Promoteur : Prof. Guy De Weireld

Résumé :

A l’heure actuelle, les besoins énergétiques mondiaux sont comblés en grande majorité (85%) par la combustion de combustibles fossiles, qui représentent plus de 40 % des émissions de CO₂. Ces émissions croissantes ont des effets préjudiciables sur le climat de notre planète et influencent les conditions qui permettent la vie sur terre. La capture du CO₂, suivie de sa séquestration ou de son utilisation, est une des voies importantes identifiées dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Cette thèse s’inscrit donc dans le contexte de la capture du CO₂ d’une fumée de combustion.

Vu l’impact environnemental et énergétique de l’absorption de CO₂ dans des solvants aminés type methyl-éthanolamine qui est la technique de référence à l’heure actuelle, d’autres solutions sont à l’étude. Les procédés basés sur l’adsorption, tels que le PSA, ont fait l’objet de nombreux développements ces dernières années. Avec l’apparition de nouvelles classes de matériaux, les procédés basés sur l’adsorption apparaissent comme une solution crédible pour la capture du CO₂. Au préalable de la mise en place d’un procédé PSA, la sélection d’un adsorbant efficace est nécessaire. Il doit présenter des bonnes capacités d’adsorption, être sélectif pour le composé à récupérer (le CO₂), ainsi qu’être facilement régénérable. L’étape limitante de l’adsorption est la capacité des molécules d’adsorbat à diffuser vers les sites d’adsorption, la diffusion est donc également importante afin d’optimiser les performances du procédé.

Apparus dans les années 90, les Metal-Organic Frameworks (MOFs) apparaissent comme des matériaux potentiellement intéressants pour l’application envisagée. En effet, ces matériaux hybrides, construits sur base de centres métalliques et de ligands organiques, présentent un nombre de combinaisons quasiment infini. De plus, ils ont l’avantage d’être « modulables », ce qui permet de les adapter en fonction de l’application considérée ; par exemple en adaptant la taille des pores afin réaliser une séparation stérique ou en les fonctionnalisant afin d’augmenter certaines interactions.

Ce travail présente la méthodologie mise en place pour évaluer les propriétés d’adsorption de différents matériaux (onze MOFs sous forme de poudre et quatre MOFs mis en forme) pour la capture du CO₂ afin de réaliser un classement sur base de différents facteurs de sélection développés dans la littérature. Le scaling up d’une synthèse et la mise en forme du matériau sont de étapes importantes dans le développement de ces matériaux. La méthodologie se base sur l’utilisation de données expérimentales en corps purs et en mélange et d’outils de simulation. De plus, la mesure de courbes de percée et la modélisation d’une colonne d’adsorption ont été réalisées afin d’étudier la diffusion du mélange gazeux dans les matériaux mis en forme. Sur base des études thermodynamique et cinétique, la modélisation d’un procédé VPSA/PSA complet a pu être réalisée, ce qui a permis l’évaluation des performances de trois matériaux mis en évidence par les facteurs de sélection.

Sur base de cette étude et des résultats obtenus, les procédés basés sur l’adsorption sont bien une alternative au procédé de capture de référence. En effet, le benchmark choisi, la zéolithe 13X, a atteint les critères de performance fixés pour la capture du CO₂ avec une consommation énergétique nettement inférieure à celle du procédé de capture de référence. Au niveau des MOFs étudiés, le MIL-160 (Al) a également présenté des performances intéressantes malgré sa sélectivité plus faible comparée à la 13X.