Substance super carbonnée : un double impact chinois
Il suffit de taper le terme "recyclage du dioxyde de carbone" dans le moteur de recherche dédié aux travaux scientifiques "Google Scholar" pour que des dizaines d'histoires de réussite surgissent, avec pour protagonistes des chercheurs ayant réussi à développer des techniques et méthodes visant à réduire les émissions de carbone, et à créer des voies durables pour son utilisation en tant que ressource précieuse, atténuant ainsi son impact sur le changement climatique.
Tandis que les technologies développées par les chercheurs semblaient prometteuses, les scientifiques poursuivent l'exploration de solutions plus efficaces et économiquement intéressantes, pouvant être déployées à l'échelle industrielle. Des chercheurs chinois prétendent ainsi avoir fait un pas significatif vers l'atteinte de ce but.
Dans l'étude publiée par le "Chinese Journal of Catalyst", des chercheurs de l'Université de Zhejiang en Chine ont décrit leur méthode pour transformer le dioxyde de carbone en "diméthyléther", une substance industrielle majeure pouvant être qualifiée de "super substance".
En 2023, le marché mondial du diméthyléther atteignait 6,6 milliards de dollars américains. Selon les prévisions du Congrès international sur les mines et les ressources, le marché devrait atteindre 14,2 milliards de dollars américains d'ici 2032, montrant ainsi un taux de croissance annuel de 8,5 % de 2024 à 2032. Ceci est principalement dû à la diversité de ses applications, car elle est utilisée dans de nombreuses industries, notamment :
- Premièrement : Employé dans la fabrication de produits aérosols tels que les fixatifs pour cheveux, les déodorants et les peintures en spray.
- Deuxièmement : Utilisé comme réfrigérant dans les systèmes de pompes à chaleur et les unités de climatisation, particulièrement dans les pays où les régulations environnementales restreignent l'usage des réfrigérants conventionnels à cause de leur fort potentiel de réchauffement global.
- Troisièmement : Servant de solvant dans diverses industries, surtout dans les processus d'extraction ou comme nettoyant de par ses propriétés solubilisantes.
- Quatrièmement : Il peut être utilisé comme matière première dans la production de différents produits chimiques, y compris les oléfines et le sulfate de diméthyle, utilisés dans la fabrication de plastiques et de résines, ainsi que d'autres produits chimiques.
- Cinquièmement : Peut être mélangé avec du GPL (gaz de pétrole liquéfié) pour améliorer les propriétés de combustion et réduire les émissions.
- Sixièmement : Utilisable comme vecteur d'hydrogène dans les applications de pile à combustible, il peut donc être bénéfique pour les véhicules fonctionnant à l'hydrogène.
Deux méthodes de fabrication connues
Outre le recyclage du dioxyde de carbone, cette "super substance" est traditionnellement fabriquée via deux principales méthodes:
- Premièrement – la conversion du méthanol en "diméthyléther" : Cette approche débute par la production de gaz de synthèse (un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène) à partir de gaz naturel, de charbon, de biomasse ou d'autres matières premières hydrocarbonées, et une fois le gaz de synthèse obtenu, il est transformé en méthanol en utilisant des catalyseurs basés sur le cuivre, puis le méthanol subit une déshydratation catalytique supplémentaire pour produire le "diméthyléther".
- Deuxièmement – la déshydratation directe du méthanol : Cette méthode repose sur la production directe du "diméthyléther" par déshydratation, incluant l'usage de catalyseurs acides comme le zéolithe pour éliminer la molécule d'eau du méthanol, menant ainsi à la formation du composé souhaité.
Le choix entre ces méthodes dépend souvent de facteurs tels que les matières premières disponibles, les coûts, l'efficacité du processus et les considérations environnementales, et la méthode indirecte via le gaz de synthèse est plus courante dans la production industrielle en grande échelle, en raison de l'utilisation de diverses matières premières, tandis que le procédé de déshydratation directe du méthanol est moins fréquent.
Une troisième voie… avec un avantage supplémentaire
Dans le cadre des efforts mondiaux pour réduire les émissions de dioxyde de carbone en raison de ses effets néfastes sur le climat, plusieurs études ont décrit des expériences de transformation de ce gaz en "diméthyléther" super substance, permettant ainsi de "tuer deux oiseaux d'une pierre" en éliminant les émissions de carbone nuisibles pour le climat terrestre et en produisant dans le même temps une substance extrêmement utile dans diverses industries. Parmi ces expériences, nous trouvons :
- L'hydrogénation directe : où des scientifiques ont expérimenté des processus d'hydrogénation directe impliquant la réaction catalytique du dioxyde de carbone avec l'hydrogène pour produire le "diméthyléther", utilisant des catalyseurs incluant ceux à base de cuivre et des nanoparticules de cuivre.
- La catalyse séquentielle : qui implique une série de réactions où le dioxyde de carbone est d'abord converti en méthanol, puis le méthanol subit une réaction de condensation pour former le "diméthyléther", en utilisant des catalyseurs en cuivre pour la synthèse initiale du méthanol, suivie par des catalyseurs acides comme le zéolithe pour la déshydratation du méthanol et sa conversion en "diméthyléther".
- Les catalyseurs bifonctionnels : basés sur des catalyseurs combinant des fonctions acides et métalliques, à la recherche de nanoparticules de cuivre supportées sur des oxydes acides pour réaliser la conversion du dioxyde de carbone en diméthyléther.
Ces expériences ont toutefois rencontré plusieurs défis, dont :
- Des difficultés à atteindre une haute sélectivité de la substance voulue lorsque les taux de conversion du dioxyde de carbone augmentent, conduisant à une diminution de la productivité et à la formation de produits secondaires indésirables tels que les hydrocarbures.
- La sinterisation ou l'agglomération des particules catalytiques nanométriques lors de la réaction, conduisant à une baisse de la durabilité et de l'efficacité du catalyseur.
Que font les Chinois ?
Dans leur quête pour surmonter ces difficultés, les chercheurs chinois dirigés par le professeur Feng Shuo Xiao et le professeur Liang Wang de l'Université de Zhejiang, ont annoncé une méthode plus efficace et économiquement viable qui serait également adaptable à l'échelle industrielle.
Les recherches ont révélé dans un communiqué de presse émis par l'Académie chinoise des sciences, une simplification de leur nouvelle méthode sur laquelle ils reconnaissent s'être fondés sur les travaux antérieurs. Voici les réalisations marquantes :
- Identifier les limites du catalyseur : Ils ont étudié les catalyseurs initiaux développés pour la conversion directe du dioxyde de carbone en "diméthyléther" et ont identifié les challenges rencontrés par les chercheurs, y compris la production réduite de la substance cible et l'augmentation de produits secondaires indésirables.
- Développer un catalyseur amélioré : Ils ont traité ces défis en créant un catalyseur amélioré basé sur des nanoparticules de cuivre, chargeant les nanoparticules de cuivre sur des supports de silice hydrophobes modifiés avec du gallium (un métal argenté tendre souvent utilisé dans diverses applications).
- Acidité et déshydratation : La silice modifiée au gallium offre une acidité modérée, facilitant la déshydratation du méthanol en "diméthyléther", tout en empêchant la déshydratation excessive qui mène à la formation d'hydrocarbures.
- Prévenir la désactivation du catalyseur : Avec une surface hydrophobe effectivement catalytique qui prévient le problème de la sinterisation des nanoparticules de cuivre, un problème courant causé par l'eau et le méthanol, ils maintiennent ainsi l'intégrité et l'efficacité du catalyseur.
- Conditions de réaction améliorées : Dans des conditions de réaction spécifiques (un débit de 6 litres des matières engagées dans la réaction passant à travers le catalyseur par heure à une température de 240 degrés Celsius et une pression de 3 mégapascals), le catalyseur a atteint un taux de conversion du dioxyde de carbone de 9,7% avec une haute sélectivité de 59,3% pour la substance "diméthyléther" désirée, et avec une diminution notable des produits secondaires indésirables.
- Durabilité et longévité : Pendant un test continu de 100 heures, le catalyseur a montré des performances stables et durables sans aucun signe de déclin, surpassant la performance des catalyseurs en cuivre traditionnels.
Les chercheurs affirment dans leur communiqué de presse: "Ces étapes représentent une approche innovante pour le développement d'un catalyseur efficace et durable pour la conversion du dioxyde de carbone en diméthyléther, offrant des perspectives prometteuses pour le recyclage efficace du carbone."
Un travail de laboratoire attendu pour les tests d'expansion
Selon le Dr Mahmoud Abdel Hafeez, professeur de génie chimique à l'Université du Nouveau Wadi en Égypte, ces perspectives prometteuses de recyclage nécessitent un effort supplémentaire pour prouver la faisabilité de l'idée à grande échelle et son application dans le monde réel.
Dans un entretien téléphonique avec "Aljazeera Net", Abdel Hafeez a déclaré : "Les expériences de laboratoire, telles qu'elles apparaissent dans l'étude, sont très encourageantes, mais le défi important est la mesure dans laquelle il est possible de produire le nouveau catalyseur à l'échelle industrielle pour une utilisation étendue dans la conversion du dioxyde de carbone en diméthyléther."
Il explique également que l'élargissement du concept nécessite également une amélioration pour réduire les produits secondaires tels que le dioxyde de carbone et les hydrocarbures ; malgré la sélectivité atteinte (59,3%) pour la substance "diméthyléther" ciblée, les produits secondaires représentent encore 40%, et il serait préférable de réduire ce pourcentage.
"Il faut aussi trancher la question de la sécurité, ce qui nécessite de répondre à la question : existe-t-il des préoccupations en matière de sécurité pendant la production à grande échelle de diméthyléther à partir de dioxyde de carbone."