Les images au microscope électronique à balayage de Miscanthus révèlent des chaînes de phytolithes à deux lobes, chacun d'une longueur de seulement 18 micromètres. Crédit :Ruggero Vigliaturo
En tant que ressource renouvelable, la biomasse présente une alternative intéressante aux combustibles fossiles pour la production d'énergie. Plantes en feu, cependant, n'est pas un processus complètement propre; il produit des émissions qui varient selon les espèces utilisées, les conditions de combustion, et les contrôles de la pollution de l'air.
Pour comprendre une composante de ces émissions, un international, une équipe multidisciplinaire dirigée par des minéralogistes de l'Université de Pennsylvanie a utilisé une microscopie hautement sensible pour étudier les phytolithes, petits gisements de minéraux contenant du silicium ou du calcium présents dans certaines plantes. Ces éléments chimiques sont absorbés par le sol avec d'autres nutriments. Les phytolithes confèrent aux plantes force et structure et sont communs dans certaines familles de plantes couramment utilisées pour les biocarburants, comme les graminées.
Rapports dans Cultures et produits industriels , les chercheurs ont découvert que les phytolithes subsistent après la combustion des plantes dans une installation de combustion de biocarburants, mais dans des tailles de particules suffisamment grandes pour ne pas poser de risque pour la santé. Mais parce que les phytolithes peuvent réduire l'efficacité de la conversion d'énergie, les centrales électriques doivent les intégrer dans leurs opérations, note l'équipe. D'autre part, les cendres contenant des phytolithes résultant de la combustion pourraient être vendues pour être utilisées dans la production de ciment ou comme engrais.
« C'est un sujet intéressant car la combustion de la biomasse peut avoir de nombreux avantages mais aussi des conséquences imprévues, " dit Reto Gieré, un scientifique de l'environnement à Penn et auteur principal de l'étude. "Nous devons penser à de telles conséquences lorsque nous voulons appliquer ces méthodes à grande échelle."
Connu comme le squelette des plantes, les phytolithes sont principalement étudiés dans le domaine de l'archéologie; les phytolithes préservés de plantes anciennes renseignent les paléobotanistes sur les écosystèmes préhistoriques et les cultures agricoles. Mais ces résidus s'avèrent désormais intéressants pour les ingénieurs, géologues, et des chimistes qui étudient le rôle des phytolithes lors de la combustion de la biomasse et leurs impacts potentiels sur l'environnement.
Herbe argentée chinoise, Miscanthus sinensis, est une source commune de biomasse, brûlés pour produire de l'électricité ou de la chaleur dans les centrales électriques. Chaque pièce mesure environ 2-3 centimètres de long. Crédit :Reto Gier
Gieré et Ruggero Vigliaturo, un chercheur postdoctoral au laboratoire de Gieré avec une expertise en microscopie électronique qui est le premier auteur de l'étude, collaboré avec des ingénieurs, chimistes, et écologistes en France, Allemagne, et les États-Unis à examiner de près les phytolithes présents dans une espèce végétale à croissance rapide couramment utilisée dans les opérations de biocarburant : Miscanthus sinensis , ou de l'herbe argentée chinoise.
Les scientifiques ont extrait des phytolithes à partir d'échantillons d'herbe séchée et du matériel collecté dans le cyclone d'une centrale à biomasse, un dispositif de contrôle de la pollution de l'air. En utilisant à la fois la microscopie optique et électronique à balayage, les chercheurs ont observé des phytolithes dans la matière première ainsi que dans les cendres volantes collectées par le cyclone de la centrale. La microscopie optique à fluorescence était particulièrement bien adaptée pour distinguer la structure des phytolithes, ils ont trouvé.
Des analyses chimiques ont révélé que les phytolithes de Miscanthus étaient principalement composés de silice, lequel, en cas d'inhalation, a été liée à des problèmes respiratoires.
"Toutefois, les phytolithes eux-mêmes sont en fait assez gros, " dit Giéré, "et trop gros pour aller profondément dans nos poumons."
Parce que les phytolithes eux-mêmes ne brûlent pas dans les centrales électriques, ils réduisent l'efficacité globale des opérations et pourraient obstruer les conduits de fumées avec des particules, notent les chercheurs.
Une technique connue sous le nom de cartographie aux rayons X a aidé les chercheurs à identifier la distribution des éléments, tels que le silicium (Si) et l'oxygène (O) dans les phytolithes. Crédit :Ruggero Vigliaturo
Pourtant, les phytolithes ne sont pas tous mauvais. Ils fournissent les minéraux nécessaires aux plantes, et ainsi les cendres restantes de la combustion de la biomasse peuvent être utilisées comme engrais. Et tout comme la cendre de charbon est utilisée comme liant dans la production de ciment, les cendres contenant des phytolithes pourraient également trouver une deuxième application dans cette industrie, qui est connu pour sa contribution aux émissions mondiales de carbone. L'utilisation de cendres de biomasse réduirait l'empreinte carbone de la production de ciment.
En outre, Miscanthus sinensis semble absorber des quantités remarquables de zinc et de cadmium au cours de sa croissance, les chercheurs ont trouvé. S'ils sont plantés sur des terres contaminées par ces métaux, la culture pourrait assainir la terre.
"Alors nous pourrions récolter la récolte, brûle-le pour l'énergie, et si nous trouvons le bon mécanisme, récupérer le zinc et le cadmium des cendres, qui peut ensuite être utilisé comme matière première secondaire dans l'industrie du ciment, " dit Giéré.
Comme prochaine étape, les chercheurs espèrent utiliser la microscopie électronique à transmission pour obtenir des données encore plus fines sur la composition et la structure des phytolithes dans un échantillon donné de cendres, des informations qui pourraient aider les centrales électriques à biomasse à adapter leurs dispositifs de contrôle de la pollution atmosphérique et leur consommation de carburant en conséquence.
Et parce que chaque espèce végétale a un profil de phytolithe différent, chacun doit être étudié indépendamment. Les chercheurs se lancent dans une étude des phytolithes du riz, car les tiges de riz laissées après la récolte pourraient être une source précieuse de biocarburant.
« La plupart des pailles de riz sont actuellement brûlées dans les champs, " dit Gieré. " Combustion contrôlée de la paille de riz, cependant, est une utilisation potentielle de ce qui est maintenant un déchet. Cela éliminerait également un énorme problème en Asie du Sud-Est, car les brumes causées par les incendies incontrôlés des rizières entraînent une pollution énorme qui a un impact majeur sur des millions de personnes. »
