Développement de nouveaux adsorbants carbone-amine pour la séparation du CO2



Le gouvernement du Québec s'est donné comme objectif de réduire ses émissions de CO2 à l'atmosphère de 20% d'ici 2020. L'une des avenues possibles pour atteindre cet objectif est la séparation du CO2 des gaz de cheminée des industries. Au Québec, ces industries sont les raffineries, les papetières et les cimenteries.

La technologie commerciale pour séparer le CO2 d'un mélange de gaz est l'absorption chimique (phase liquide). Cette technologie a été développée pour purifier le gaz naturel mais elle se transfère très mal à la séparation du CO2 des gaz de cheminée. Les obstacles technologiques rencontrés sont principalement liés au coût en énergie de ce procédé (entre 2 et 4 GJ / tonne de CO2).

Il existe donc un incitatif pour développer une technologie économique adaptée spécialement à la séparation du CO2 des gaz de cheminée. L'une des technologies envisagées à moyen terme est le procédé d'adsorption (phase gazeuse). L'intérêt de cette technologie est qu'elle serait plus économique que l'absorption chimique avec un coût énergétique de l'ordre de 1 GJ/t de CO2.

Le déploiement de ce procédé d'adsorption du CO2 est freiné par la faible capacité de séparation du CO2 des adsorbants commerciaux (phase gazeuse) aux conditions d'opération des gaz de cheminée (faible concentration en CO2 et haute température). Cette capacité est une fraction de celle des absorbants commerciaux utilisés dans la technologie commerciale (phase liquide).

Objectifs

Ce projet de recherche a pour objectif principal de combiner la capacité de séparation du CO2 des absorbants commerciaux aux avantages du procédé d'adsorption afin de faciliter le déploiement de ce procédé. La technique utilisée est l'immobilisation d'amines (absorbants commerciaux) sur un support opérant en phase gazeuse. Le projet de recherche est donc bâti entre autres autour des objectifs suivants :

  1. L'évaluation du support de l'amine sur la capacité de séparation du CO2 de l'adsorbant. L'adsorbant est le complexe support – amine. Les supports utilisés sont principalement le charbon actif, l'alumine et certains types de zéolites.
  2. L'évaluation de la désorption du CO2 par un cycle de température dans lequel le CO2 est absorbé à relativement basse température (env. 60°C) et désorbé à haute température (env. 150°C).

L'objectif décrit ci-dessus s'inscrit dans une stratégie de capture du CO2 post-combustion. Cette stratégie de capture vise à traiter un effluent dilué en CO2 ce qui représente une difficulté technique majeure. À la suite de plusieurs travaux de recherche dans la stratégie post-combustion, l'effort de recherche à progressé vers le développent d'une technique d'oxy-combustion. Cette technique consiste à alimenter une fournaise en air enrichi en oxygène afin de concentrer le CO2 produit par les gaz de cheminée. Le développement de l'oxy-combustion est un objectif complémentaire à l'objectif principal du projet de recherche.

Résultats obtenus

Les résultats obtenus lors ce projet de recherche amènent à la conclusion que beaucoup de travail reste à faire afin d'arriver à un adsorbant chimique ayant la même capacité de capture qu'une solution liquide absorbante (le procédé commercial). Les principales limitations ayant été déterminées par expériences sont les suivantes :

  • a.L'évaluation des méthodes d'immobilisation des amines sur divers supports a montré que ces amines réagissent d'abord par neutralisation avec les sites d'adsorption du support. La capacité de capture du CO2 est ainsi diminuée.
  • b.La présence d'humidité accroît le ratio de capture CO2/amine lorsque les amines sont immobilisées sur un support (évalué ici avec la silice). Cependant, ce ratio CO2/amine n'atteint jamais celui des amines libres en phase aqueuse. Ici encore, la réaction de neutralisation (c.-à-d. de protonation) amine – support nuit à la capture du CO2.

Les expériences ont cependant permis de déterminer les points encourageants suivants :

  • La présence d'humidité et d'azote dans les gaz de cheminée ne semble pas nuire à la capacité d'adsorption du CO2 des amines sur support.
  • La capacité de capture du CO2 des adsorbants semble se maintenir après quelques cycles de température 60°C-150°C. Cette observation est encourageante puisque l'immobilisation des amines empêcherait celles-ci d'évaporer.

Les expériences menées sur l'oxy-combustion ont permis d'isoler l'oxyde de cobalt comme un adjuvant possible à la réaction de combustion afin de concentrer les gaz de cheminée en CO2 et faciliter la séparation du CO2 par adsorption chimique.

L'oxyde de cobalt est optimal dans son rôle de transporteur d'oxygène à 900°C, soit la température de combustion du diesel et de la biomasse. Cette technique d'oxy-combustion pourrait donc s'appliquer aux gaz de cheminée industriels cités précédemment.

Retombées actuelles ou prévues

Les retombées actuelles du projet sont d'avoir identifié les limitations et les pistes de solution afin d'aller plus loin dans le développement d'un adsorbant chimique à la hauteur de cette application.

Les pistes de solutions inclus le développement d'une greffe amine sur un support métallique (acier inox ou aluminium) afin d'opérer un procédé d'adsorption par régénération thermique rapide et homogène. L'effort a donc été mené pour regrouper les compétences et savoir-faire nécessaire pour cette autre phase du projet dans la mesure où le marché de la séparation du CO2 se développe.

Chercheur responsable

Jamal Chaouki, École Polytechnique de Montréal

Équipe de recherche

  • Louis Fradette, École Polytechnique de Montréal
  • Davit Zargarian, Université de Montréal

Durée

2010-2014

Montant

239 925 $

Partenaires financiers

  • Fonds québécois de la recherche sur la société et la culture
  • Ministère du Développement économique, de l'Innovation et de l'Exportation

Appel de propositions

Réduction et séquestration des gaz à effet de serre