La combustion sélective offre une alternative économe en énergie pour éliminer les polluants des procédés industriels

Pour la première fois, des chercheurs de l’université du Minnesota Twin Cities ont découvert une nouvelle méthode permettant d’utiliser un catalyseur pour brûler sélectivement une molécule dans un mélange d’hydrocarbures, qui sont des composés constitués d’atomes d’hydrogène et de carbone.

Cette nouvelle méthode pourrait contribuer à l’élimination des polluants et améliorer l’efficacité des processus industriels, de la production de carburants et de médicaments aux engrais et aux plastiques.

La recherche est publiée dans Science, une revue scientifique internationale multidisciplinaire de premier plan, évaluée par des pairs.

En utilisant un catalyseur à base d’oxyde de bismuth – une substance qui accélère une réaction chimique – les chercheurs peuvent brûler sélectivement une molécule dans un mélange de combustibles. Les chercheurs ont montré qu’il est possible de brûler efficacement même de petites quantités d’acétylène dans des mélanges avec de l’éthylène. L’élimination de l’acétylène est un processus crucial pour éviter l’empoisonnement des catalyseurs de polymérisation, ce qui est essentiel pour la production de plastiques de polyéthylène, un marché qui dépasse les 120 millions de tonnes métriques par an.

« Personne d’autre n’avait montré qu’il était possible de brûler un hydrocarbure présent en faible concentration dans un mélange avec d’autres », a déclaré Aditya Bhan, professeur émérite de l’université McKnight au département de génie chimique et de science des matériaux et chercheur principal de l’article.

Traditionnellement, les processus de combustion sont utilisés pour brûler tous les mélanges de combustibles hydrocarbonés à des températures élevées afin de produire de la chaleur. L’utilisation d’un catalyseur a permis aux chercheurs de relever le défi consistant à brûler une molécule mais pas les autres. Le catalyseur à base d’oxyde de bismuth est unique car il fournit son propre oxygène pendant la combustion, au lieu d’utiliser l’oxygène d’une source extérieure, dans un processus appelé bouclage chimique.

« Nous avons pu retirer l’oxygène du catalyseur et l’y remettre à plusieurs reprises, ce qui modifie légèrement le catalyseur, mais n’affecte pas sa réactivité. Ce mode de fonctionnement en boucle chimique permet d’éviter les problèmes d’inflammabilité », explique Matthew Jacob, candidat au doctorat en génie chimique à l’université du Minnesota et premier auteur de l’article.

Traditionnellement, l’élimination de faibles concentrations de contaminants est très difficile et consomme beaucoup d’énergie, mais cette nouvelle méthode pourrait constituer une alternative plus efficace sur le plan énergétique.

« Il s’agit d’un processus sélectif. L’élimination de l’acétylène et d’autres traces d’hydrocarbures contaminants de cette manière pourrait être plus efficace sur le plan énergétique », a ajouté Matthew Neurock, professeur au département de génie chimique et de science des matériaux et coauteur principal de l’article. « On veut simplement pouvoir aller dans un mélange de gaz pour en retirer certaines molécules sans toucher au reste des molécules ».

Selon les chercheurs, l’impact à long terme pourrait être important car les catalyseurs sont utilisés dans pratiquement tout ce que nous touchons dans la société moderne – de la production de carburants et de médicaments aux engrais et aux plastiques. Comprendre comment les molécules s’enflamment – et ne s’enflamment pas – sur les surfaces des catalyseurs est précieux pour améliorer l’efficacité de la production de carburants et de plastiques.

« Si nous pouvons comprendre le fonctionnement d’un catalyseur au niveau atomique moléculaire, nous pouvons l’adapter à n’importe quelle réaction particulière », explique Simon Bare, chercheur émérite au SLAC National Accelerator Laboratory de l’université de Stanford et coauteur de l’étude. « Cela peut nous aider à comprendre comment les catalyseurs, qui produisent les carburants et les produits chimiques nécessaires à la vie moderne, réagissent à leur environnement. »

Légende illustration : Cette illustration représente la combustion de petites quantités d’acétylène en mélange avec de l’éthylène. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Article : « Selective chemical looping combustion of acetylene in ethylene-rich streams » – DOI : 10.1126/science.ads3181