Une nouvelle membrane à humidité contrôlée élimine le dioxyde de carbone de l’air

La capture directe dans l’air a été identifiée comme l’une des « sept séparations chimiques qui changeront le monde ». En effet, bien que le dioxyde de carbone soit le principal responsable du changement climatique (nous rejetons environ 40 milliards de tonnes dans l’atmosphère chaque année), la séparation du dioxyde de carbone de l’air est très difficile en raison de sa concentration diluée (environ 0,04 %).

Le professeur Ian Metcalfe, titulaire de la chaire des technologies émergentes de la Royal Academy of Engineering à l’école d’ingénierie de l’université de Newcastle, au Royaume-Uni, et chercheur principal, déclare : « Les processus de séparation dilués sont les plus difficiles à réaliser pour deux raisons principales. Tout d’abord, en raison de la faible concentration, la cinétique (vitesse) des réactions chimiques visant à éliminer le composant dilué est très lente. Deuxièmement, la concentration du composant dilué nécessite beaucoup d’énergie. »

C’est à ces deux défis que les chercheurs de Newcastle (avec des collègues de l’Université Victoria de Wellington, en Nouvelle-Zélande, de l’Imperial College de Londres, au Royaume-Uni, de l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni, de l’Université Strathclyde, au Royaume-Uni et de l’UCL, au Royaume-Uni) ont voulu répondre avec leur nouveau procédé membranaire. En utilisant les différences d’humidité naturelles comme force motrice pour pomper le dioxyde de carbone de l’air, l’équipe a surmonté le défi énergétique. La présence d’eau a également accéléré le transport du dioxyde de carbone à travers la membrane, relevant ainsi le défi cinétique.

L’ouvrage est publié dans Énergie naturelle et le Dr Greg A. Mutch, Royal Academy of Engineering Fellow à l’École d’ingénierie de l’Université de Newcastle, au Royaume-Uni, explique : « La capture directe de l’air sera un élément clé du système énergétique du futur. Elle sera nécessaire pour capturer les émissions des sources mobiles et distribuées de dioxyde de carbone qui ne peuvent pas être facilement décarbonées par d’autres moyens.

« Dans notre travail, nous démontrons la première membrane synthétique capable de capturer le dioxyde de carbone de l’air et d’augmenter sa concentration sans apport d’énergie traditionnel comme la chaleur ou la pression. Je pense qu’une analogie utile pourrait être celle d’une roue à eau sur un moulin à farine. Alors qu’un moulin utilise le transport descendant de l’eau pour faire fonctionner la mouture, nous l’utilisons pour pomper le dioxyde de carbone de l’air. »

Processus de séparation

Les processus de séparation sont à la base de la plupart des aspects de la vie moderne. De la nourriture que nous mangeons aux médicaments que nous prenons, en passant par les carburants ou les batteries de notre voiture, la plupart des produits que nous utilisons ont subi plusieurs processus de séparation. De plus, les processus de séparation sont importants pour minimiser les déchets et la nécessité de remédiation environnementale, comme la capture directe du dioxyde de carbone dans l’air.

Cependant, dans un monde qui évolue vers une économie circulaire, les processus de séparation deviendront encore plus cruciaux. Dans ce cas, le captage direct de l’air pourrait être utilisé pour fournir du dioxyde de carbone comme matière première pour la fabrication de nombreux produits à base d’hydrocarbures que nous utilisons aujourd’hui, mais dans un cycle neutre en carbone, voire négatif en carbone.

Plus important encore, parallèlement à la transition vers les énergies renouvelables et au captage traditionnel du carbone à partir de sources ponctuelles comme les centrales électriques, le captage direct dans l’air est nécessaire pour atteindre les objectifs climatiques, tels que l’objectif de 1,5 °C fixé par l’Accord de Paris.

La membrane entraînée par l’humidité

Le Dr Evangelos Papaioannou, maître de conférences à l’École d’ingénierie de l’Université de Newcastle, au Royaume-Uni, explique : « Contrairement au fonctionnement typique des membranes, et comme décrit dans le rapport de recherche, l’équipe a testé une nouvelle membrane perméable au dioxyde de carbone avec une variété de différences d’humidité appliquées à travers elle. Lorsque l’humidité était plus élevée du côté de sortie de la membrane, la membrane pompait spontanément du dioxyde de carbone dans ce flux de sortie. »

Grâce à la microtomographie à rayons X réalisée avec des collaborateurs de l’UCL et de l’Université d’Oxford, l’équipe a pu caractériser précisément la structure de la membrane. Cela leur a permis de fournir des comparaisons de performances solides avec d’autres membranes de pointe.

Un aspect clé du travail a consisté à modéliser les processus se produisant dans la membrane à l’échelle moléculaire. En utilisant des calculs basés sur la théorie fonctionnelle de la densité avec un collaborateur affilié à la Victoria University of Wellington et à l’Imperial College London, l’équipe a identifié des « transporteurs » au sein de la membrane.

Le transporteur transporte de manière unique à la fois du dioxyde de carbone et de l’eau, mais rien d’autre. L’eau est nécessaire pour libérer le dioxyde de carbone de la membrane, et le dioxyde de carbone est nécessaire pour libérer l’eau. De ce fait, l’énergie provenant d’une différence d’humidité peut être utilisée pour faire passer le dioxyde de carbone d’une faible concentration à une concentration plus élevée à travers la membrane.

Le professeur Metcalfe ajoute : « Il s’agit d’un véritable travail d’équipe sur plusieurs années. Nous sommes très reconnaissants envers nos collaborateurs pour leurs contributions et pour le soutien de la Royal Academy of Engineering et du Engineering & Physical Sciences Research Council. »