Il est bien connu que la production de ciment, premier matériau de construction au monde, est une source majeure d'émissions de gaz à effet de serre, représentant environ 8 pour cent de tous ces rejets. Si la production de ciment était un pays, ce serait le troisième émetteur mondial.

Une équipe de chercheurs du MIT a mis au point une nouvelle façon de fabriquer le matériau qui pourrait éliminer complètement ces émissions, et pourrait même fabriquer d'autres produits utiles dans le processus.

Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans la revue PNAS dans un article de Yet-Ming Chiang, le professeur Kyocera de science et d'ingénierie des matériaux au MIT, avec le post-doctorant Leah Ellis, étudiant diplômé Andres Badel, et d'autres.

"Environ 1 kilogramme de dioxyde de carbone est libéré pour chaque kilogramme de ciment fabriqué aujourd'hui, " dit Chiang. Cela fait 3 à 4 gigatonnes (milliards de tonnes) de ciment, et des émissions de dioxyde de carbone, produit chaque année aujourd'hui, et ce montant devrait augmenter. Le nombre de bâtiments dans le monde devrait doubler d'ici 2060, ce qui équivaut à "construire une nouvelle ville de New York tous les 30 jours, " dit-il. Et la marchandise est maintenant très bon marché à produire :elle ne coûte qu'environ 13 cents le kilo, ce qui, dit-il, la rend moins chère que l'eau en bouteille.

C'est donc un véritable défi de trouver des moyens de réduire les émissions de carbone du matériau sans le rendre trop coûteux. Chiang et son équipe ont passé l'année dernière à rechercher des approches alternatives, et a eu l'idée d'utiliser un procédé électrochimique pour remplacer le système actuel dépendant des combustibles fossiles.

Ciment Portland ordinaire, la variété standard la plus répandue, est fabriqué en broyant du calcaire puis en le cuisant avec du sable et de l'argile à haute température, qui est produit en brûlant du charbon. Le processus produit du dioxyde de carbone de deux manières différentes :à partir de la combustion du charbon, et des gaz libérés par le calcaire pendant le chauffage. Chacun d'eux produit des contributions à peu près égales aux émissions totales. Le nouveau procédé éliminerait ou réduirait considérablement les deux sources, dit Chiang. Bien qu'ils aient démontré le processus électrochimique de base en laboratoire, le processus nécessitera plus de travail pour passer à l'échelle industrielle.

Tout d'abord, la nouvelle approche pourrait éliminer l'utilisation de combustibles fossiles pour le processus de chauffage, remplacer l'électricité produite à partir de produits propres, de sources renouvelables. "Dans de nombreuses régions, l'électricité renouvelable est l'électricité la moins chère que nous ayons aujourd'hui, et son coût est toujours en baisse, " dit Chiang. De plus, le nouveau procédé produit le même produit de ciment. L'équipe s'est rendu compte qu'essayer de faire accepter un nouveau type de ciment - quelque chose que de nombreux groupes de recherche ont poursuivi de différentes manières - serait une bataille difficile, considérant à quel point le matériau est largement utilisé dans le monde et à quel point les constructeurs peuvent être réticents à en essayer de nouveaux, matériaux relativement peu testés.

Le nouveau procédé est centré sur l'utilisation d'un électrolyseur, quelque chose que beaucoup de gens ont rencontré dans le cadre des cours de chimie au lycée, où une batterie est reliée à deux électrodes dans un verre d'eau, produisant des bulles d'oxygène à partir d'une électrode et des bulles d'hydrogène à partir de l'autre lorsque l'électricité divise les molécules d'eau en leurs atomes constitutifs. Surtout, l'électrode dégageant de l'oxygène de l'électrolyseur produit de l'acide, tandis que l'électrode dégageant de l'hydrogène produit une base.

Dans le nouveau processus, le calcaire pulvérisé est dissous dans l'acide à une électrode et du dioxyde de carbone de haute pureté est libéré, tandis que l'hydroxyde de calcium, généralement connu sous le nom de chaux, précipite sous forme solide à l'autre. L'hydroxyde de calcium peut ensuite être traité dans une autre étape pour produire le ciment, qui est principalement du silicate de calcium.

Le dioxyde de carbone, sous la forme d'un pur, flux concentré, peut alors être facilement séquestré, exploités pour produire des produits à valeur ajoutée tels qu'un carburant liquide pour remplacer l'essence, ou utilisé pour des applications telles que la récupération d'huile ou même dans les boissons gazeuses et la neige carbonique. Le résultat est qu'aucun dioxyde de carbone n'est libéré dans l'environnement à partir de l'ensemble du processus, dit Chiang. Par contre, le dioxyde de carbone émis par les cimenteries conventionnelles est fortement contaminé en oxydes d'azote, oxydes de soufre, le monoxyde de carbone et d'autres matériaux qui rendent difficile le « nettoyage » pour rendre le dioxyde de carbone utilisable.

Les calculs montrent que l'hydrogène et l'oxygène également émis dans le processus pourraient être recombinés, par exemple dans une pile à combustible, ou brûlé pour produire suffisamment d'énergie pour alimenter tout le reste du processus, Ellis dit, ne produisant que de la vapeur d'eau.

Dans leur démonstration en laboratoire, l'équipe a réalisé les étapes électrochimiques clés requises, produire de la chaux à partir du carbonate de calcium, mais à petite échelle. Le processus ressemble un peu à secouer une boule à neige, car il produit une rafale de particules blanches en suspension à l'intérieur du récipient en verre lorsque la chaux précipite hors de la solution.

Bien que la technologie soit simple et puisse, en principe, être facilement mis à l'échelle, une cimenterie typique en produit aujourd'hui environ 700, 000 tonnes de matière par an. « Comment pénétrer dans une industrie comme celle-ci et mettre un pied dans la porte ? » demande Ellis, l'auteur principal du journal. Une approche, elle dit, est d'essayer de remplacer une seule partie du processus à la fois, plutôt que l'ensemble du système à la fois, et "par étapes" ajouter progressivement d'autres parties.

Le système initial proposé par l'équipe n'est "pas parce que nous pensons nécessairement avoir la stratégie exacte" pour la meilleure approche possible, Tchang dit, "mais pour amener les gens du secteur électrochimique à commencer à réfléchir davantage à cela, " et trouver de nouvelles idées. " C'est un premier pas important, mais pas encore une solution entièrement développée."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.