Les progrès technologiques dans le domaine de la chimie verte transforment progressivement l’industrie chimique. Une équipe de chercheurs japonais a récemment mis en lumière une méthode innovante pour la conversion de la biomasse en oléfines, des composés essentiels à la fabrication de nombreux produits du quotidien.
L’équipe de recherche de l’Université de Kyushu a démontré l’efficacité d’un matériau zéolithique appelé Na-ZSM-5 pour améliorer la conversion chimique de la biomasse en oléfines. Les oléfines sont des précurseurs chimiques indispensables à la fabrication de nombreux produits, allant des plastiques aux médicaments.
La particularité de cette méthode réside dans l’utilisation de micro-ondes pour chauffer le matériau Na-ZSM-5. Cette approche pourrait conduire à une industrie chimique plus économe en énergie et plus durable. L’utilisation des micro-ondes permet en effet de chauffer directement et sélectivement les matériaux, offrant ainsi des économies d’énergie significatives par rapport aux processus conventionnels de chauffage par convection.
Une alternative aux méthodes traditionnelles
Traditionnellement, la synthèse de précurseurs chimiques simples s’effectue par un procédé appelé reformage du naphta. Cette méthode nécessite une grande quantité d’énergie et libère du dioxyde de carbone. Des sources alternatives comme les huiles de cuisson usagées et les huiles de microalgues ont été envisagées pour synthétiser ces composés chimiques simples de manière plus économique et écologique.
La conversion de ces huiles s’effectue généralement par un procédé de « craquage catalytique » à l’aide d’un matériau appelé zéolithe. La zéolithe est un matériau naturel poreux, couramment utilisé comme catalyseur ou comme absorbant. Toutefois, ce processus nécessite des températures très élevées, entre 500 et 600°C, ce qui entraîne une consommation d’énergie importante et peut provoquer la formation de dépôts indésirables, un phénomène connu sous le nom de cokéfaction.
Les avantages du chauffage par micro-ondes
Le professeur associé Shuntaro Tsubaki, de la Faculté d’Agriculture de l’Université de Kyushu, et son équipe ont expérimenté l’utilisation des micro-ondes pour chauffer les catalyseurs zéolithiques à la température requise, tout en évitant les effets négatifs comme la cokéfaction.
Concernant les avantages des micro-ondes, le professeur Tsubaki a indiqué : « Les micro-ondes interagissent directement avec les matériaux et peuvent leur délivrer de l’énergie de manière sélective, permettant des économies d’énergie significatives par rapport aux processus conventionnels de chauffage par convection. En particulier, les micro-ondes peuvent accélérer la catalyse gaz-solide en traversant directement la phase gazeuse et en chauffant sélectivement le catalyseur solide. Ils y parviennent en formant des points chauds spatiaux à l’intérieur du lit catalytique.«
Des résultats encourageants
Les chercheurs ont d’abord comparé différents catalyseurs zéolithiques pour identifier ceux qui pouvaient être efficacement chauffés par micro-ondes tout en offrant de bonnes performances catalytiques. Grâce à des analyses théoriques et expérimentales, ils ont sélectionné le Na-ZSM-5, une zéolithe substituée par des ions sodium.
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Pour démontrer les avantages du chauffage par micro-ondes par rapport au chauffage conventionnel, l’équipe a réalisé une conversion catalytique de l’oléate de méthyle. Le Na-ZSM-5 chauffé par micro-ondes a surpassé les autres catalyseurs, atteignant une efficacité de conversion élevée des esters d’acides gras en oléfines avec une grande sélectivité. De plus, la production de dioxyde de carbone a été limitée à seulement 1,3% du rendement total de la réaction, et aucune production de monoxyde de carbone n’a été observée.
Le chauffage par micro-ondes du Na-ZSM-5 à 500°C a permis une production d’oléfines quatre fois supérieure à celle obtenue par chauffage conventionnel à la même température. Cette amélioration s’explique en partie par une plus grande sélectivité du Na-ZSM-5 pour produire des oléfines plutôt que d’autres composés. De plus, aucune formation de coke n’a été observée avec le chauffage par micro-ondes, même à la température élevée de 600°C.
Quel horizon pour l’industrie chimique durable ?
L’analyse des changements structurels locaux dans la zéolithe exposée aux micro-ondes a révélé que l’absorption des micro-ondes provoquait des températures localisées de plus de 1000°C dans le réseau cristallin de la zéolithe, alors que la température du matériau en vrac restait à 500°C. Ces températures extrêmes sont probablement responsables de la production sélective d’oléfines.
Le professeur Tsubaki a souligné l’importance de ces résultats pour l’avenir de l’industrie chimique : « Nos découvertes devraient contribuer à l’électrification accrue de l’industrie chimique. Étant donné que les micro-ondes peuvent être générées à partir de sources d’énergie renouvelables comme le solaire et l’éolien, nous pouvons réduire l’impact environnemental de la synthèse de ces produits chimiques fondamentaux.«
Les chercheurs prévoient d’améliorer davantage les processus catalytiques assistés par micro-ondes, en cherchant à augmenter le rendement et l’efficacité énergétique tout en augmentant leur capacité. Leurs efforts pourraient conduire à une nouvelle ère dans la fabrication chimique durable.
“Microwave-enhanced catalytic conversion of fatty acid ester to olefins by Na-ZSM-5”, Shunsuke Ota, Jun Fukushima, Ken’ichi Kimijima, Masao Kimura, Noriyuki Igura, Noriyasu Tezuka, Takashi Sato, Hisahiro Einaga, and Shuntaro Tsubaki, Chemical Engineering Journal, 10.1016/j.cej.2024.154737
