Absorption chimique et adsorption physique : rôles clés dans la capture du carbone

01 Introduction

La technologie de captage du carbone à la source vise à réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO₂) rejetées dans l'atmosphère et constitue une solution importante pour lutter contre le changement climatique. Cet article explore deux méthodes de captage du carbone : l'absorption chimique et l'adsorption physique, et examine leurs caractéristiques dans des applications pratiques.

02 Absorption chimique : le fondement de la capture du carbone

Actuellement, l'absorption chimique joue un rôle important dans la capture du carbone, offrant un moyen efficace de capter le CO₂ des gaz de combustion émis par les centrales électriques, les installations industrielles et autres sources ponctuelles. Dans ce procédé, un gaz riche en CO₂ traverse un solvant liquide. Après absorption du CO₂ par le solvant, le CO₂ capturé est libéré et séparé par régénération thermique, puis stocké ou valorisé.

Les absorbants couramment utilisés, tels que la monoéthanolamine (MEA) et la diéthanolamine (DEA), sont largement employés en raison de leur forte affinité pour le CO₂. Ces matériaux peuvent subir des réactions chimiques réversibles avec le CO₂ pour permettre des cycles de capture et de libération. Les systèmes d'absorption comprennent généralement des absorbeurs, des séparateurs et des unités de régénération. Le solvant régénéré est renvoyé à l'absorbeur pour être réutilisé.

La technologie d'absorption utilisant des solvants aminés organiques a été développée très tôt et est aujourd'hui relativement mature, les systèmes d'absorption permettant d'atteindre des taux de capture élevés. Cependant, ces solvants se dégradent lors des cycles continus d'absorption-régénération, ce qui diminue leur capacité d'adsorption et nécessite un remplacement régulier. De plus, le processus de régénération du solvant est énergivore et peut engendrer des émissions de carbone supplémentaires en l'absence de récupération de chaleur résiduelle, limitant ainsi son efficacité globale en matière de réduction des émissions. Par ailleurs, l'élimination des solvants usés peut créer de nouveaux problèmes environnementaux. C'est pourquoi, ces dernières années, la capture du dioxyde de carbone par adsorption physique a suscité un intérêt croissant.

03 Adsorption physique : Capture du carbone à l'aide de matériaux poreux

La technologie d'adsorption utilise principalement des matériaux poreux tels que les zéolites, le charbon actif et les réseaux métallo-organiques (MOF) pour l'adsorption physique du CO₂. Contrairement à l'absorption, l'adsorption désigne la capture physique des molécules de CO₂ par la surface d'adsorbants solides, sans qu'aucune réaction chimique n'intervienne pendant le processus d'adsorption.

Parmi les adsorbants solides couramment utilisés, les charbons actifs présentent une faible sélectivité d'adsorption, ce qui se traduit par une faible efficacité et une forte consommation d'énergie lors de la capture du CO₂ à la source. Les zéolites et les tamis moléculaires, outre leur faible sélectivité, voient également leurs performances fortement affectées par la vapeur d'eau. Leurs applications pratiques nécessitent des étapes de séchage supplémentaires, ce qui augmente les coûts de capture. De plus, en raison de la faible sélectivité de ces adsorbants, les gaz de combustion à faible teneur en CO₂ (≤ 30 %) requièrent souvent une adsorption en deux ou plusieurs étapes pour atteindre une concentration en CO₂ supérieure à 90 %.

Les réseaux métallo-organiques (MOF) sont une classe de matériaux poreux cristallins composés d'ions ou de clusters métalliques liés à Liant organiqueCes matériaux forment des structures nanoporeuses à surface spécifique élevée et à porosité ajustable. Ces dernières années, une série de matériaux MOF ont été développés, présentant une sélectivité et une capacité d'adsorption élevées, ainsi qu'une certaine résistance à l'eau, ce qui les rend idéaux pour la capture du CO₂ à la source. Ces matériaux permettent une adsorption très sélective et, même dans des flux gazeux à faible teneur en CO₂, ils peuvent augmenter la concentration de CO₂ à plus de 90 % par adsorption en une seule étape, ce qui en fait des solutions performantes pour la capture du carbone.

L'adsorption du CO₂ par les MOF présente de nombreux avantages. Les MOF possèdent des propriétés modulables, permettant la conception d'adsorbants adaptés à des exigences spécifiques de capture du CO₂. Ils peuvent être utilisés dans différents systèmes d'adsorption, tels que l'adsorption modulée en pression (PSA) et l'adsorption modulée en température (TSA). De plus, la désorption des MOF s'effectue généralement à des températures plus basses que celle d'autres matériaux, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie.

04 L'avenir du captage du carbone

Les récents progrès dans le domaine des MOF permettent de surmonter les limitations courantes des matériaux d'adsorption (telles que leur sensibilité à l'humidité et leur faible sélectivité), grâce à leur structure modulable. En ajustant précisément la composition et la géométrie des pores des MOF, les chercheurs ont réussi à concevoir des matériaux stables et performants. Les systèmes à base de MOF répondent aux exigences standard d'une capture efficace du carbone (pureté de 95 % et taux de récupération de 90 %) à différentes concentrations, avec un pré-dépôt de dessiccant minimal. Cette capacité à atténuer la sensibilité à l'humidité constitue un avantage significatif des MOF par rapport à d'autres matériaux d'adsorption comme les zéolites.

Les MOF présentent également une excellente stabilité et durabilité, ce qui en fait des matériaux populaires pour les applications de capture du carbone. Par conséquent, la possibilité de réglage des Structure Mofnon seulement améliore leur efficacité dans la capture du CO₂, mais aussi leur praticité et leur fiabilité dans diverses conditions environnementales, consolidant ainsi leur position de leader dans les technologies de capture du carbone basées sur l'adsorption.

Face aux efforts mondiaux de réduction des émissions de carbone, l'adsorption physique utilisant des MOF comme adsorbants présente un potentiel considérable. Les chercheurs poursuivent leurs travaux de recherche et développement afin d'améliorer la stabilité, l'extensibilité et la rentabilité des MOF, favorisant ainsi leur application à grande échelle dans la capture industrielle du carbone. En tirant parti des avantages des matériaux poreux, nous pouvons ouvrir la voie à un avenir vert et durable pour les générations futures.

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Références

[1]Héliyon, 9 (2023), e22341, 10.1016/j.heliyon.2023.e22341

[2]Journal of Cleaner Production, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932