• Membrane composite contre absorbant

    Le 01 novembre 2006

    Les systèmes membranaires présentent un fort potentiel dans la capture post-combustion du CO2. Reste à améliorer leurs performances de séparation et à prouver la faisabilité à l'échelle industrielle.

    CAPTURE DU CO2 Julie Sublet(1), Quang Trong Nguyen(1), Dominique Langevin(1), Corinne Chappey(1), Benoît Brulé(2) (1) Laboratoire « Polymère, Biopolymère, Membrane » - CNRS, INSA, Université de Rouen - Bd Maurice de Broglie, 76821 Mont St Aignan Cedex (2) Arkema - Cerdato 27470 Serquigny Les analyses ont montré une augmentation de la température moyenne terrestre depuis le XIXe siècle avec, en parallèle, une augmentation de la concentration atmosphérique de CO2 pour la même période (voir figures 1 et 2). Les gaz à effet de serre (CO2, CH4, H2O, …) permettent d'avoir une température moyenne sur terre de 15 °C au lieu de - 18 °C. À partir de là, les scientifiques ont émis l'hypothèse qu'une augmentation du CO2 atmosphérique pourrait modifier le climat terrestre, hypothèse qui semble pour l'instant vérifiée par les observations météorologiques. Ainsi, le protocole de Kyoto (1997) propose pour les pays de l'Europe de réduire de 8 %, sur la période 2008-2012, les émissions de gaz à effet de serre par rapport aux chiffres de 1990. Pour répondre à ce besoin, notre équipe se propose d'agir en aval du problème par la conception d'une membrane composite susceptible de capturer le CO2 dilué dans les fumées de combustion essentiellement constituée d'azote (capture post-combustion). La capture du CO2 est déjà couramment appliquée dans plusieurs secteurs industriels. Elle sert notamment pour le traitement du gaz naturel (amélioration de son rendement énergétique en éliminant les impuretés telles que le CO2, SO2, H2S, …). Cependant, les procédés de capture déjà existants ne sont pas toujours applicables pour le traitement des fumées. Tout d'abord, il faut savoir que leur coût est assez important. Les études montrent que dans la chaîne capture-transport-séquestration, la première étape constitue encore 60 à 80 % du prix de revient1. Par ailleurs le deuxième problème réside dans la composition et dans la pression des fumées à traiter. En effet, les procédés existants de capture du CO2 s'appliquent dans des conditions bien différentes de celles du traitement des fumées de post-combustion pour lesquelles la proportion de CO2 peut varier de 3 à 20 % en mélange avec N2, O2, H2O et quelques impuretés (oxydes d'azote et de soufre), le tout étant à pression atmosphérique2. Ces contraintes dans le cas des fumées rendent la séparation beaucoup plus difficile, notamment dans le cas des procédés membranaires. Ainsi, l'objectif dans ce domaine est d'améliorer les techniques existantes et aussi de développer des nouveaux axes de recherche. Le procédé mis au point doit être le plus sélectif et le moins coûteux possible en terme d'investissement mais aussi en terme d'énergie (dépenser à nouveau de l'énergie pour la capture du CO2 réémet du CO2). Une capture post-combustion Notre projet se situe dans la capture post-combustion pour laquelle les procédés membranaires sont en concurrence avec les procédés basés sur l'absorption et l'adsorption. À l'heure actuelle, la technique la plus faisable reste celle de l'absorption. Le projet européen Castor, lancé en 2004 et orchestré par l'IFP, explore ainsi la voie de l'absorption par le biais d'un pilote installé pour le traitement des fumées d'une centrale à charbon au Danemark. Néanmoins l'un des inconvénients de cette technique reste le coût énergétique pour régénérer le solvant. Il faut dépenser 4 à 6 GJ par tonne de CO2 pour cette opération. Les réglementations européennes visent comme objectif une dépense inférieure à 2 GJ par tonne de CO2. Dans le cas des membranes, la dépense est estimée à moins de 1 GJ par tonne de CO2. Une étude réalisée par Roizard et coll. montre que les procédés membranaires sont applicables idéalement dans le cas de fumées assez riche en CO2 (> 10 %) avec une membrane hautement sélective αCO2/N2 > 50, ou > 100 idéalement)1. Notre objectif est de mettre au point un système membranaire adapté pour répondre aux contraintes de la capture post-combustion du CO2. Parmi les points essentiels, deux conditions ressortent pour ce projet : le système membranaire devra posséder de très bonnes performances de séparation et il devra présenter une faisabilité à l'échelle industrielle tant pour sa fabrication que pour son application. Ainsi, nous proposons l'élaboration d'une membrane composite alliant un support poreux en polymère thermorésistant et une fine couche dense de polymère extrêmement sélective et perméable au CO2. L'idée est de fabriquer ce composite à partir de matériaux existants et disponibles, voire de supports commerciaux. Principe de la membrane composite La membrane composite, constituée d'une couche dense sélective déposée sur un support poreux présente sa face sélective du côté des fumées à traiter. La différence de pression partielle du CO2 existant entre l'aval et l'amont de la membrane, et la qualité de la couche sélective conduisent les molécules de CO2 à passer préférentiellement via la membrane (voir figure 3 page suivante). La couche dense sélective est à base de Pebax® (copolymère fabriqué et fourni par Arkema). Le support poreux peut être réalisé en Polysulfone, polymère industriel thermostable et bon marché. Le procédé de fabrication de membranes poreuses à partir du Polysulfone est bien connu à l'échelle industrielle. D'autres supports ont été fournis par la société Sartorius, ce sont des membranes en cellulose régénérée utilisées pour la filtration de l'eau. L'assemblage des deux parties du composite peut être envisagé de deux façons, toutes deux industrialisables. Les films de Pebax® pourraient être extrudés puis déposés en continu sur le support. Par ailleurs, une opération d'enduction du support par une solution de Pebax® pourrait également être envisagée. La caractérisation des composites a été réalisée sur un montage de perméation gazeuse appelé perméamètre Time Lag et mis au point par notre équipe. La méthode consiste dans un premier temps à appliquer le vide en amont et en aval de la membrane, puis, dans un deuxième temps, à mettre sous pression le gaz à tester en amont de la membrane. Le gaz passe au travers de la membrane et est capturé dans une chambre de volume connu dans laquelle la pression est enregistrée en fonction du temps. Ces données donnent ensuite accès à différents paramètres dont la sélectivité. Les résultats obtenus tendent à répondre aux contraintes exposées ci-avant (voir figure 4). En effet, l'un des Pebax® étudiés affiche une sélectivité CO2/N2 de 48 avec une perméabilité au CO2 proche de 100 Barrers (unité utilisée en perméation gazeuse), contre 2 Barrers pour l'azote. Concrètement, le flux de CO2 au travers de ce film de Pebax® de 3 µm déposé sur un support poreux et sous une pression de 3 bars à 25 °C est de 300 L.h-1.m-2. En modifiant légèrement et facilement ce Pebax®, nous avons réussi à multiplier par deux sa sélectivité CO2/N2 tout en conservant la même perméabilité. Ceci laisse entrevoir des perspectives intéressantes pour la suite de notre travail. En conclusion, les enjeux sont définis et la problématique est claire. Il faut trouver une ou plusieurs solutions pour capturer à moindre coût (financier et énergétique) le CO2. La solution universelle n'existe probablement pas mais notre membrane composite pourrait répondre au problème dans certains cas de figure de façon rapide, facile et efficace. 1) R. Bounaceur, N. Lape, D. Roizard, C. Vallieres et E. Favre, Membrane processes for post-combustion carbon dioxide capture : A parametric study, Energy, article sous presse. 2) P.H.M. Feron et C.A. Hendriks, CO2 Capture process principles and costs, Oil & Gas Science and Technology, 60 (2005) 451-459.


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