Avec un traitement spécial, les minéraux appelés zéolites – que l’on trouve couramment dans la litière pour chats – peuvent éliminer efficacement les gaz à effet de serre de l’air, rapportent les chercheurs.
la zéolite absorbe le méthane
Légende: Une équipe de chercheurs du MIT a mis au point une approche prometteuse pour contrôler les émissions de méthane et l’éliminer de l’air, en utilisant un type d’argile peu coûteux et abondant appelé zéolite. Dans cette image, la zéolite, représentée comme la structure complexe au milieu, absorbe le méthane qui la traverse.
Le méthane est un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant que le dioxyde de carbone, et il a un effet prononcé au cours des deux premières décennies suivant sa présence dans l’atmosphère. Lors des récentes négociations internationales sur le climat à Glasgow, la réduction des émissions de méthane a été identifiée comme une priorité majeure dans les tentatives visant à freiner rapidement le changement climatique mondial.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du MIT a mis au point une approche prometteuse pour contrôler les émissions de méthane et l’éliminer de l’air, en utilisant un type d’argile peu coûteux et abondant appelé zéolite. Les résultats sont décrits dans la revue ACS Environment Au , dans un article de la doctorante Rebecca Brenneis, de la professeure agrégée Desiree Plata et de deux autres.
Bien que de nombreuses personnes associent le méthane atmosphérique au forage et à la fracturation hydraulique pour le pétrole et le gaz naturel, ces sources ne représentent qu’environ 18% des émissions mondiales de méthane, précise Desiree Plata. La grande majorité du méthane émis provient de sources telles que l’agriculture sur brûlis, l’élevage laitier, l’extraction de charbon et de minerai, les zones humides et la fonte du pergélisol.
« Une grande partie du méthane qui entre dans l’atmosphère provient de sources distribuées et diffuses, nous avons donc commencé à réfléchir à la façon dont vous pourriez le retirer de l’atmosphère », dit-elle.
La réponse que les chercheurs ont trouvée était quelque chose de très bon marché – en fait, un type spécial de « terre » ou d’argile. Ils utilisaient des argiles zéolitiques, un matériau si peu coûteux qu’il est actuellement utilisé pour fabriquer de la litière pour chats. L’équipe a découvert que le traitement de la zéolite avec une petite quantité de cuivre rend le matériau très efficace pour absorber le méthane de l’air, même à des concentrations extrêmement faibles.
Le concept du système est simple, bien qu’il reste beaucoup de travail sur les détails d’ingénierie. Dans leurs tests en laboratoire, de minuscules particules de zéolite enrichie en cuivre, similaires à de la litière pour chats, ont été emballées dans un tube de réaction, qui a ensuite été chauffé de l’extérieur sous forme de flux de gaz, avec des niveaux de méthane allant de seulement 2 parties par million jusqu’à 2 pour cent de concentration, s’écoulait à travers le tube. Cette gamme couvre tout ce qui peut exister dans l’atmosphère, jusqu’à des niveaux inflammables qui ne peuvent pas être brûlés ou brûlés directement.
Le processus présente plusieurs avantages par rapport aux autres approches pour éliminer le méthane de l’air, assure Desiree Plata. D’autres méthodes ont tendance à utiliser des catalyseurs coûteux tels que le platine ou le palladium, nécessitent des températures élevées d’au moins 600 degrés Celsius et ont tendance à nécessiter un cycle complexe entre les flux riches en méthane et en oxygène, ce qui rend les dispositifs à la fois plus compliqués et plus risqués, car le méthane et l’oxygène sont hautement combustibles seuls ou en combinaison.
« Les 600 degrés où ils font fonctionner ces réacteurs le rendent presque dangereux d’être autour du méthane », ainsi que de l’oxygène pur, souligne Rebecca Brenneis. « Ils résolvent le problème en créant simplement une situation où il va y avoir une explosion. » D’autres complications techniques résultent également des températures de fonctionnement élevées. Sans surprise, de tels systèmes n’ont pas trouvé beaucoup d’utilité.
Quant au nouveau processus, « je pense que nous sommes toujours surpris de son bon fonctionnement », déclare Desiree Plata, professeur agrégé Gilbert W. Winslow de génie civil et environnemental. Le processus semble avoir son efficacité maximale à environ 300 degrés Celsius, ce qui nécessite beaucoup moins d’énergie pour le chauffage que les autres processus de capture du méthane. Il peut également fonctionner à des concentrations de méthane inférieures à celles que d’autres méthodes peuvent traiter, même de petites fractions de 1%, que la plupart des méthodes ne peuvent pas éliminer, et le fait dans l’air plutôt que dans l’oxygène pur, un avantage majeur pour le déploiement dans le monde réel.
La méthode convertit le méthane en dioxyde de carbone. Cela peut sembler une mauvaise chose, étant donné les efforts mondiaux pour lutter contre les émissions de dioxyde de carbone. «Beaucoup de gens entendent ‘dioxyde de carbone’ et paniquent ; ils disent ‘c’est mauvais’ », souligne Desiree Plata. Mais elle souligne que le dioxyde de carbone a beaucoup moins d’impact dans l’atmosphère que le méthane, qui est environ 80 fois plus puissant en tant que gaz à effet de serre au cours des 20 premières années, et environ 25 fois plus puissant pour le premier siècle.
Cet effet provient du fait que le méthane se transforme naturellement en dioxyde de carbone au fil du temps dans l’atmosphère. En accélérant ce processus, cette méthode réduirait considérablement l’impact climatique à court terme, dit-elle. Et même convertir la moitié du méthane de l’atmosphère en dioxyde de carbone augmenterait les niveaux de ce dernier de moins de 1 partie par million (environ 0.
L’emplacement idéal pour de tels systèmes, a conclu l’équipe, serait dans des endroits où il y a une source relativement concentrée de méthane, comme les étables laitières et les mines de charbon. Ces sources ont déjà tendance à disposer de puissants systèmes de traitement de l’air, car une accumulation de méthane peut constituer un risque d’incendie, de santé et d’explosion. Pour surmonter les détails techniques exceptionnels, l’équipe vient de recevoir une subvention de 2 millions de dollars du département américain de l’Énergie pour continuer à développer des équipements spécifiques pour l’élimination du méthane dans ces types d’emplacements.
« Le principal avantage de l’extraction d’air est que nous en déplaçons une grande partie », dit-elle. « Il faut aspirer de l’air frais pour permettre aux mineurs de respirer et réduire les risques d’explosion des poches de méthane enrichies. Ainsi, les volumes d’air qui sont déplacés dans les mines sont énormes. La concentration de méthane est trop faible pour s’enflammer, mais c’est dans le sweet spot des catalyseurs, dit-elle.
L’adaptation de la technologie à des sites spécifiques devrait être relativement simple. La configuration du laboratoire que l’équipe a utilisée dans ses tests ne comprenait « que quelques composants, et la technologie que vous mettriez dans une étable à vaches pourrait également être assez simple », explique Desiree Plata. Cependant, de grands volumes de gaz ne s’écoulent pas aussi facilement à travers l’argile, de sorte que la prochaine phase de la recherche se concentrera sur les moyens de structurer le matériau argileux dans une configuration hiérarchique à plusieurs échelles qui facilitera la circulation de l’air.
« Nous avons besoin de nouvelles technologies pour oxyder le méthane à des concentrations inférieures à celles utilisées dans les torchères et les oxydants thermiques », explique Rob Jackson, professeur de sciences des systèmes terrestres à l’Université de Stanford, qui n’a pas participé à ce travail. « Il n’existe pas aujourd’hui de technologie rentable pour oxyder le méthane à des concentrations inférieures à environ 2 000 parties par million. »
Rob Jackson ajoute : « De nombreuses questions subsistent pour la mise à l’échelle de ce travail et de tous les travaux similaires : à quelle vitesse le catalyseur s’encrasse-t-il dans des conditions de terrain ? Pouvons-nous rapprocher les températures requises des conditions ambiantes ? Dans quelle mesure ces technologies seront-elles évolutives lors du traitement de grands volumes d’air ? »
Un avantage potentiel majeur du nouveau système est que le processus chimique impliqué libère de la chaleur. En oxydant catalytiquement le méthane, le processus est en fait une forme de combustion sans flamme. Si la concentration de méthane est supérieure à 0,5 %, la chaleur dégagée est supérieure à la chaleur utilisée pour démarrer le processus, et cette chaleur pourrait être utilisée pour produire de l’électricité.
Les calculs de l’équipe montrent que « dans les mines de charbon, vous pourriez potentiellement générer suffisamment de chaleur pour générer de l’électricité à l’échelle de la centrale électrique, ce qui est remarquable car cela signifie que l’appareil pourrait s’autofinancer », explique Desiree Plata. « La plupart des solutions de capture d’air coûtent beaucoup d’argent et ne seraient jamais rentables. Notre technologie pourrait un jour être un contre-exemple.
En utilisant la nouvelle subvention, dit-elle, « au cours des 18 prochains mois, nous visons à démontrer une preuve de concept que cela peut fonctionner sur le terrain », où les conditions peuvent être plus difficiles qu’en laboratoire. À terme, ils espèrent être en mesure de fabriquer des appareils compatibles avec les systèmes de traitement de l’air existants et qui pourraient simplement être un composant supplémentaire ajouté en place. « L’application d’extraction de charbon est censée être à un stade que vous pourriez remettre à un constructeur ou à un utilisateur commercial dans trois ans », conclut Desiree Plata.
Outre Desiree Plata et Rebecca Brenneis, l’équipe comprenait Eric Johnson, doctorant à l’université de Yale, et Wenbo Shi, ancien postdoctorant du MIT. Le travail a été soutenu par Gerstner Philanthropies, Vanguard Charitable Trust, le programme Betty Moore Inventor Fellows et le comité de soutien à la recherche du MIT.
https://news.mit.edu/2022/dirt-cheap-solution-common-clay-materials-may-help-curb-methane-emissions
