [0047] Après avoir vérifié que ces taux de balayage n'avaient pas d'influence sur les autres paramètres, ce taux est fixé à 6 V s-1 afin d'obtenir une meilleure réponse du 20 courant en faisant varier les autres paramètres (concentration en chlorure de palladium et nombre de cycles de voltamétrie). En effet, un taux de balayage rapide permet d'obtenir une plus grande surface spécifique de l'électrode et d'excellentes réponses électriques. [0048] Selon un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé de l'invention, 25 l'étape de préparation de l'électrode est alors effectuée par voltamétrie à 1200 cycles avec un potentiel compris entre -200 mV et 900 mV, un taux de balayage rapide de 6 V s-1 et une concentration en chlorure de palladium de 0,005 mol L-1. 8 [0049] Une fois préparée et modifiée par dépôt des nanoparticules de palladium, l'électrode est prête pour la réalisation des mesures de la concentration en glycérol libre (FG) dans l'échantillon de biodiesel. [0050] Les limites de la méthode d'analyse sont déterminées selon les deux modes 5 décrits ci-après. [0051] Le premier mode repose sur l'observation visuelle ; une fois l'échantillon dilué, le courant est mesuré jusqu'à ce que le signal électrique disparaisse. En pratique, la première valeur limite obtenue est de 7,5x10-6 %m/m. [0052] Le second mode consiste à dresser une courbe analytique en utilisant une 10 solution standard avec des concentrations variables de glycérol, comme illustré par les voltagrammes de la figure 1. Ce mode conduit à une seconde valeur limite de 8,8x10-6 %m/m. [0053] La figure 1 représente les courbes de voltamétrie cyclique avec 0,1 V s-1 de taux de balayage du glycérol en solution KOH à 0,1 mol L-1 pour les différentes 15 concentrations suivantes référencées de 1 à 11 avec le potentiel (V) en abscisse et l'intensité du courant (A) en ordonnée : - 1 (nulle); - 2 (1x10-5 mol L-1); - 3 (2,5x 10-5 mol L-1); 20 - 4 (4,0x10-5 mol L-1); - 5 (5,5x10-5 mol L-1); - 6 (7x10-5 mol L-1); - 7 (8,0x10-5 mol L-1); - 8 (1x10-4 mol L-1); 25 - 9 (1,25x10-4 mol L-1); - 10 (1,5x10-4 mol L-1); - 11 (1,75x10-4 mol L-1). [0054] Cette méthode de détermination est linéaire sur une large plage comprise entre 2,5x10-5 %m/m et 1,75x10-4 %m/m en notant que la limite réglementaire de concentration en glycérol dans le bio diesel est de 0,02 %m/m. [0055] Après établissement de la courbe analytique de référence, on étudie la stabilité du film de revêtement déposé sur l'électrode. Dans ce but, l'électrode est 9 plongée dans une solution d'éthanol puis contrôlée, respectivement, après 24 heures et 48 heures d'immersion. [0056] Au terme des 24 heures, le film est toujours intact et il est alors possible de construire une courbe analytique statistiquement identique à celle du jour précédent. 5 [0057] Au terme des 48 heures, le film présente des défauts et il n'est linéaire qu'a partir de 9,0x10-5%m/m tout en s'écartant statistiquement de la courbe précédente. [0058] Lors des mesures voltamétriques, les phénomènes suivants, liés aux interactions entre les nanoparticules de palladium et le milieu analysé, se produisent à la surface de l'électrode. 10 Pd + OH- > Pd-(OH) ads -e- (1) Pd+CH2(OH)-CH(OH)-CH2(OH)+30H- > Pd-(CH2(OH)-CH(OH)-00)ads + 3H20+3e- (2) Pd-(OH)ads + Pd-(CH2(OH)-CH(OH) ads > --00) CH2 (OH)-CH(OH)-COOH + 2Pd (3) CH2(OH)-CH(OH)-COOH + OH- > CH2(OH)-CH(OH)-000- + H20 (4) [0059] En augmentant le pH, la concentration en OH- augmente et la cinétique 15 d'électro-oxydation du glycérol s'en trouve améliorée. Les réactions (1) et (2) montrent que les ions OH- et les molécules de glycérol sont adsorbées à la surface de l'électrode. Cette amélioration de la cinétique de réaction entraîne un pic de courant anodique autour de -0,1 V, comme le montre la réaction (3). [0060] D'autres pics de courant anodique à des potentiels plus élevés peuvent alors 20 apparaître en raison de l'oxydation des groupes OH adsorbés à la surface de l'électrode et, le cas échéant, du fait que l'oxydation du glycérol qui se poursuit génère plusieurs produits jusqu'à 1,15 V, comme illustré par la réaction (4). A la réactivation du catalyseur, un pic de courant anodique apparaît en retour à -0,4 V. [0061] Huit échantillons de biodiesel ont été analysés. Les valeurs de 25 concentrations en glycérol libre mesurées ont été comparées avec les valeurs obtenues par chromatographie gazeuse. Des essais de récupération ont aussi été pratiqués avec 10 les échantillons fortifiés à deux niveaux de concentrations : 5x10-3%m/m et 1,5x10-2 %m/m, comme présenté dans les tableaux suivants. [0062] Tableau 1: Concentration en glycérol libre dans le biodiesel en comparaison avec les valeurs de référence obtenues par chromatographie 5 gazeuse ÉCHANTILLON RÉFÉRENCE %rnim [GL] %mei RÉCUP. 1 0,006 0,006 100% 2 0,007 0,007 100% 3 0,018 0,017 94% 4 0,002 0,002 100% 5 0,001 0,001 100% 6 0,001 0,001 100% 7 0,001 0,001 100% 8 REVENDICATIONS1. Procédé d'analyse d'un échantillon de biocarburant comprenant des esters méthyliques d'acides gras (EMAG) en vue de déterminer la teneur en glycérol libre (FG), caractérisé en ce que ; - on effectue l'extraction en phase solide du glycérol à partir de l'échantillon dans un collecteur contenant une cartouche de silice, en éluant, d'une part, une phase (F1) contenant les esters méthyliques et les acylglycérols et, d'autre part, une phase (F2) contenant le glycérol libre puis, - on sèche ladite phase (F2) et on la met en suspension dans le solvant éthanol, - on introduit ladite suspension dans une cellule électrochimique contenant un électrolyte à base d'hydroxyde de potassium et une électrode en carbone vitreux modifiée par dépôt de nanoparticules de palladium et, - on mesure la concentration en glycérol libre (FG) par voltamétrie cyclique. Procédé d'analyse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on conditionne ladite cartouche de silice avec de l'hexane. Procédé d'analyse selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on élue la phase (F1) avec des solvants choisis dans le groupe constitué des éthers de pétrole, de l'éther éthylique et de mélanges en solutions de ces éthers. Procédé d'analyse selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on élue la phase (F2) avec de l'éthanol de qualité CLHP (Chromatographie Liquide Haute Performance). Procédé d'analyse selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit électrolyte comprend 3,95 mL d'une solution d'hydroxyde de potassium à une concentration de 0,1 mol L-1 et de 0,05 mL de la phase (F2). Procédé d'analyse selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on mesure la concentration en glycérol libre (FG) par voltamétrie à 1 cycle avec un potentiel compris entre -800 mV et 800 mV et un taux de balayage de 100 mV s-1. 10 152. 3. 20 4. 5. 25 6. 30 13 7. Procédé d'analyse selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dépôt de nanoparticules de palladium sur l'électrode en carbone vitreux est effectué avec une concentration en chlorure de palladium de 0,005 mol L-1 par voltamétrie à 1200 cycles avec un potentiel compris entre -200 mV et 900 mV et 5 un taux de balayage de 6 V s-1. 8. Procédé d'analyse selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure par voltamétrie cyclique est effectué avec une courbe d'addition standard. 9. Utilisation du procédé d'analyse selon l'une des revendications précédentes, pour l'analyse du glycérol libre (FG) d'un biocarburant issu d'une trans-estérification à taux de conversion élevé.