Vers un captage de carbone plus rentable et plus efficace

Le captage de carbone est un processus qui consiste à collecter et à stocker le dioxyde de carbone (CO₂) rejeté par les fabriques et les centrales électriques afin de réduire ses émissions globales. Il existe actuellement deux manières d’effectuer ce captage, l’une utilisant des matériaux solides poudreux qui « collent » au CO₂, l’autre ayant recours à un liquide qui l’absorbe. Malgré leurs bénéfices énergétiques et environnementaux potentiels, ces stratégies ne sont toutefois pas idéales en raison de leurs exigences en matière d’ingénierie, de leur coût et de leur efficacité énergétique. Or, des chercheurs de l’EPFL, de l’UC Berkeley et de Pékin ont combiné des solides et des liquides capables de capter le carbone pour mettre au point une « boue » qui allie le meilleur des deux mondes, soit la facilité d’implémentation des liquides à grande échelle, ainsi que les coûts relativement faibles et l’efficacité énergétique des matériaux solides. Cette méthode innovante est présentée dans Nature Communications.

L’approche la plus répandue en matière de captage de carbone nécessite des solutions liquides d’amines, qui absorbent le CO₂ dans l’atmosphère. À grande échelle, ce système utilise deux colonnes, l’une pour capturer le CO₂, et l’autre pour le libérer du liquide selon un procédé appelé « régénération », qui est l’étape la plus gourmande en énergie, car le CO₂ s’attache si fortement aux molécules amines qu’il est nécessaire de les bouillir pour pouvoir les séparer.

Une alternative aux liquides consiste à utiliser des matériaux solides appelés « structures métallo-organiques » (MOF) – de fines poudres dont les particules sont faites d’atomes de métal connectés en une structure tridimensionnelle avec des lieurs organiques. Leur surface est couverte de nanopores qui collectent les molécules de CO₂. Pourtant, malgré son coût réduit, cette méthode, qui implique du transport de solides, est très astreignante en termes d’ingénierie. Comme le dit Berend Smit, directeur du Centre de l’énergie de l’EPFL: « Cela équivaut à marcher avec une assiette pleine de talc – difficile de ne pas en mettre partout. »

Associé à des chercheurs de Pékin et de l’UC Berkeley, Smit est l’auteur principal d’une découverte innovante en matière de captage de carbone. Celle-ci combine les solutions liquides et solides dans une « boue », le solide étant un MOF nommé ZIF-8 placé en suspension dans une mixture liquide de glycol 2-méthylimidazole.

« Pourquoi une boue? », relève Smit. « Parce que les pores des substances requises pour l’absorption sont trop larges et que le liquide environnant les remplirait et les empêcherait de capturer le CO₂. Nous avons donc cherché un matériau, le ZIF-8, dont les pores sont trop petits pour les molécules de glycol, mais assez grands pour capter celles du CO₂ issu des gaz de combustion. »

Le ZIF-8 est un choix sûr, car il bénéficie d’une excellente stabilité thermique, chimique et en solution, qui s’avère cruciale en cas de cycles de régénération répétés. Les cristaux de ZIF-8 ont en outre des pores de diamètre étroit (3.4 Å), plus faible que celui des molécules de glycol (4.5 Å), ce qui empêche ces dernières de s’y glisser. D’autres liquides ont été testés lors de la mise au point de la boue, dont l’éthanol, l’hexane, le méthylbenzène et le tétrachlorométhane, mais leurs molécules sont toutes assez petites pour pénétrer les pores du ZIF-8 et réduire son efficacité de captage. Le glycérol s’est donc révélé jusqu’ici le liquide idéal.

Le concept de boue vient d’une idée d’un des anciens doctorants de Smit, qui est désormais professeur à Pékin. Il pourrait se révéler être la clé d’une implémentation à grande échelle du captage de carbone. « Pomper de la boue est bien plus facile que transporter une pile de talc, » explique Smit. « Et nous pouvons utiliser la même technologie pour intégrer la chaleur que pour le processus liquide. »

La faculté qu’a la boue de combiner un faible coût avec l’efficacité des matériaux nanoporeux et la simplicité d’un processus de séparation liquide, lui permet de vaincre les obstacles majeurs de l’implémentation du captage de carbone. La boue se sépare en outre exceptionnellement facilement du CO₂, ce qui signifie qu’il est inutile d’avoir recours à de grandes quantités d’énergie (p.ex. l’ébullition) pour la régénération. D’où une efficacité énergétique globale accrue.

Cette technique offre un modèle innovant qui va inspirer d’autres combinaisons similaires. Forts de la validation de leur concept, les équipes de chercheurs projettent désormais de tester leur mélange ZIF-8/glycol sur le terrain.

Cette étude est une collaboration entre l’EPFL, l’Université chinoise du pétrole, l’Université de Californie Berkeley et l’Université de Technologie chimique de Pékin.

Source

Liu H, Liu B, Lin L-C, Chen G, Wu Y, Wang J, Gao X, Lv Y, Pan Y, Zhang X, Zhang X, Yang L, Sun C, Smit B, Wang W. A hybrid absorption–adsorption method to efficiently capture carbon.Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms6147