Une méthode purement mécanique peut produire un nouvel engrais plus durable de manière moins polluante. C'est le résultat d'une méthode optimisée à la source lumineuse PETRA III de DESY. Une équipe internationale a utilisé PETRA III pour optimiser la méthode de production qui est une adaptation d'une technique ancienne :en broyant deux ingrédients communs, l'urée et le gypse, les scientifiques produisent un nouveau composé solide qui libère lentement deux éléments chimiques essentiels à la fertilisation du sol :l'azote, et calcium.

La méthode de broyage est rapide, efficace et propre, tout comme le produit fertilisant, qui a le potentiel de réduire la pollution par l'azote qui encrasse les systèmes d'eau et contribue au changement climatique. Les scientifiques ont également découvert que leur processus est évolutif; par conséquent, il pourrait potentiellement être mis en œuvre industriellement. Les résultats des scientifiques de DESY; l'Institut Ruđer Bošković (IRB) à Zagreb, Croatie; et Lehigh University aux États-Unis ont été publiés dans la revue Green Chemistry . Le nouvel engrais doit encore être testé sur le terrain.

Depuis plusieurs années, des scientifiques de DESY et de l'IRB collaborent pour explorer les fondamentaux des méthodes mécaniques d'initiation de réactions chimiques. Cette méthode de traitement, appelée mécanochimie, utilise divers apports mécaniques, tels que la compression, la vibration ou, dans ce cas, le broyage, pour réaliser la transformation chimique. "La mécanochimie est une technique assez ancienne", explique Martin Etter, scientifique de la ligne de lumière P02.1 à PETRA III. "Depuis des milliers d'années, nous moudons des choses, par exemple, du grain pour faire du pain. Ce n'est que maintenant que nous commençons à examiner ces processus mécanochimiques de manière plus intensive en utilisant les rayons X et à voir comment nous pouvons utiliser ces processus pour initier réactions chimiques."

La ligne de lumière d'Etter est l'une des rares au monde où la mécanochimie peut être effectuée et analysée en routine à l'aide des rayons X d'un synchrotron. Etter a passé des années à développer la ligne de lumière et à travailler avec les utilisateurs pour affiner les méthodes d'analyse et d'optimisation des réactions mécanochimiques. Le résultat a été une configuration d'expérience de renommée mondiale qui a été utilisée dans l'étude de nombreux types de réactions importantes pour la science des matériaux, la catalyse industrielle et la chimie verte.

"En réalité, la configuration mécanochimique de DESY est probablement la meilleure au monde", déclare Krunoslav Užarević de l'IRB à Zagreb. "Dans peu d'endroits, on peut suivre l'évolution des réactions mécanochimiques aussi bien qu'ici à DESY. Il aurait été pratiquement impossible d'obtenir ce résultat sans l'expertise de Martin Etter et cette configuration PETRA III."

Pour ce résultat, la collaboration en mécanochimie s'est associée à Jonas Baltrusaitis, professeur de génie chimique à la Lehigh University. L'équipe a utilisé la configuration P02.1 pour mieux comprendre les paramètres régissant le processus de broyage, afin d'optimiser les conditions de réaction pour la préparation de l'engrais cible. La configuration de PETRA III permet d'avoir un aperçu direct de l'évolution du mélange réactionnel en appliquant un rayonnement synchrotron à la cuve de broyage. Cela signifie que la réaction peut être observée sans arrêter la procédure. Les chercheurs ont ainsi pu déterminer les voies de réaction exactes et analyser le rendement et la pureté du produit, ce qui les a aidés à affiner la procédure mécanique à la volée. Ils ont trouvé une procédure permettant de convertir à 100 % les matières premières en l'engrais cible.

Ce produit final est connu sous le nom de "cocristal", un solide avec une structure cristalline comprenant deux produits chimiques différents qui est stabilisée par des interactions intermoléculaires plus faibles dans des motifs répétés. "Les cocristaux peuvent être vus comme des structures LEGO", explique Etter. "Vous avez des ensembles de deux types de deux briques, et avec ces deux briques, vous créez un motif répétitif." Dans ce cas, les "briques" sont du sulfate de calcium dérivé du gypse et de l'urée. Au cours du processus de broyage, l'urée et le sulfate de calcium se lient l'un à l'autre.

« À elle seule, l'urée forme un cristal très faiblement lié qui se désagrège facilement et libère son azote trop facilement », explique Baltrusaitis. "Mais avec le sulfate de calcium grâce à ce processus mécanochimique, vous obtenez un cocristal beaucoup plus robuste avec une libération lente." L'avantage de ce cocristal est que ses liaisons chimiques sont suffisamment faibles pour libérer de l'azote et du calcium, mais suffisamment fortes pour empêcher les deux éléments de se déchaîner en même temps.

Cette méthode de libération est le grand avantage de l'engrais. D'une part, ils ont évité l'un des inconvénients majeurs des engrais azotés utilisés depuis les années 1960. "Le statu quo en matière d'engrais, pour des raisons de sécurité alimentaire, consiste à déverser autant d'azote et de phosphore que possible sur les cultures", explique Baltrusaitis. Plus de 200 millions de tonnes d'engrais sont produites via le procédé Haber-Bosch, vieux de plus d'un siècle, qui piège l'azote atmosphérique dans des cristaux d'urée. De ce volume, seulement 47 % environ sont réellement absorbés par le sol, le reste étant emporté et provoquant des perturbations potentiellement massives dans les systèmes d'approvisionnement en eau. Dans la mer du Nord et le golfe du Mexique, des "zones mortes" massives se développent, dans lesquelles les proliférations d'algues alimentées par un excès d'engrais absorbent tout l'oxygène disponible dans l'eau et tuent ainsi la vie marine.

De plus, la production d'engrais courants est énergivore, consommant chaque année 4% de l'approvisionnement mondial en gaz naturel via le procédé Haber-Bosch. La nouvelle méthode offre la possibilité de réduire cette dépendance. "Si vous augmentez l'efficacité de ces matériaux à base d'urée de 50 %, vous devez produire moins d'urée via Haber-Bosch, avec tous les problèmes de consommation d'énergie connexes tels que la demande de gaz naturel", déclare Baltrusaitis. La procédure de broyage est rapide et très efficace, ce qui donne un engrais pur sans aucun sous-produit résiduel à l'exception de l'eau. "Non seulement nous proposons un engrais plus efficace", déclare Baltrusaitis, "nous démontrons également une méthode de synthèse verte."

Alors que l'analyse PETRA III impliquait des milligrammes d'engrais, l'équipe de recherche dirigée par Baltrusaitis et Užarević a réussi à étendre ses procédures à l'aide des données recueillies à PETRA. Jusqu'à présent, ils peuvent, avec la même procédure et la même efficacité, produire des centaines de grammes d'engrais. Dans une prochaine étape, l'équipe prévoit de poursuivre la mise à l'échelle, afin de créer une véritable version industrielle de preuve de principe du processus. Baltrusaitis travaille déjà sur une telle mise à l'échelle et des tests d'engrais cocristallins pour une application dans des conditions réelles.

"Au-delà du produit, le processus mécanochimique ne génère pratiquement aucun sous-produit ou déchet indésirable", déclare Užarević de l'IRB. "Nous sommes optimistes quant à son fort potentiel d'application dans le monde entier." + Explorer plus loin

Une nouvelle méthode de production rend l'élément fertilisant vital de manière plus durable