3. Adsorbants
3.2 Adsorbants chimiques
3.2.3 Oxydes basiques
Il a été envisagé d’utiliser des oxydes basiques de type carbonate pour le captage de CO2
par adsorption. C’est la force basique qui est le paramètre clé pour le contrôle du captage des
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plus le CO2 interagit avec l’adsorbant. La désorption doit donc se faire à haute température.
Diminuer la force basique est donc le but des études actuelles lors de la conception de nouveaux matériaux. Les oxydes de terre rare sont des candidats potentiels car ils ont une basicité faible par rapport aux carbonates d’alcalins ou d’alcalino-terreux classiquement utilisés (Lahougue, 2008).
Les oxydes de terre rare ont été étudiés par la société Solvay dans le cadre du projet ACACIA 31. Un oxyde de cérium a été fourni pour les essais en VSA sur notre pilote. Les résultats sont présentés dans le chapitre 2 de ce mémoire.
Les adsorbants chimiques sont une solution pour le captage du CO2 car leur capacité
d’adsorption est élevée par rapport à celle des adsorbants physiques. Par contre, il faut plus d’énergie pour la désorption car les liaisons chimiques entre l’adsorbat et l’adsorbant doivent être cassées. Les principaux adsorbants chimiques sont conçus par immobilisation d’un élément (le plus souvent une amine) sur un support. Cela permet d’augmenter le nombre de fonction de surface nécessaire à la chimisorption. Les amines greffées ou imprégnées sur
des supports à base de silice sont les adsorbants les plus fréquents pour le captage du CO2.
Les oxydes basiques, solides ayant une forte force basique, sont à l’étude depuis peu de
temps. Leur capacité à adsorber le CO2 est excellente. Les études sont axées sur la force
basique qui doit être réduite afin de faciliter la régénération.
Conclusion
Cette synthèse bibliographique nous a permis de présenter le captage et le stockage de CO2
puis sur l’adsorption et les adsorbants.
Le captage et le stockage de CO2 est une des solutions qui pourraient contribuer à réduire
les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. En ce qui concerne le captage, la
séparation du CO2 en post-combustion semble être la voie vers laquelle on se dirige car elle
s’adapte aux centrales existantes. C’est par contre la plus difficile à mettre en œuvre puisque
le CO2 se trouve très dilué dans les fumées (5% à 15%).
Il existe de nombreux procédés pour le captage de CO2 en post-combustion. Le plus étudié
depuis le début des années 2000 est l’absorption avec des amines comme la MEA. Elle
permet de récupérer 98% du CO2 des fumées à une pureté de 99%. Ces conditions sont idéales
pour le transport et le stockage. Par contre, le procédé d’absorption est très énergivore. La
consommation énergétique de ce procédé est de 3,7 MJ.kgCO2-1. De plus l’amine ne se
régénère pas parfaitement et des pertes sont constatées au cours des cycles. Aussi, l’amine peut être dangereuse pour l’environnement en cas de fuite. Malgré tous ces inconvénients, l’absorption est le seul procédé utilisé dans les démonstrateurs industriels de captage en post-combustion car il est de loin le plus maitrisé.
De nombreux autres procédés ont été étudiés parmi eux la cryogénie, les membranes, les lits fluidisés ou l’adsorption. Ce dernier fait preuve d’intérêt depuis le milieu des années 1990 avec une préférence pour les procédés PSA/VSA. Les désorbats issus des procédés PSA/VSA actuels ont souvent une pureté intéressante et un bon taux de captage. Toutefois, l’obtention de ces bons critères de performance nécessite souvent l’ajout d’étapes de purge, d’égalisation de pression (présence d’un compresseur) qui feraient vite monter le coût d’une installation industrielle. De plus, plusieurs lits doivent être utilisés. En VSA, des consommations
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difficile de savoir dans la littérature s’il s’agit d’énergie thermique ou électrique (générée par une pompe à vide).
La plupart des études à échelle pilote en VSA ont été réalisées à l’aide de charbons actifs ou de zéolites qui sont les adsorbants les plus accessibles dans le commerce. Mais ces solides présentent plusieurs contraintes. La capacité d’adsorption et la sélectivité par rapport à l’azote du charbon actif ne sont pas suffisantes. Les zéolites sont généralement hydrophile ce qui oblige à sécher les fumées avant l’adsorption. Enfin, peu d’études ont été menées sur leur réaction face aux impuretés. D’autres solides ont donc été mis au point récemment pour le
captage de CO2. Les MOFs pourraient être intéressants car il y a la possibilité d’en concevoir
des milliers. Il suffirait de trouver le bon liant organique qui permettrait au MOF de capter le
CO2 en grande quantité et qui serait sélectif par rapport aux autres composés des fumées.
Ensuite, les adsorbants chimiques comme les amines immobilisées sont aussi une voie à l’étude. Enfin les oxydes basiques sont des nouveaux adsorbants intéressants grâce à leur force basique.
Les performances de trois solides sont étudiées expérimentalement et numériquement dans les chapitres 2 et 3 de ce mémoire. Il s’agit de la TEPA imprégnée sur une silice commerciale X254 qui a été conçu par IFP Energies Nouvelles, d’un MOF nommé SIM-1 fabriqué par Ircelyon et IFP Energies Nouvelles et d’un oxyde de terre rare élaboré par Solvay. L’originalité de notre étude est que ces trois solides sont étudiés à l’échelle pilote avec des cycles VSA. Jusqu’à présents ces types d’adsorbant avaient été étudiés uniquement à l’échelle laboratoire.
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