L'adsorption du CO2 est un domaine de recherche clé pour les technologies de capture et de stockage du carbone, cruciales dans la lutte contre le changement climatique. Les chercheurs se tournent vers des adsorbants toujours plus sophistiqués, et diverses approches émergent pour améliorer l'efficacité de l'adsorption. L'une des stratégies prometteuses repose sur les adsorbants polymères, comme l'adsorbant à base de carbazole HCP, qui a montré un excellent ajustement avec les données expérimentales lors de l'analyse des isothermes et des cinétiques d'adsorption. Cette technique permet de mieux comprendre les processus thermodynamiques, notamment en ce qui concerne l'enthalpie, l'entropie et l'énergie libre de Gibbs, qui fournissent des informations cruciales sur la réactivité du matériau face au CO2 [8].

L'adsorption du CO2 est aussi influencée par des facteurs externes comme la pression et la température. Par exemple, dans les travaux de Helmi et al., l’adsorption du CO2 a été étudiée avec un adsorbant magnétique biodégradable à base de NaOH@Chitosane-Fe3O4. Ils ont observé qu'en augmentant la pression de 1 à 9 bars et en réduisant la température, la capacité d'adsorption s'améliorait de manière significative. La capacité maximale d'adsorption de 3,21 mmol/g a été atteinte à une température de 25°C et une pression de 9 bars [82].

Un autre aspect essentiel de cette recherche réside dans les nouveaux types d'adsorbants. Les sels fondus, tels que les liquides ioniques (ILs), se distinguent par leurs faibles pressions de vapeur et leurs fonctionnalités chimiques modulables, des caractéristiques qui les rendent très prometteurs pour la capture du CO2. L'incorporation de liquides ioniques dans des matériaux solides ou leur immobilisation dans des matériaux poreux permet non seulement d'améliorer la recyclabilité des adsorbants, mais aussi d'accroître leur efficacité dans les processus de capture du CO2 à grande échelle.

Une étude menée par Zhang et al. a mis en lumière un adsorbant à base de Li4SiO4, synthétisé à partir de cathodes usées de lithium cobalt oxide (LiCoO2) et de cendres de balle de riz. Ce matériau a montré une capacité d'adsorption du CO2 remarquable et une grande stabilité cyclique à des températures élevées (675°C), avec une capacité constante de 0,28 g/g après 30 cycles, ce qui suggère qu'il pourrait remplacer les adsorbants commerciaux tout en offrant un meilleur rapport coût-efficacité et une meilleure microstructure [83].

Dans un registre similaire, des recherches menées par Ansari et al. ont exploré l'adsorption comparée du CO2 par rapport à d'autres gaz comme l'O2 et le N2. L'activation de la surface de l'argile montmorillonite (MMT) par traitement acide a considérablement amélioré l'adsorption du CO2, tout en réduisant l'adsorption de l'O2. Cela suggère une stratégie d'activation de surface pour améliorer la sélectivité des adsorbants dans les processus industriels de capture du CO2 [84].

Les matériaux à base de MOF (frameworks organométalliques) offrent également des possibilités fascinantes pour la capture du CO2. Une étude de Noorani et al. a montré que l'adsorption du CO2 dans des MOF d'aluminium (AlTp) infusés de liquides ioniques comme le [BMPyr][Cl] avait une capacité d'adsorption significativement plus élevée par rapport aux autres systèmes étudiés. Ces matériaux, bien que nécessitant des cycles de régénération pour maintenir leur efficacité, sont potentiellement utilisables dans des processus industriels de séparation des gaz [86].

Les membranes à base de matrices mixtes (MMM) sont également un domaine d'innovation. Hoque et al. ont exploré l'intégration de COF-316, un nanofiller 2D, dans des membranes MMM pour améliorer la perméabilité au CO2 et la sélectivité CO2/N2. Leur recherche a montré que l'ajout de COF-316 augmentait de manière significative les performances des membranes, ce qui est prometteur pour des applications pratiques de séparation des gaz dans des systèmes à grande échelle [87].

En parallèle, des recherches menées par Asim et al. ont examiné le développement de nouveaux matériaux à base de g-PTAP, un filler 2D, dont les résultats préliminaires suggèrent un potentiel élevé dans le domaine de l'adsorption des gaz.

Ces recherches montrent clairement que les progrès dans les matériaux et les méthodologies d'adsorption du CO2 sont en constante évolution, avec des innovations notables dans les adsorbants, leur fonctionnalisation et leurs applications dans des systèmes de capture du CO2. Une tendance émergente est l'intégration de matériaux nanostructurés et de liquides ioniques pour maximiser les performances de capture et faciliter leur recyclabilité.

Il est crucial de noter que ces technologies, bien qu'efficaces sur le papier, nécessitent une optimisation supplémentaire pour être pleinement opérationnelles à grande échelle. La réutilisation des adsorbants après plusieurs cycles d'adsorption et de régénération, la réduction des coûts des matériaux et l'amélioration des rendements à température et pression ambiantes sont des défis qui restent à surmonter pour rendre ces technologies compétitives dans l'industrie.

Quels sont les défis liés à l'adsorption du CO2 et comment les sorbants peuvent-ils être optimisés pour surmonter ces obstacles ?

L'émission de dioxyde de carbone (CO2) représente l'une des crises environnementales les plus pressantes, en raison de multiples facteurs tels que la combustion des énergies fossiles, la déforestation et l'expansion des sites industriels. Le changement climatique et le réchauffement de la planète sont les effets les plus flagrants de l'augmentation des concentrations de CO2 dans l'atmosphère. Pour lutter contre cette menace, différentes sources d'énergie renouvelable comme l'énergie éolienne, solaire et la biomasse ont été proposées, mais leur efficacité reste limitée et souvent non rentable. L'hydrogène, qui ne génère aucune pollution à son utilisation, présente également des limites dues à la production de méthane, un gaz toxique. Dès lors, plutôt que de chercher à éliminer les sources de CO2, une approche plus pragmatique consiste à réduire directement sa concentration dans l'atmosphère.

L'adsorption et l'absorption du CO2 sont des méthodes économiques et couramment utilisées pour limiter sa présence dans l'air. Parmi les techniques les plus fréquentes figure l'utilisation de solvants contenant des groupes amine, tels que la diéthanolamine et la monoéthanolamine, dans le processus d'absorption. D'autre part, l'adsorption utilise divers matériaux tels que les zéolithes, les matériaux carbonés, les oxydes métalliques et la silice poreuse. Parmi ces derniers, la silice est souvent préférée en raison de son faible coût, de son rendement élevé, de sa facilité de fonctionnalisation et de sa faible consommation énergétique.

Néanmoins, chaque type de sorbant présente des inconvénients. Les matériaux carbonés et organiques sont parmi les plus utilisés, mais certains manquent de sélectivité dans la capture du CO2 en présence d'autres gaz, possèdent une faible surface spécifique ou présentent une capacité d'adsorption insuffisante dans des conditions empiriques particulières. Pour surmonter ces limitations, des matériaux tels que les cadres aromatiques poreux (PAF), les polymères à microporosité intrinsèque (PIM), les polymères recouverts de polymères (PCP) et les polymères hypercroisés (HCP) ont été développés. Ces matériaux présentent une surface spécifique exceptionnelle, tandis que les biopolymères, bien que plus économiques et polyvalents, ont une capacité d'adsorption inférieure et sont moins efficaces pour capturer les molécules nuisibles comme le CO2.

L'ajout de groupes fonctionnels sur ces sorbants peut améliorer leur efficacité, mais cela présente également des inconvénients. L'incorporation de ces groupes peut réduire la capacité d'adsorption du CO2 en obstruant les pores et en empêchant l'accès direct des molécules de CO2 aux cavités du sorbant. De plus, l'intégration de plusieurs groupes fonctionnels peut détruire la structure des pores, ce qui ralentit la diffusion du CO2 et augmente l'énergie d'activation, rendant cette approche moins viable économiquement.

L'adsorption du CO2 se produit soit par interactions physiques, soit par interactions chimiques. Dans le cadre des interactions physiques, les forces de van der Waals entre le sorbant et l'adsorbat jouent un rôle essentiel, tandis que dans les interactions chimiques, des liaisons hydrogène et des interactions acido-basiques sont observées. En termes de transfert de masse, plusieurs mécanismes sont impliqués : le transfert de masse par volume, la diffusion de Knudsen, la pénétration de surface et l'écoulement de Poiseuille. Ce dernier est influencé par la pression, tandis que les trois autres dépendent de la température. Le mécanisme dominant pour l'adsorption sur des surfaces fortement chargées est la diffusion de surface, qui diminue avec l'augmentation de la température. La diffusion de Knudsen, qui se produit lorsque la taille des pores est inférieure à la trajectoire moyenne des molécules, est souvent utilisée pour expliquer le comportement d'adsorption.

Les pores dont la taille est inférieure à cinq fois le diamètre moléculaire de l'adsorbat sont particulièrement efficaces pour l'élimination des gaz, notamment à une pression de 1 atm. Le dioxyde de carbone, dont le diamètre moléculaire est de 0,209 nm, est idéalement capté par des pores de taille inférieure à 1 nm. À des pressions élevées, le CO2 peut également être adsorbé dans des domaines de microporosité supérieurs (pore diameters between 0.7 and 2 nm). Cependant, avant de commencer l'adsorption du CO2, il est essentiel de purifier le flux gazeux des autres gaz comme les oxydes d'azote (NOx) et les oxydes de soufre (SOx), afin d'éviter la concurrence d'autres molécules pour les sites d'adsorption. Par ailleurs, l'humidité dans les gaz peut détruire la structure cristalline de certains sorbants, ce qui nécessite un processus de déshumidification préalable.

Les sorbants doivent également être réutilisables pour que le processus soit économiquement viable. Pour ce faire, deux méthodes principales sont utilisées pour libérer le CO2 adsorbé et régénérer les sorbants : la variation de pression (pressure swing) et la variation de température (temperature swing). Cependant, le processus de régénération peut aussi entraîner des pertes d'efficacité à long terme si les conditions ne sont pas optimisées.

Un autre défi majeur lié aux adsorbants carbonés et organiques est leur méthode de synthèse. En effet, de nombreux agents chimiques sont utilisés dans plusieurs étapes de fabrication, ce qui entraîne non seulement une consommation importante de réactifs chimiques, mais aussi l'émission de gaz toxiques, tels que l'HCl, qui représentent un risque pour la santé humaine et l'environnement. De plus, bon nombre de ces procédés de synthèse nécessitent des températures élevées, ce qui complique leur mise en œuvre à l'échelle industrielle. Ainsi, il est crucial pour les chercheurs de comprendre ces méthodes de fabrication dans leur ensemble, afin de pouvoir améliorer et affiner les techniques de synthèse existantes.

Comment améliorer votre maison à moindre coût : astuces pratiques
Comment la science peut-elle s'engager dans la politique du changement climatique ?
Comment assembler un système de direction et de suspension pour un véhicule imprimé en 3D
Comment maîtriser les techniques essentielles de jardinage et les services d’urgence : un guide pratique
Comment équilibrer efficacement la fréquence de détection et la communication dans les systèmes ISAC assistés par UAV ?