A la Recherche de Nouveaux Adsorbants pour le Captage sélectif du CO2 : du Criblage haut débit à l’élaboration de modèles structures-propriétés – CHESDENS

Le captage-stockage du CO2 s’avère être une solution de transition acceptable pour diminuer les concentrations de gaz à effet de serre en piégeant le CO2 produit par les installations industrielles avant son rejet à l’atmosphère. On peut distinguer deux grandes voies de captage selon les conditions de concentration, pression et température dans lesquelles elles s’opèrent :
• dans la gamme basse pression, il s’agit essentiellement du captage en post-combustion qui consiste à piéger le CO2 présent en faible concentration (effluents à traiter constitués principalement de N2 avec des teneurs en CO2 <20%) dans les fumées de centrales thermiques et des cimenteries. Un des problèmes à aborder est la présence de vapeurs d’eau qui peut avoir un effet néfaste sur ce procédé de séparation.
• dans le domaine haute pression, l’objectif est de séparer le CO2 de différents mélanges gazeux comme CO2/CH4, CO2/H2 et CO2/CO selon l’application considérée que ce soit la production de gaz de synthèse, la purification de gaz naturel et d’hydrogène ou encore la production d’ammoniac. Leur dénominateur commun réside dans le fait que le piégeage du CO2 s’effectue à des pressions totales pouvant atteindre dans certains cas 80 bar.
Les technologies employées jusqu’ici demeurent relativement onéreuses. Il est donc primordial d’envisager des solutions alternatives notamment en recherchant de nouveaux adsorbants plus performants qui intégrés dans des procédés de type PSA (Pressure Swing Adsorption) pourraient conduire à une amélioration notable de leur efficacité.
Dans ce contexte, notre objectif est d’associer des outils novateurs de caractérisation et de modélisation afin de relever successivement les défis suivants :
• Evaluer les propriétés de séparation de centaines de solides poreux issus de différentes familles de matériaux qu’ils soient inorganiques ou hybrides (zéolithes ou zéotypes, MOFs, ZIFs, PMOs..) vis-à-vis des différents mélanges gazeux en mettant en œuvre des mesures d’adsorption en criblage haut débit, discipline qui en est seulement à ses prémices. Une percé majeure consistera à mettre au point un appareillage adaptée à l’étude de la co-adsorption.
• Mener à bien une approche statistique originale de type QSPR (Relation structure-propriété quantitative) pour relier les performances de ces matériaux en terme de séparation à leurs caractéristiques physico-chimiques (structurales, chimiques, électronique…). Le challenge résidera dans le développement de descripteurs spécifiques qui puissent rendre compte des propriétés du solide, ce qui demeure extrêmement peu traité à ce jour.
• Développer une version revisitée de l’approche AASBU (Auto-assemblage de briques de construction secondaires) qui partant des conclusions de l’approche QSPR ambitionnera de générer de nouvelles structures de solides poreux « à la carte » présentant des propriétés de séparation optimales pour chaque application visée. L’objectif sera d’intégrer un certain nombre de fonctionnalités à la méthodologie existante qui nous apparaissent cruciales pour réaliser une avancée majeure dans le domaine de la découverte de nouveaux matériaux poreux.
Au-delà de l’évaluation des sélectivités de chacun de ces adsorbants, nous attacherons une attention particulière à procéder à une estimation de leur capacité d’adsorption, leur cyclabilité et leur régénérabilité qui sont des paramètres clefs pour les applications visées.
L’ambition ultime de ce projet est de créer un outil unique couplant des entrées expérimentales et computationnelles qui permettent de comprendre et rationaliser les propriétés de séparation des adsorbants et au-delà être capable de découvrir une nouvelle génération d’adsorbants aux performances accrues.