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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Huitième partie. Les impacts environnementaux et sanitaires

13. De nouveaux solides poreux hybrides pour la capture du CO2

Christian Serre et Gérard Férey

Texte intégral

1Pour lutter contre le réchauffement climatique, la capture du dioxyde de carbone (CO2) dans des conditions économiquement viables est un enjeu scientifique et technologique majeur. La séquestration du CO2 se décompose en trois parties : capture, transport et stockage. La plus onéreuse est la capture qui consiste à récupérer le CO2 à partir des fumées d’usine. Le CO2 est produit en quantités et pressions variables en présence d’autres gaz ou vapeurs qu’il faut alors séparer afin de le récupérer avec la meilleure pureté possible (95 %) pour ensuite le transporter et le stocker. Actuellement, la séquestration du CO2 est réalisée principalement par réaction chimique avec des bains d’amine, mais ce procédé nécessite l’utilisation d’amines «  corrosives » et une régénération coûteuse sur le plan énergétique ; il reste donc trop onéreux. Par conséquent, il est nécessaire d’envisager des procédés alternatifs pour la capture du CO2.

2Les solides microporeux constituent une famille de composés très adaptés pour la capture des gaz. Ces matériaux, de nature inorganique (zéolithes* ou aluminosilicates), organique (charbons actifs, polymères) ou hybrides (Metal-OrganicFrameworks ou MOFs), possèdent un réseau de pores organisés d’une dimension de l’ordre d’une à plusieurs fois la taille des molécules de CO2 et sont susceptibles d’interagir fortement avec le CO2 au travers de la paroi de leurs pores. Un procédé de capture basé sur un solide poreux consiste alors à séparer à une pression donnée le mélange contenant le CO2 en le faisant passer au travers d’une colonne remplie avec le matériau poreux (adsorbant), afin d’extraire le CO2 en baissant ensuite la pression. Entre chaque cycle de pression, l’adsorbant est régénéré (chauffage, vide…) et l’efficacité du procédé dépend à la fois de la sélectivité du CO2 par rapport aux autres gaz (méthane, monoxyde de carbone, azote…) et du coût de la régénération. Les zéolithes, de par la présence de cations libres au sein de leurs pores, possèdent une très forte affinité pour le CO2. Cela se traduit par une très bonne capture du CO2 mais avec la nécessité de chauffer à haute température (~ 250 °C) afin de désorber* le CO2 et ainsi régénérer l’adsorbant. Les charbons actifs sont eux régénérables plus facilement mais possèdent une affinité moindre pour le CO2 ce qui se traduit par une sélectivité réduite. Les solides hybrides de type MOFs sont en quelque sorte une classe intermédiaire entre les zéolithes et les charbons. Leur structure hybride est constituée d’un assemblage régulier d’entités minérales discrètes ou infinies et d’espaceurs organiques dont la fonction est de relier les parties minérales entre elles tout en les espaçant pour créer une porosité* organisée. Leurs structures et compositions peuvent être également modulées « à la carte » en combinant presque tous les éléments du tableau périodique et une très grande variété de ligands* organiques. Certains de ces solides ont également au sein de leur charpente des centres métalliques acides accessibles permettant une interaction renforcée avec le CO2. Il existe également des solides MOFs flexibles capables d’adapter l’ouverture de leurs pores pour optimiser leur interaction avec le CO2. Enfin, signalons la possibilité de fonctionnaliser l’espaceur organique* constitutif du MOF en lui rajoutant un groupement organique susceptible d’accroître l’interaction avec le CO2. La température nécessaire pour la régénération du MOF après un cycle de capture du CO2 est généralement inférieure à celle des zéolithes tout en conservant typiquement des sélectivités pour le CO2 plus intéressantes qu’avec les charbons actifs. Cela laisse envisager un coût global pour la capture très compétitif.

Structure locale d’un MOF poreux

3À ce jour, l’utilisation industrielle des MOFs pour des procédés de capture du CO2 n’a pas encore démarré. Les premiers essais (laboratoire, pilote*) sont encourageants tant pour les procédés à basse pression (< 1 bar), c’est-à-dire pour les fumées d’usine où le CO2 est produit, que pour les procédés à plus haute pression (1 bar), tels que la production d’hydrogène à partir de la biomasse.

Table des illustrations

Légende Structure locale d’un MOF poreux
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11169/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 328k

Auteurs

Chimiste, Directeur de Recherche au CNRS, Institut Lavoisier, Versailles.
christian.serre@uvsq.fr

Chimiste, Professeur Émérite, Membre de l’Académie des Sciences, Institut Lavoisier, Université de Versailles St-Quentin-en-Yvelines, Versailles.
gferey@me.com

© CNRS Éditions, 2013

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