Les chercheurs de KAUST explorent les réactions chimiques complexes entre les impuretés du gaz naturel pour transformer l’une de ces contaminants en hydrogène, un carburant propre.
Transformation des impuretés du gaz naturel en hydrogène
Le gaz naturel, principalement composé de méthane, est une source essentielle de carburant et de matières premières chimiques. Il est souvent contaminé par d’autres molécules. Le gaz naturel acide peut contenir jusqu’à 30 % de gaz acide, un mélange de dioxyde de carbone (CO2) et de sulfure d’hydrogène toxique (H2S), qui doit être éliminé par un processus appelé «sweetening» avant que le méthane ne soit utilisé.
La méthode la plus courante pour adoucir le gaz transforme le H2S en soufre et en eau. Toutefois, le H2S pourrait également servir de source d’hydrogène, un carburant vert capable de réduire les émissions de CO2 des véhicules et des processus industriels.
« Le gaz acide a une faible valeur économique et est couramment présent dans les puits de gaz saoudiens. La production d’hydrogène à partir de H2S en présence de CO2 pourrait changer la donne dans l’industrie pétrolière et gazière saoudienne », explique Aamir Farooq, qui a co-dirigé la recherche avec Mani Sarathy.
Différentes stratégies chimiques pourraient convertir le H2S en hydrogène, mais les ingénieurs chimiques doivent mieux comprendre comment l’interaction entre le H2S et le CO2 affecterait les processus. Si les molécules réagissent pour générer de l’eau, par exemple, cela pourrait réduire l’efficacité de la production d’hydrogène.
En s’appuyant sur des études antérieures, l’équipe a développé un modèle théorique des réactions pouvant se produire lors du traitement des gaz acides. Ce modèle cinétique prédit la vitesse de chaque réaction et les sous-produits formés.
Validation expérimentale
Pour tester leur modèle, les chercheurs ont étudié ces réactions à l’aide d’un tube à choc basse pression. Ce tube en acier inoxydable de 18 mètres utilise une onde de choc pressurisée pour chauffer rapidement des mélanges de H2S et de CO2 jusqu’à 1600°C. Quatre lasers infrarouges, chacun accordé à une longueur d’onde caractéristique absorbée par des molécules clés dans le mélange réactionnel — dioxyde de soufre, eau, monoxyde de carbone et CO2 — ont surveillé les changements dans le mélange sur quelques millisecondes.
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Les chercheurs ont également développé une nouvelle technique thermométrique, basée sur les changements d’absorption infrarouge du CO2, pour mesurer la température du mélange. « Grâce à notre technique thermométrique novatrice et à notre modélisation de haute fidélité, nos résultats expérimentaux correspondent remarquablement à notre modèle cinétique proposé, en particulier pour prédire l’apparition et le taux de formation des espèces clés dans diverses conditions », indique Ali Elkhazraji, premier auteur de l’article.
Une différence notable est que les expériences n’ont pas détecté de sulfure de carbonyle (COS), un précurseur du disulfure de carbone prédit par le modèle.
« Comprendre ces réactions aidera à construire un modèle cinétique plus précis, qui pourrait être utilisé pour maximiser la production d’hydrogène en prédisant le rendement des produits, en trouvant les conditions de fonctionnement optimales et même en concevant de nouveaux processus avant de réaliser des expériences », explique Qi Wang, auteur correspondant de l’article.
L’équipe prévoit maintenant d’appliquer le modèle à des processus industriels à grande échelle.
Légende illustration : Les chercheurs de l’université KAUST découvrent la possibilité d’utiliser les impuretés du gaz naturel comme source d’hydrogène, un carburant vert qui peut réduire les émissions de dioxyde de carbone des véhicules et des processus industriels, qui contribuent au réchauffement climatique. @ 2024 KAUST.
Elkhazraji, A., Wang, Q., Monge-Palacios, M., Zou, J., Alshaarawi, A., Cavazos Sepulvedac, A., Sarathy, S. M. & Farooq, A. Oxidation of hydrogen sulfide and CO2 mixtures: Laser-based multi-speciation and kinetic modelling. Chemical Engineering Journal 486, 150421 (2024).| Article
