Nouvelles méthodes de craquage du dioxyde de carbone CO2 par champs électriques, par résonance électromagnétique et par plasma catalytique

INTRODUCTION

Le réchauffement climatique, causé par les gaz à effet de serre, est devenu une préoccupation majeure de la population mondiale. Le dioxyde de carbone est le principal représentant des gaz à effet de serre, ses émissions mondiales augmentent depuis l’époque préindustrielle. La majorité de ces émissions anthropiques sont liées à la production d’énergie. En effet, cette dernière est principalement produite à partir de ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz). En outre, ces sources d’énergie sont limitées et présentent un risque d’épuisement alors que la demande énergétique mondiale est en augmentation continue. Tout cela a conduit à un fort développement des énergies renouvelables électriques (notamment éolien et photovoltaïque) au cours de cette dernière décennie. Cependant, ces sources d’énergies sont intermittentes. 

Le développement des moyens de stockage/déstockage efficace est donc nécessaire afin de pallier les surplus et déficits qui seront engendrés par l’intégration massive de ces sources d’énergies. Actuellement, de nombreuses recherches sont menées et représentent une alternative fondamentale aux problèmes actuels en matière d’énergies. Ils consistent à stocker le dioxyde de carbone pour une réutilisation ou valorisation positive pour l’environnement. Dans ce contexte l’objectif principal du présent travail consiste à développer une technique novatrice pour le craquage du gaz carbonique CO2 . Trois méthodes ont été utilisées pour ce craquage. La première technique concerne le craquage par champs électrique, la seconde par plasma catalytique et la troisième par résonance magnétique. Ces trois procédés de craquage ont permis de ­casser la liaison et d’extraire l’oxygène O2 , et le carbone C. Ces deux éléments ont été par la suite valorisés dans plusieurs domaines. Dans nos travaux antérieurs l’oxygène et le carbone ont été utilisés dans la filtration des rejets liquides industriels. 

CRAQUAGE DU DIOXYDE DE CARBONE PAR CHAMPS ÉLECTRIQUES

L’objectif de cette étude est d’approfondir l’optimisation de la méthode de craquage du CO2 par champ électrique à l’aide de la méthode de Taguchi [1]. Le processus de craquage a été effectué dans une cuve de réacteur en acier, bien isolée et équipée d’éléments chauffants pour maintenir la température souhaitée (Figure 1). Du gaz CO2 de haute pureté a été introduit dans le réacteur via un contrôleur de débit massique [2], et la pression du réacteur est régulée à l’aide d’un régulateur de pression [3]. Pour générer le champ électrique nécessaire au processus de craquage, une alimentation électrique [5] a été utilisée pour appliquer une haute tension sur deux électrodes de platine parallèles [6]. 

Le positionnement précis des électrodes à l’intérieur du réacteur facilite la création d’un gradient de champ électrique. Afin d’améliorer la réaction de craquage du CO2 , différents types de matériaux catalyseurs ont été utilisés, notamment des oxydes métalliques [7], des zéolithes [8] et des catalyseurs métalliques supportés [9]. Ces catalyseurs ont été introduits dans la cuve du réacteur, généralement sous forme de granulés ou de poudre, et leur quantité de chargement et la taille des particules ont été optimisées sur la base des résultats de recherches antérieures [10-15]. La conversion du CO2 etla sélectivité du produit ont été évaluées par utilisation de la chromatographie en phase gazeuse (GC) en combinaison avec un détecteur de conductivité thermique (DCT)[16], ou un spectromètre de masse (SM) [17]. 

Des échantillons du gaz effluent du réacteur ont été prélevés à intervalles réguliers et injectés dans le système GC pour la séparation etla quantification des différents constituants. Les instruments DCT ou SM, sont chargés de détecter et de mesurer les concentrations de CO2 , CO, H2 et autres sous-produits. Les temps de rétention et les aires de pic obtenus à partir de l’analyse ont été utilisés pour calculer l’efficacité de la conversion et la sélectivité du processus de craquage au CO2. 

Afin d’obtenir des performances optimales dans le processus de craquage au CO2 , la méthode de conception expérimentale statistique, a été utilisée [18-22]. Diverses combinaisons de paramètres tels que l’intensité du champ électrique, la température, la composition du catalyseur et le temps de réaction ont été systématiquement modifiées. Les résultats de ces expériences ont été soumis à une analyse statistique pour identifier les conditions idéales qui maximisent à la fois l’efficacité et la sélectivité du processus de craquage. La méthodologie expérimentale de Taguchi est une technique puissante et simple qui améliore les procédures de recherche en utilisant des réseaux orthogonaux pour évaluer l’influence de différents facteurs sur les réponses des processus. Il intègre une fonction de perte pour mesurer l’écart par rapport à la valeur souhaitée et établit une relation signal sur bruit (S/N). Cette relation peut être classée comme valeur nominale, plus grand est meilleur ou plus petit est meilleur, selon le contexte spécifique à l’étude [23,31] (tableau 1).

Analyse de la variance du taux de conversion du CO2

La contribution relative du champ électrique, de la température, de la composition du catalyseur et du temps de réaction aux réponses du procédé est respectivement de 8,23%, 3,47%, 50,68% et 37,62%. Cela indique que la composition du catalyseur a le plus grand impact sur le taux de conversion du CO2 (Figure 2). L’influence des facteurs expérimentaux sur le taux de conversion du CO2 est illustrée par la Figure 3. On peut observer que l’utilisation du champ électrique: 4 KV,température: 500 °C, composition du catalyseur : 20% et temps de réaction: 20 min a entraîné une augmentation du taux de conversion du CO2 . De plus, une augmentation du champ électrique s’est avérée entraîner une diminution du taux de conversion du CO2 . Le principe sous-jacent de la méthode Taguchi est d’améliorer la qualité d’un produit en réduisant l’impact des causes de variation sans les éliminer complètement. 

Cette approche consiste à déterminer la performance optimale du modèle en sélectionnant les meilleures conditions qui donnent le résultat souhaité. L’approche de Taguchi offre une méthodologie systématique, simple et efficace pour optimiser les paramètres de conception qui sont proches de l’optimum. En utilisant un petit nombre d’ensembles expérimentaux bien définis, il permet d’identifier les facteurs clés influençantle processus. La vérification des résultats de prédiction et des valeurs expérimentales est effectuée à l’aide du rapport signal sur bruit. Les diagrammes de probabilité normale des résidus, ainsi que l’histogramme de la réponse, sont illustrés dans les figures 4 et 5. Lors de l’examen de ces diagrammes, il est évident que les résidus suivent généralement une ligne droite, indiquant une distribution normale des erreurs et validant la fiabilité de notre modèle.

Effet des paramètres expérimentaux sur l’efficacité du craquage

La Figure 6, présente les courbes illustrant les effets d’interactions sur la variable de réponse (TDS). Ces courbes révèlent un niveau modéré d’interaction entre les différents facteurs expérimentaux. L’optimisation de ces facteurs est cruciale pour améliorer le taux de conversion du CO2 . Le tracé de contour, généré à l’aide de l’approche Taguchi, est d’une importance significative dans l’analyse de la relation entre la conversion du CO2 , le champ électrique et la composition du catalyseur.Cette représentation visuelle améliore la compréhension des interactions variables et guide le processus d’optimisation. En résumé, le diagramme de contour basé sur l’approche de Taguchi est un outil essentiel pour optimiser les processus de conversion du CO2 . 

Il offre des informations visuelles précises sur les combinaisons optimales de paramètres pour maximiser la conversion, facilitant une prise de décision éclairée. Les courbes de niveau de la figure 7, illustrentla corrélation entre les facteurs expérimentaux et le taux de conversion du CO2 . Il a été découvert que des niveaux plus élevés de composition de catalyseur (20%) et de champ électrique (4KV) entraînent des taux de conversion du CO2 dépassant 90%. Le tracé de surface, joue un rôle crucial dans l’optimisation des paramètres du procédé. Il facilite l’identification des combinaisons idéales de champ électrique et de composition de catalyseur pour maximiser la conversion du CO2 . En fournissant une visualisation tridimensionnelle de la relation entre ces variables et la conversion du CO2 , le tracé de surface permet aux chercheurs d’identifier les régions d’efficacité de conversion optimale. 

En outre, il aide à comprendre les interactions complexes entre le champ électrique, la composition du catalyseur etla conversion du CO2 , offrant ainsi des informations précieuses pour l’optimisation des processus. La relation entre les facteurs expérimentaux et le taux de conversion du CO2 est représentée visuellement sur la figure 8 par un tracé de surface. Il a été observé qu’un contenu de champ électrique élevé et un niveau de composition de catalyseur plus élevé (20%) contribuent à atteindre des taux de conversion de CO2 plus élevés. Le nuage de points joue un rôle crucial dans l’optimisation des paramètres du procédé en identifiant la combinaison idéale de champ électrique et de composition de catalyseur pour maximiser la conversion du CO2 . 

Il fournit une représentation visuelle des interactions entre les variables, permettant une meilleure compréhension de l’impact des changements de champ électrique et de la composition du catalyseur sur la conversion du CO2 . La figure 9, illustre le niveau élevé de composition du catalyseur et le niveau élevé de champ électrique qui ont un impact sur la variable de réponse (taux de conversion du CO2 ). Le mécanisme de polarisation et de clivage de la liaison CO2 implique plusieurs facteurs, notamment le champ électrique, le catalyseur, la température et le temps de réaction. Diverses études ont exploré ces aspects et mis en lumière les processus sous-jacents. En présence d’un champ électrique, les molécules de CO2 sont soumises à une polarisation qui modifie la distribution de la densité électronique et de la géométrie moléculaire. Le champ électrique aligne la polarisabilité du CO2, améliorant son interaction avec la surface du catalyseur [27].

Cet effet de polarisation facilite les étapes ultérieures de la voie réactionnelle. Le catalyseur joue un rôle crucial en facilitant le clivage de la liaison CO2 . Les complexes de métaux de transition ont été largement étudiés en tant que catalyseurs de ce processus [28]. Le catalyseur fournit un site actif pour l’adsorption et l’activation du CO2 , permettant la rupture des liaisons carbone-oxygène. La géométrie de coordination spécifique et les propriétés électroniques du catalyseur déterminent son efficacité à favoriser la réaction [29]. La température joue également un rôle important dans la polarisation et le clivage du CO2 . Des températures plus élevées fournissent plus d’énergie thermique, permettant des collisions plus énergétiques entre les molécules de CO2 et la surface du catalyseur.

Cela augmente la probabilité de clivage de liaison et facilite la formation des produits de réaction souhaités [30]. Cependant, il convient de noter que la dépendance à la température de la réaction peut varier en fonction du catalyseur spécifique et des conditions de réaction. De plus, la durée du temps de réaction influence l’étendue du clivage de la liaison CO2 . Des temps de réaction plus longs permettent plus d’interactions entre les molécules de CO2 et la surface du catalyseur, augmentant la probabilité de rupture de liaison réussie et de formation de produit [31]. Dans l’ensemble, le mécanisme de polarisation et de clivage de la liaison CO2 implique l’interaction des effets du champ électrique, des propriétés du catalyseur, de la température et du temps de réaction. Ces facteurs influencent l’activation du CO2 et la rupture subséquente de ses liaisons, conduisant à la conversion potentielle du CO2 en produits de valeur.

CRAQUAGE DU DIOXYDE DE CARBONE PAR RÉSONANCE ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Au cours des dernières années, des efforts de recherche substantiels ont été investis pour appréhender l’impact de la résonance électromagnétique sur la dissociation du CO2 et pour affiner les paramètres du processus. L’intégration de la résonance électromagnétique s’est avérée capable de moduler l’énergie d’activation, les taux de réaction et la sélectivité au sein des réactions de craquage du CO2 [32, 33]. Cette approche permet de réduire la barrière énergétique lors de la dissociation du CO2 , ce qui se traduit par une amélioration de l’efficacité de conversion [34, 35]. Plusieurs études ont examiné de près le mécanisme et la cinétique du craquage du CO2 sous l’influence de la résonance électromagnétique. 

Les études expérimentales ont clairement montré que cette technique favorise la dissociation du CO2 en espèces réactives, telles que les radicaux CO et O [36, 37]. La modélisation théorique et les simulations informatiques ont apporté des éclairages sur le rôle des champs électromagnétiques dans la modification des voies réactionnelles etla structure électronique des catalyseurs [38]. L’objectif de cette étude est de pousser plus loin l’optimisation du processus de craquage du CO2 grâce à la résonance électromagnétique en utilisant la méthode Taguchi. Cette partie examine les études expérimentales etthéoriques qui ont examiné les effets des champs électromagnétiques sur la dissociation du CO2 , le rôle des catalyseurs, ainsi que l’utilisation de la méthode Taguchi pour l’optimisation du processus.

Méthodologie de craquage 

Analyse de la variance du taux de conversion du CO2

Pour analyser les effets de l’intensité du champ électromagnétique, de la fréquence du champ électromagnétique, de la température et de la pression sur les réponses du processus, nous avons utilisé une matrice orthogonale L16. Cette approche nous a permis d’étudier de manière exhaustive les interactions etles influences indépendantes de ces facteurs,tout en réduisant au minimum le nombre d’essais et du temps nécessaires. Les résultats de cette analyse sont présentés dans le tableau 4. Le Tableau 5, présente l’analyse de la variance pour le taux de conversion du CO2 ,tandis que le Tableau 6 présente le rapport signal-bruit. Le taux de conversion du CO2 a été analysé en utilisant quatre niveaux. Les contributions relatives de l’intensité du champ électromagnétique, de la fréquence, de la température et de la pression aux réponses du processus sont respectivement de 54,43%, 34,17%, 0,24% et 0,19%. Cela indique que l’intensité du champ électromagnétique a le plus grand impact sur le taux de conversion du CO2 (Figure 11).

L’influence des facteurs expérimentaux sur le taux de conversion du CO2 est représentée dans la Figure 12. On peut observer que l’utilisation de l’intensité du champ électromagnétique: 100mT, la fréquence: 20KHz, la température: 200°C etla pression: 5 atm ont entraîné une augmentation du taux de conversion du CO2 . De plus, il a été constaté qu’une augmentation de l’intensité du champ électromagnétique provoque une augmentation du taux de conversion du dioxyde de carbone. Les graphiques de probabilité normale des résidus, ainsi que l’histogramme de la réponse, sont représentés dans les Figures 13 et 14. À l’examen de ces graphiques, il est évident que les résidus suivent généralement une ligne droite, indiquant une distribution normale des erreurs et validant la fiabilité de notre modèle. 

La carte de contour, générée à l’aide de l’approche Taguchi, revêt une importance significative dans l’analyse de la relation entre la conversion du CO2 et l’intensité du champ électromagnétique (figure 15). Elle fournit des informations précieuses sur les zones où la conversion est à son apogée. Cette représentation visuelle améliore la compréhension des interactions variables et guide le processus d’optimisation. En résumé, l’intégration d’un réacteur à résonance électromagnétique dans le système d’échappement d’un véhicule ou dans les cheminés des usines offre une solution pratique et rentable pour réduire les émissions de CO2 . L’efficacité de craquage a été évaluée par le biais d’une analyse expérimentale, tenant compte des paramètres cités plus haut. L’intensité du champ a eu la plus grande influence sur le taux de conversion du CO2 (54,43%), suivie de la fréquence (34,17%), de la température (0,24%) et de la pression (0,19%).

VALORISATION DU CRAQUAGE DE CO2 DANS LE TRAITEMENT DES EAUX USÉES INDUSTRIELLES

CONCLUSION

Les trois méthodes utilisées dans notre étude pour le craquage du dioxyde de carbone à savoir: le craquage par champs électrique, par plasma catalytique et par résonance électromagnétique ont permis de conclure que, l’intégration d’un réacteur styles décrits plus haut dans le système d’échappement d’un véhicule ou au niveau des cheminés des usines, offre une solution pratique et rentable pour réduire les émissions du dioxyde de carbone. 

L’efficacité de craquage du CO2 a été évaluée par le biais d’une analyse expérimentale, en tenant compte de facteurs tels que l’intensité du champ, de la fréquence, de la température, de la pression et du débit. Une signification statistique a été observée pour ces facteurs et leurs interactions. L’intensité du champ a eu la plus grande influence sur le taux de conversion du CO2 (54,43%), suivie de la fréquence du champ (34,17%), de la température (0,24%) et de la pression (0,19%). 

D’autre part, l’oxygène et le carbone extraits du craquage de CO2 , nous ont servi en les valorisant dans le traitement des rejets liquides industriels très chargés en matières organiques et en métaux lourds. La technique utilisé est la filtration percolation à travers une matrice purifiante constituée de sable marin de taille granulométrique 160 µm, de sol agricole argileux très riche en silice et d’une couche de carbone qui provient du craquage de la molécule CO2 . Le filtrat obtenu présente des caractéristiques répondant parfaitement aux normes internationales pour une réutilisation dans le domaine d’irrigation par exemple. Les abattements obtenus dépassent parfois les 80% que ce soit au niveau matières organiques ou au niveau des métaux lourds.