Near infrared spectroscopy applied to solid organic waste˸ how to avoid water effects? - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Near infrared spectroscopy applied to solid organic waste˸ how to avoid water effects?

Caractérisation spectroscopique robuste des déchets organiques ˸ comment s'affranchir des effets de l'eau ?

Résumé

Historically, near infrared spectroscopy (NIRS) has been used to characterize highly diverse and complex organic waste (such as animal manure, crop residues, food and catering waste, wastewater treatment sludges, etc.) that are used in anaerobic digestion processes. However, the current freeze-drying and grinding steps that are required today to avoid water and particle size effects impede any on-site and online applications. In light of this, this thesis tackles the topic of water effects in NIRS. The objective is to better develop our understanding of these water effects in order to develop new strategies for building robust calibrations.A custom experimental set-up was designed to collect dynamically and simultaneously the reflectance spectra of 90 various substrates during their drying with its estimated water content. This allowed to constitute a unique dataset of 160 000 spectra covering a wide range of biochemical compositions (fat, carbohydrates, fibrous), and a wide range of moisture content (1% to 99%). The effects of water on the collected spectra were analyzed using principal components analysis and shown to be both chemical and physical. This first study allowed to show that these effects were complex and depended of the biochemical composition, the physical properties and the range of moisture content.In a second study, the physical effects of water on scattering were further investigated. Using a model system (aluminum pellets mixed with water), water variations were shown to induce path-length modifications; and a modification of the Bouguer-Beer-Lambert law was proposed for wet scattering media where path-length was shown to be directly related to a power function of the moisture content. The implications of these results for research on water structure using NIRS, and moisture content determination using NIRS are discussed.The last part of the work consists in further investigating how this new law behaves in more complex systems such as organic waste. In particular, multivariate curve resolution (MCR-ALS) is proposed as a tool to explore the water effects in these different systems; and further define the classes of substrates with similar behaviors regarding water.
Historiquement, la spectroscopie proche infra-rouge (SPIR) a pu être utilisée pour caractériser des déchets organiques complexes et divers (tels que les fumiers/lisiers, les résidus de culture, les déchets de l'agro-alimentaire, ou les boues de stations d'épuration) qui peuvent être utilisés dans les procédés de digestion anaérobie (méthanisation). En revanche, des étapes de lyophilisation et de broyage sont aujourd'hui nécessaires pour éviter les effets de l'eau et de la granulométrie en SPIR, ce qui empêche toute utilisation sur site ou en ligne. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse aux effets de l'eau sur la SPIR. L'objectif est de mieux comprendre ces effets et de proposer des stratégies pour s'en affranchir.Un dispositif expérimental a été conçu pour collecter de manière dynamique les spectres de réflectance ainsi que la teneur en eau de 90 substrats variés pendant leur séchage. Cela a permis de constituer une base de donnée importante de 150 000 spectres qui couvrent une large gamme de matrices biochimiques (gras, sucres, fibres), et une gamme étendue de teneurs en eau (de 1% à 99%). A travers l'analyse en composantes principales, les effets complexes de l'eau ont pu être détaillés, avec des effets physiques et chimiques. La non-linéarité de ces effets à pu être mis en évidence, avec une dépendance selon le type biochimique, les propriétés physiques et la gamme de teneur en eau.Dans une deuxième étude, les effets physiques de l'eau sur la diffusion ont pu être étudiés. En se basant sur un système modèle (de l'aluminium mélangé à de l'eau), il a pu être démontré que les variations de teneur en eau provoquent des modifications du trajet optique de la lumière; et une modification de la loi de Bouguer-Beer-Lambert a pu être proposée pour les milieux humides diffusants où le trajet optique est directement relié à la teneur en eau par une fonction de puissance. Les implications sur les recherches menées sur la structure de l'eau dans la matière, ainsi que l'étalonnage quantitatif pour prédire la matière sèche par SPIR sont discutées.La dernière partie du travail consiste à présenter le potentiel de cette nouvelle loi sur des milieux complexes que sont les déchets organiques. La résolution de courbes multivariées (MCR-ALS) est notamment proposée comme outil pour identifier différents groupes de substrats aux comportements similaires vis à vis de l'eau.
Fichier principal
Vignette du fichier
21-0026_Mallet.pdf (17.48 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04049594 , version 1 (28-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04049594 , version 1

Citer

Alexandre Mallet. Near infrared spectroscopy applied to solid organic waste˸ how to avoid water effects?. Chemical and Process Engineering. Montpellier SupAgro, 2021. English. ⟨NNT : 2021NSAM0026⟩. ⟨tel-04049594⟩
80 Consultations
8 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More