L’espace inauguré à l’USP Polytechnic School cherche à créer des alternatives plus durables et économiques grâce à la haute pression
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Les processus traditionnels de capture et de transformation du dioxyde de carbone (CO2), principale cause du réchauffement climatique et du changement climatique, doivent être mis à jour. C’est ce que défend Claudio Oller, professeur principal au département de génie chimique de l’école polytechnique (Poli) de l’USP et coordinateur du laboratoire haute pression récemment inauguré, qui travaille dans cet espace. L’un des axes du laboratoire, qui fait partie du Centre de Recherche pour l’Innovation des Gaz à Effet de Serre (RCGI), est de créer des alternatives à cet effet, mais plus durables et économiques grâce à l’utilisation de procédés chimiques et biologiques par haute pression.
Parmi les initiatives en cours figure le projet Bioconversion du CO2 à l’état supercritique par des bactéries de l’Antarctique, commandé par Oller. « Au laboratoire, nous travaillons avec des sédiments du fond de la mer antarctique, issus de l’abrasion des glaciers avec des roches du continent, riches en micro-organismes, comme des bactéries, dont certains ont jusqu’à 20 000 ans », explique-t-il. Oller. Ce matériel a été collecté par l’un des chercheurs du projet, Arthur Ayres, professeur à l’Université fédérale Fluminense (UFF) et participant au programme antarctique brésilien (Proantar) de la marine brésilienne.
En laboratoire, ces sédiments subiront une série de tests, dont certains dans des réacteurs spécialement développés pour le projet. « L’idée est de vérifier comment ces micro-organismes se comportent dans des conditions extrêmes, avec de grandes variations de pression, sans lumière et en présence de CO2 à l’état supercritique, une condition particulière entre liquide et gaz, obtenue grâce à la haute pression », poursuit Oller. .
Ces conditions extrêmes se retrouvent également dans des grottes marines souterraines qui seront construites dans la zone pré-salifère brésilienne et utilisées pour stocker le CO2 issu de la production pétrolière. Dans ce cas, le CO2 est stocké dans un état supercritique pour occuper un volume plus petit dans les cavernes de sel. « C’est l’un des moyens les plus efficaces pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais on ne sait pas quels effets ces réservoirs de CO2 peuvent avoir sur l’environnement à long terme, sans parler du risque de fuite », explique Oller.
Selon le chercheur, la prospection de ces micro-organismes en laboratoire peut contribuer à la solution de stockage du CO2 dans des grottes profondes. « À l’avenir, ces micro-organismes à grande capacité de métaboliser le CO2 pourraient être injectés dans ces réservoirs. L’objectif est pour eux de transformer le CO2 d’un état supercritique à un état solide, ce qui empêcherait les fuites. De plus, ils pourraient générer d’autres produits à partir du CO2, tels que des hydrocarbures et de l’alcool. Ce que nous étudions en laboratoire, c’est la faisabilité non seulement scientifique, mais aussi économique de ce procédé », précise Oller.
Un autre projet qui sera développé en laboratoire é Nouvelles technologies pour le captage du CO2 : solvants eutectiques profonds (DES) pour le captage du CO2 et matériaux nanostructurés pour la séparation des gaz (matériaux avancés pour membranes). « Le maître mot du projet est la sélectivité : notre objectif est d’essayer d’améliorer les filtres de captage de CO2 déjà utilisés par les industriels. En effet, pour transformer le CO2 en d’autres intrants, comme l’alcool, le carbone doit être pur », explique Caetano Rodrigues Miranda, professeur à l’USP Physics Institute (IF) et l’un des coordinateurs du projet.
Le projet fonctionne sur deux fronts. « Ils s’attaquent au même problème de différentes manières », poursuit Miranda. L’un concerne le développement des solvants eutectiques profonds (ou DES). « Aujourd’hui, la principale technologie de captage du CO2 utilise des amines. Cependant, ce processus implique l’utilisation de grandes quantités d’énergie électrique. Une autre option consiste à utiliser des liquides ioniques, mais la synthèse du carbone est relativement coûteuse et ne fonctionne pas toujours dans tous les cas. D’où la nécessité de rechercher des alternatives pour améliorer ce procédé, y compris d’un point de vue économique », explique Reinaldo Camino Bazito, professeur à l’Institut de chimie (IQ) de l’USP et également l’un des coordinateurs du projet.
Selon Bazito, la proposition du projet est que le DES capture préférentiellement le CO2 par haute pression. « Pour cela, nous allons utiliser des polymères de petite taille et à plus petite échelle, ainsi que des polymères hyper-branchés. Les deux sont capables d’effectuer une grande interaction avec le carbone », poursuit le spécialiste, qui fait partie du groupe de chimie verte et environnementale de l’USP. « C’est une alternative moins chère aux amines, par exemple, car elle ne nécessite pas l’utilisation de grandes quantités d’énergie. »
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processus au niveau moléculaire
Un autre front du projet est le développement de membranes, dans un processus guidé par la modélisation informatique. «Ils agissent comme des filtres capables de séparer le CO2 et d’autres molécules gazeuses, comme l’azote, qui sont ensuite retenus dans ces membranes», explique Miranda. « Ils peuvent travailler à haute ou basse température, selon le matériau qui constituera la membrane. Il fait même partie des objectifs du projet d’identifier les meilleures conditions d’exploitation de ces matériaux.
Pour comprendre les processus qui se déroulent au niveau moléculaire, les chercheurs s’appuieront sur des outils technologiques. C’est le cas de la réalité virtuelle, qui permet aux chercheurs de suivre en temps réel l’interaction entre atomes et molécules. « Le projet implique beaucoup de ce côté de pouvoir créer des modèles pour faire des simulations. Il est possible, par exemple, de sélectionner le matériau prioritaire avant de passer à la partie expérimentale, qui est la partie la plus coûteuse du processus. Avec ce criblage informatique, il est possible de sélectionner les systèmes les plus intéressants, sur lesquels il faut se concentrer », explique Miranda.
Selon les spécialistes, aussi bien le DES que les membranes peuvent être utilisés dans des industries très émettrices de CO2, comme la sidérurgie, les cimenteries ou les usines de canne à sucre par exemple. « Chacune de ces options a des applications différentes et il est nécessaire d’évaluer laquelle d’entre elles correspond le mieux à la réalité de l’entreprise », commente Miranda.
L’objectif du projet est de contribuer à offrir une autre alternative à ce problème, puisque la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère n’a cessé de croître et, semble-t-il, augmentera encore dans les années à venir », explique Bazito. « Avec le CO2 isolé, il est possible de passer à une autre étape dans la création d’un cycle vertueux, qui est de transformer le carbone en d’autres intrants, mais cette phase sera développée par un autre projet au sein même du RCGI. Notre projet est un tremplin pour que cela se produise.
De profil pluridisciplinaire, le projet devrait durer quatre ans et réunir une équipe d’une vingtaine de chercheurs issus de domaines tels que la chimie, la physique et l’ingénierie des produits. « C’est une approche intégrée, dit Bazito. Miranda est d’accord avec lui. « Un point important du projet et du RCGI dans son ensemble est la formation des ressources humaines, car il s’agit d’un domaine de recherche dans lequel le Brésil a encore besoin de beaucoup d’investissements. Et cet investissement est de plus en plus nécessaire pour le bien-être de la planète », souligne le chercheur.
Le RCGI créé en 2015 avec un financement de la Fondation pour le soutien à la recherche de l’État de São Paulo (Fapesp) et de Shell a des recherches axées sur les innovations qui permettent au Brésil de respecter les engagements pris dans l’Accord de Paris, dans le cadre des contributions déterminées au niveau national ( NDC). Les projets de recherche – 19 au total – sont ancrés dans cinq programmes : NBS (Nature Based Solutions) ; CCU (capture et utilisation du carbone) ; BECCS (Bioénergie avec capture et stockage du carbone) ; GES (Gaz à Effet de Serre) et Plaidoyer. Actuellement, le centre compte environ 400 chercheurs. En savoir plus sur : https://www.rcgi.poli.usp.br
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Texte : Agence de communication académique
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