Capture du CO2 grâce à un matériau hybride à haut rendement énergétique

Les émissions industrielles représentent l’une des principales sources de dioxyde de carbone (CO2). Bien que l’adoption d’alternatives énergétiques renouvelables et propres soit une option pour atténuer ces émissions de carbone, la technologie de capture du carbone constitue une autre solution pour contrôler les émissions de CO2.

Dans les grandes industries émettrices de CO2, comme les cimenteries, les raffineries de pétrole et les centrales thermiques, la technologie de capture du carbone peut être facilement appliquée pour éliminer les émissions de CO2 directement à la source, à un coût faisable et avec une faible consommation d’énergie.

Différents matériaux ont été explorés pour la capture du CO2 dans les usines, notamment les zéolithes, les structures organométalliques, les minéraux naturels, les alcalis et les sels alcalins. Parmi eux, les carbonates alcalins, tels que le carbonate de sodium (Na2CO3), sont considérés comme des matériaux efficaces et peu coûteux, avec des propriétés stables et une obtention facile.

Propriétés du carbonate de sodium

Théoriquement, le Na2CO3 possède une capacité de capture du CO2 décente et peut être facilement régénéré pour des utilisations successives. Cependant, l’application directe du Na2CO3 pour capturer le CO2 provoque l’agglomération des cristaux, entraînant une faible efficacité et une durée de vie plus courte. Ce problème peut être éliminé en utilisant un squelette de carbone pour le Na2CO3. Les matériaux carbonés poreux avec une bonne connectivité des pores offrent une faible densité, une stabilité structurelle, une hydrophobicité et une grande surface qui peuvent stabiliser le Na2CO3.

Une nouvelle étude du professeur Hirofumi Kanoh et Bo Zhang de l’École supérieure des sciences de l’Université de Chiba, a synthétisé un matériau hybride de capture du CO2 composé de Na2CO3 enveloppé de nanocarbone poreux. Ils ont ensuite évalué ses efficacités de capture et de régénération du CO2 à différentes températures de carbonisation. Les hybrides Na2CO3−carbone (NaCH) ont été dérivés par carbonisation du téréphtalate de disodium à des températures allant de 873 K à 973 K en présence d’azote comme gaz protecteur.

Les capacités de capture du CO2 des matériaux hybrides ont été mesurées dans des conditions humides pour imiter les conditions des gaz d’échappement des usines. Les hybrides NaCH préparés à des températures de carbonisation proches de 913–943 K ont démontré des capacités de capture du CO2 plus élevées. Parmi eux, le NaCH-923 a présenté la capacité de capture du CO2 la plus élevée avec 6,25 mmol/g et une teneur en carbone élevée de plus de 40 %, ce qui a entraîné une plus grande surface, permettant une distribution plus uniforme du Na2CO3 sur la surface du nanocarbone.

Après avoir efficacement capturé le CO2, les scientifiques ont de nouveau chauffé le NaCH-923 résultant en présence d’azote pour tester ses performances de régénération. Ils ont constaté que le NaCH-923 pouvait être régénéré et utilisé pour la capture du CO2 pendant 10 cycles, tout en conservant plus de 95 % de sa capacité initiale de capture du CO2. Ces résultats indiquent que le NaCH-923 présente une bonne résistance structurelle, durabilité et régénération, ce qui en fait un excellent matériau pour la capture du CO2 dans des conditions humides.

Utilisation de la chaleur résiduelle

Des expériences supplémentaires sur le NaCH-923-CO2 ont montré que l’échantillon subissait un changement de masse abrupt à 326−373 K (environ 80 °C en moyenne). Étant donné que la température des gaz d’échappement des centrales thermiques se situe également généralement dans cette plage, la chaleur résiduelle des usines et des centrales électriques peut être facilement utilisée comme source de chaleur pour régénérer le NaCH-923, réduisant ainsi efficacement la consommation d’énergie.

Ces découvertes montrent que la température de carbonisation influence significativement la performance de capture du CO2 et la teneur en carbone des hybrides NaCH, le NaCH-923 présentant les meilleures caractéristiques. En tant qu’adsorbant solide, le NaCH-923 peut capturer efficacement le CO2 à température et pression ambiantes avec une haute sélectivité pour le CO2, sans le problème de corrosion des équipements qui existe avec les adsorbants liquides actuellement utilisés dans les industries. De plus, ces caractéristiques permettent son application généralisée dans diverses configurations, environnements et contextes industriels divers.

«En transformant le Na2CO3, qui possède déjà une bonne capacité de capture du CO2, en un nanocomposite, il est devenu possible d’améliorer la vitesse de réaction et de réduire la température de décomposition et de régénération. Cela permet d’utiliser la chaleur résiduelle des usines pour la régénération à environ 80 °C, nous offrant ainsi un système de capture du CO2 économe en énergie,» conclut le professeur Kanoh.

Article : « Sodium Carbonate−Carbon Hybrid Material for Low-Energy-Consuming CO2 Capture » – DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c01232