Production de carbonates par piégeage du CO2 industriel : revalorisation des résidus d'amiante et autres matériaux ultrabasiques québécois



Dans le cadre du Plan d'Action sur les Changements Climatiques, le Québec s'est engagé a diminué ses émissions de CO2. Un des défis important dans ce cadre est de réussir à développer un procédé de capture du CO2 qui puisse être facilement installé dans les usines des grands émetteurs industriels (alumineries, sidérurgies, cimenteries, raffineries, incinérateurs, etc.) sans pour autant réduire leur activité économique. Idéalement, les produits de ce procédé pourraient être commercialisés ce qui permettrait de compenser une partie des coûts d'opération et d'investissement de la mise en place du procédé.

Dans cet objectif, le procédé de carbonatation minérale semble être un très bon candidat. C'est un phénomène naturel connu et étudié depuis longtemps puisqu'il fait partie du processus d'altération des roches. Il s'agit d'une réaction (équation 1) entre un minéral, ou une roche, riche en éléments réactifs (magnésium et calcium) et le CO2 atmosphérique. Cette réaction donne un produit solide, non toxique et stable, le carbonate. Une manière idéale de séquestrer le CO2. Mg3Si2O5(OH)4 + 3CO2  3MgCO3 + 2SiO2 + 2H2O&(1)

Le Québec possède de grande quantité de matériaux minéraux potentiellement réactifs à la carbonatation minérale. En 2003, la quantité totale de ces matériaux, souvent des résidus d'exploitation minières, était estimée à plus de 2 G t. Ces résidus, ainsi que leurs roches apparentées, contiennent 33 à 40% de MgO, 7 à 11% de Fe2O3 et 0.33 à 0.70% de CaO, ce qui pourrait permettre de séquestrer environ 625 M t de CO2. Bien que les quantités de matériel nécessaires soient importantes, la distance aux grands centres émetteurs de Gaz à Effet de Serre (GES) est de 200 km, ce qui rend les coûts de transports raisonnables. Le fait que le matériel soit déjà broyé et facilement accessible en fait également un autre avantage comparativement aux situations étudiées précédemment aux États-Unis et en France.
Cependant la carbonatation minérale en milieu naturel est un phénomène lent. Il est donc important d'adapter ce procédé aux conditions industrielles pour en accélérer la cinétique et d'optimiser les paramètres de cette réaction pour en faire un procédé rapide et peu coûteux dans un réacteur à l'usine. Finalement, la possible commercialisation des produits obtenus pendant cette réaction serait une manière intéressante et efficace de rentabiliser le procédé.

Objectifs

Le but central de ce projet est d'améliorer l'efficacité du procédé de carbonatation minérale et de réduire les coûts en ajustant les conditions de réaction aux résidus miniers québécois et ce, afin de rendre le procédé économiquement utilisable à des applications industrielles. Les objectifs détaillés de ce projet sont les suivants : 1) développer un procédé permettant d'utiliser les résidus miniers pour la séquestration du CO2 diminuant ainsi l'émission de ce gaz; 2) produire du carbonate de magnésium commercialisable; 3) améliorer la gestion des résidus miniers; 4) optimiser le procédé (améliorer la cinétique de réaction et résoudre les problèmes d'ingénierie); 5) obtenir les données techniques et scientifiques utiles au pilotage du procédé dans une industrie après le projet; 6) démontrer par une analyse technico-économique l'intérêt de ce procédé pour plusieurs industries; 7) obtenir les informations nécessaires sur les produits de réaction afin de pouvoir les commercialiser, ce qui permettrait de réduire le coût global de la séquestration du CO2.

Résultats obtenus

Les échantillons minéraux étant riches en fer, un élément qui peut ralentir la réaction, une séparation physique a été faite. Cette méthode a permis de récupérer 91% d'un matériel pauvre en fer. Après trois ans de recherche le taux de séquestration du CO2 contenu dans le gaz (mélange N2/CO2/O2/78/18/4 vol%) est de l'ordre de 88 ± 1% sur 15 min. Les conditions de température et pression sont très faibles ce qui en fait un procédé peu coûteux et facilement adaptable dans une usine. Le produit obtenu a été identifié comme un carbonate, la nesquehonite (MgCO3.3H2O), avec une pureté proche de 98%. Pour avoir une idée du prix de ce produit, une comparaison a été faite avec des produits équivalents sur le marché. Des prix entre 500$US et 1800$US ont été trouvés, ce qui permet de penser que le procédé aura un coût nul ou même permettra de faire des profits.

Retombées actuelles

Devant les bons résultats obtenus et les conditions intéressantes, un brevet (PCT/CA2013/050170) a été déposé. De même, les étudiants travaillant depuis trois ans sur le projet ont présenté plusieurs affiches et conférences. Le projet a fait également l'objet de diverses publications et couvertures médiatiques. Dans le cadre de ce projet, et pour continuer vers l'application du procédé à une échelle industrielle, des contacts positifs avec une industrie émettrice de CO2 ont été réalisés. Ces contacts ont tout d'abord mené à l'attribution d'une subvention d'engagement partenarial du CRSNG, afin de définir les matériaux potentiellement utilisable dans le cas de l'installation du procédé sur un site d'usine.

De même, après de nombreuses discussions, la décision d'installer un projet pilote préindustriel sur ce même site en septembre 2013 a été finalisée. Afin de financer le montage de ce projet, de former plusieurs autres étudiants et personnels qualifiés, une demande de subvention à Carbon Management Canada, membre du Réseau des Centres d'Excellence Canadiens a été faite et obtenue pour une durée de deux ans. Dans le cadre de cette subvention, des échanges fructueux ont été réalisés avec les Universités de Melbourne et de Calgary ainsi qu'avec de nombreux intervenants dans le domaine de la séquestration du carbone.

Retombées prévues

La réalisation de ce projet fournira au gouvernement du Québec une opportunité de développer un procédé qui pourra aider à réduire, à faible coût, les émissions de CO2, tout en générant des produits commercialisables. L'élimination progressive de terrils de résidus miniers et leur utilisation représente un impact positif de ce projet. De même, ce projet favorisera la création de nouveaux emplois, aussi bien que le recrutement de nouveaux chercheurs possédant de nouveaux domaines d'expertise.

Chercheur responsable

Guy Mercier, Institut national de la recherche scientifique

Équipe de recherche

  • Jean-François Blais, Institut national de la recherche scientifique
  • Sandra Kentish, Université de Melbourne

Durée

2010-2013

Montant

249 800 $

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