La capture directe de l’air a été identifiée comme l’une des « sept séparations chimiques pour changer le monde ». Bien que le dioxyde de carbone soit le principal contributeur au changement climatique (nous en émettons environ 40 milliards de tonnes dans l’atmosphère chaque année), le séparer de l’air reste une tâche ardue en raison de sa faible concentration (~0,04%).
Professeur Ian Metcalfe, titulaire de la chaire en technologies émergentes de la Royal Academy of Engineering à l’école d’ingénierie de l’université de Newcastle, Royaume-Uni, et principal investigateur, explique : « Les processus de séparation diluée sont les plus difficiles à réaliser pour deux raisons principales. Premièrement, en raison de la faible concentration, la cinétique (vitesse) des réactions chimiques visant à éliminer le composant dilué est très lente. Deuxièmement, concentrer le composant dilué nécessite beaucoup d’énergie. »
Les chercheurs de Newcastle, en collaboration avec des collègues de l’université Victoria de Wellington, Nouvelle-Zélande, de l’Imperial College de Londres, Royaume-Uni, de l’université d’Oxford, Royaume-Uni, de l’université de Strathclyde, Royaume-Uni, et de l’UCL, Royaume-Uni, ont cherché à relever ces défis avec un nouveau processus à membrane. En utilisant les différences naturelles d’humidité comme force motrice pour extraire le dioxyde de carbone de l’air, l’équipe a surmonté le défi énergétique. La présence d’eau a également accéléré le transport du dioxyde de carbone à travers la membrane, répondant ainsi au défi cinétique.
Un processus inédit publié dans Nature Energy
Le travail est publié dans Nature Energy. Dr Greg A. Mutch, Fellow de la Royal Academy of Engineering à l’école d’ingénierie de l’université de Newcastle, Royaume-Uni, explique : « La capture directe de l’air sera un composant clé du système énergétique du futur. Elle sera nécessaire pour capturer les émissions provenant de sources mobiles et distribuées de dioxyde de carbone qui ne peuvent pas être facilement décarbonées autrement. »
« Dans notre travail, nous démontrons la première membrane synthétique capable de capturer le dioxyde de carbone de l’air et d’augmenter sa concentration sans apport énergétique traditionnel comme la chaleur ou la pression. Une analogie utile pourrait être une roue à eau dans un moulin à farine. Alors qu’un moulin utilise le transport descendant de l’eau pour moudre, nous l’utilisons pour pomper le dioxyde de carbone hors de l’air. »
Les processus de séparation : une importance cruciale
Les processus de séparation sous-tendent la plupart des aspects de la vie moderne. De la nourriture que nous consommons, aux médicaments que nous prenons, en passant par les carburants ou les batteries de nos voitures, la plupart des produits que nous utilisons ont subi plusieurs processus de séparation. De plus, ces processus sont essentiels pour minimiser les déchets et la nécessité de remédiation environnementale, comme la capture directe de dioxyde de carbone.
Dans une économie circulaire, les processus de séparation deviendront encore plus critiques. La capture directe de l’air pourrait fournir du dioxyde de carbone comme matière première pour fabriquer de nombreux produits hydrocarbonés que nous utilisons aujourd’hui, mais dans un cycle neutre en carbone, voire négatif en carbone.
Plus important encore, en parallèle de la transition vers les énergies renouvelables et de la capture traditionnelle du carbone à partir de sources ponctuelles comme les centrales électriques, la capture directe de l’air est nécessaire pour atteindre les objectifs climatiques, tels que l’objectif de 1,5 °C fixé par l’Accord de Paris.
La membrane activée par l’humidité
Dr Evangelos Papaioannou, maître de conférences à l’école d’ingénierie de l’université de Newcastle, Royaume-Uni, ajoute : « En s’écartant du fonctionnement typique des membranes, et comme décrit dans l’article de recherche, l’équipe a testé une nouvelle membrane perméable au dioxyde de carbone avec une variété de différences d’humidité appliquées à travers elle. Lorsque l’humidité était plus élevée du côté de sortie de la membrane, celle-ci pompait spontanément le dioxyde de carbone dans ce flux de sortie. »
En utilisant la tomographie micro-CT à rayons X avec des collaborateurs de l’UCL et de l’université d’Oxford, l’équipe a pu caractériser précisément la structure de la membrane. Cela leur a permis de fournir des comparaisons de performance robustes avec d’autres membranes de pointe.
Un aspect clé du travail était la modélisation des processus se produisant dans la membrane à l’échelle moléculaire. En utilisant des calculs de théorie fonctionnelle de la densité avec un collaborateur affilié à la fois à l’université Victoria de Wellington et à l’Imperial College de Londres, l’équipe a identifié des « transporteurs » au sein de la membrane. Le transporteur transporte de manière unique à la fois le dioxyde de carbone et l’eau, mais rien d’autre. L’eau est nécessaire pour libérer le dioxyde de carbone de la membrane, et le dioxyde de carbone est nécessaire pour libérer l’eau. Grâce à cela, l’énergie d’une différence d’humidité peut être utilisée pour faire passer le dioxyde de carbone à travers la membrane d’une faible concentration à une concentration plus élevée.
« Ce fut un véritable effort d’équipe sur plusieurs années. Nous sommes très reconnaissants des contributions de nos collaborateurs, et du soutien de la Royal Academy of Engineering et du Engineering & Physical Sciences Research Council. » conclut le Professeur Metcalfe.
Article : « Separation and concentration of CO2 from air using a humidity-driven molten-carbonate membrane » – DOI: 10.1038/s41560-024-01588-6
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