Des chimistes du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont démontré une méthode pratique, méthode écoénergétique de capture du dioxyde de carbone (CO2) directement dans l'air. Ils rapportent leurs conclusions dans Énergie naturelle . S'il est déployé à grande échelle et couplé au stockage géologique, la technique peut renforcer le portefeuille de réponses au changement climatique mondial.

« Les technologies d'émissions négatives - pour l'élimination nette des gaz à effet de serre de l'atmosphère - sont désormais considérées comme essentielles pour stabiliser le climat, " a déclaré Radu Custelcean de l'ORNL, qui a conçu et dirigé l'étude. Cette opinion fait écho aux conclusions d'un récent rapport de la National Academy of Sciences. "Notre approche de capture directe de l'air fournit la base d'une technologie d'émissions négatives durable sur le plan énergétique, " il ajouta.

L'accomplissement s'appuie sur une étude de preuve de principe que les chimistes ont menée l'année dernière, qui a été amélioré grâce à un processus à deux cycles qui a considérablement amélioré la vitesse et la capacité d'absorption du CO2 et qui recycle complètement à la fois le sorbant d'acides aminés et le composé de guanidine.

Il est moins cher et plus facile de réduire les émissions de CO2 à leur source que de récupérer les émissions de l'atmosphère. Indépendamment, le déploiement à grande échelle de technologies telles que la capture directe du CO2 dans l'air est désormais considéré comme nécessaire pour limiter l'augmentation de la température mondiale moyenne à 2 degrés C (~4 degrés Fahrenheit).

Limiter le réchauffement à 2 degrés C nécessiterait d'accaparer des milliards de tonnes, ou gigatonnes, de CO2 de l'atmosphère. En principe, les arbres pourraient le faire. Cependant, capter le CO2 à cette échelle, "il faudrait planter des arbres sur une surface de la taille de l'Inde, " a déclaré Custelcean. Capturer une gigatonne de CO2 par an avec des épurateurs industriels ne nécessiterait qu'environ 7, 000 kilomètres carrés (~2, 700 miles carrés) - une superficie inférieure à la grande île d'Hawaï, a déclaré le co-auteur Neil Williams.

Pour la récente étude ORNL, Williams et Flavien Brethomé ont mélangé des acides aminés avec de l'eau pour fabriquer un sorbant aqueux pour capter le CO2 de l'air. Les acides aminés sont plus sûrs que les hydroxydes de sodium ou de potassium caustiques ou les amines malodorantes, les sorbants utilisés dans les laveurs de CO2 industriels.

Les scientifiques ont placé leur sorbant aqueux dans un humidificateur domestique pour maximiser le contact entre l'air et le sorbant et ainsi accélérer l'absorption du CO2. Une fois absorbé dans le liquide, le CO2 a formé un sel de bicarbonate.

Le collègue Charles Seipp avait conçu et synthétisé un composé organique contenant des guanidines, groupes chimiques communs dans les protéines qui peuvent lier des ions chargés négativement. Williams et Brethomé ont ajouté le composé de guanidine de Seipp à la solution de sorbant d'acides aminés chargée contenant du bicarbonate, créer un sel de carbonate insoluble qui a précipité hors de la solution et régénérer le sorbant d'acide aminé, qui pourrait être recyclé.

Une partie critique de l'étude était une analyse thermodynamique approfondie du processus par Custelcean et Michelle Kidder, qui a déterminé combien d'énergie était nécessaire pour conduire chaque réaction chimique. La dernière étape - libérer le CO2 des cristaux de carbonate afin qu'il puisse être stocké à long terme - est particulièrement importante pour développer un processus durable sur le plan énergétique. Parce que le CO2 est lié dans un solide de carbonate de guanidine, il peut être libéré à des températures beaucoup plus basses (80-160 degrés C, ou 176-320 degrés F) que des sels inorganiques utilisés dans les technologies de capture actuelles, qui nécessitent des températures supérieures à 800 degrés C (1, 472 degrés F) pour libérer le CO2. Néanmoins, l'analyse a montré que la chaleur nécessaire pour libérer le CO2 des cristaux de carbonate de guanidine est toujours importante.

Pour rendre l'ensemble du processus énergétiquement durable, Custelcean a décidé d'utiliser l'énergie solaire concentrée. Il a fait l'acquisition d'un four à énergie solaire, normalement utilisé pour cuire les aliments à l'aide d'un miroir parabolique pour concentrer les rayons du soleil. Les cristaux de carbonate de guanidine ont été placés sur un plateau à l'intérieur du four solaire, et le CO2 a été libéré en aussi peu que 2 minutes, dans un procédé de régénération du composé de guanidine pour recyclage.

"L'utilisation des énergies renouvelables est importante car vous voulez autant que possible éviter de produire plus de CO2 en essayant de le capturer, " a déclaré Custelcean. Cette expérience a utilisé la chaleur solaire, mais la chaleur perdue, comme celle des climatiseurs et des centrales électriques, fonctionnerait également, il a dit.

Avancer, les chercheurs aimeraient concevoir plus simple, sorbants à base de guanidine plus efficaces et mieux comprendre la structure, aspects thermodynamiques et mécanistiques du processus de capture directe de l'air.

"Tous les cristaux que nous avons fabriqués jusqu'à présent contiennent de l'eau qui hydrate les anions carbonates, " expliqua Custelcean. " Quand vous essayez de libérer le CO2, il faut aussi désorber l'eau, et cela prend la plupart de l'énergie. Nous essayons de concevoir des ligands de guanidine de nouvelle génération qui se lient au CO2 sous forme de carbonate « sec ».

Le processus à l'échelle de l'ORNL peut actuellement capturer jusqu'à 100 grammes de CO2 en 24 heures.

Les chercheurs ont déposé des brevets décrivant le processus. Pour la prochaine étape, ils recherchent un partenaire industriel pour étendre le processus de la démonstration sur paillasse à l'usine pilote et, finalement, usine industrielle à grande échelle.

Le titre de l'article est « Capture directe dans l'air du CO2 via l'absorption en phase aqueuse et la libération en phase cristalline à l'aide de l'énergie solaire concentrée ».

Le DOE Office of Science a soutenu la recherche.