Synthèse du pôle "Problématique du recyclage du dioxyde de carbone"

dernière mise à jour : création de l'onglet "Historique des mises à jours" (le 05/04/2011 à 19 heures 15)

Objectifs de ce pôle :
- retenir le dioxyde de carbone et éviter son accumulation dans la cité
- réutiliser ce dioxyde de carbone pour des activités utiles à la cité pour éviter tout rejet de matières nocives ou de réactifs non consommés à l'extérieur.


Sommaire :
méthode 1 : Le recyclage par utilisation des hydroxydes métalliques (Ca(OH)₂/NaOH/KOH/LiOH)
méthode 2 : Le recyclage par utilisation du dioxyde de potassium (KO₂)
méthode 3 : Le recyclage par voie biologique
méthode 4 : Le recyclage par hydrogénation

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Méthode 1 : Le recyclage par utilisation des hydroxydes métalliques

Principe général
- On utilise une des propriétés de l'ion hydroxyde :
Autrement dit, dans une solution d'hydroxyde, le dioxyde de carbone forme des carbonates. Le dioxyde de carbone est donc retenu dans une solution sous forme d'un composé stable. Ce composé peut être réutilisé pour faire des composés carbonés et régénérer l'hydroxyde de départ.


Explications complémentaires
- Dans le cas de l'hydroxyde de calcium (eau de chaux), on a précipitation de carbonate de calcium :
- Dans le cas de l'hydroxyde de sodium (lessive de soude), on a formation d'hydrogénocarbonate de sodium et de carbonate de sodium :
- Dans le cas de l'hydroxyde de potassium (potasse caustique), on a formation d'hydrogénocarbonate de potassium et de carbonate de potassium :
- Dans le cas de l'hydroxyde de lithium (lithine), on a formation d'hydrogénocarbonate de lithium et de carbonate de lithium :
- la réaction est exothermique : elle produit de la chaleur. On peut peut-être envisager la récupérer.
- la réaction est tellement rapide qu'il y a formation d'un vide partiel.


Seconde étape : production des réactifs
- La production de l'hydroxyde de sodium se fait par l'électrolyse du chlorure de sodium formé, ou de l'eau de mer :
Mais il faut utiliser des compartiments électrolitiques séparés pour empêcher la formation d'hypochlorite de sodium (eau de Javel) :
tout en gardant un espace d'échange d'ions pour permettre la conduction du courant par la solution. Le procédé Castner-Kellner permet de contourner ce problème :

Explication du procédé Castner-Kellner (cliquer pour ouvrir/fermer) :

source : Chimie générale de Linus Pauling

Troisième étape : recyclage des produits
- On peut régénérer l'hydroxyde de sodium à partir du carbonate de sodium avec l'hydroxyde de calcium :
Mais cela revient à réutiliser du réactif pour en régénérer un autre, il faut donc trouver une autre solution.
- Le carbonate de sodium peut être décomposé par la chlorure de calcium :
- La réaction inverse peut être avantageuse, c'est ce que fait le procédé Solvay pour produire le carbonate de sodium et le chlorure de calcium :

Explication du procédé Solvay (cliquer pour ouvrir/fermer) :

source : Wikipédia

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Méthode 2 : Le recyclage par utilisation du dioxyde de potassium

Présentation générale du composé
- Le dioxyde de potassium, nommé aussi "superoxyde de potassium", est un solide jaune de formule KO₂.
- c'est un sel comprenant l'ion superoxyde O₂⁻ et en a toutes les propriétés, notamment celle de pouvoir facilement libérer du dioxygène.
- l'ion superoxyde est par nature instable en solution aqueuse, explicable par sa réaction de dismutation :
mais il est relativement stable en milieu anhydre et en solution organique anhydre (éthanol absolu, cyclohexane, pétrole, ...)
- c'est un grand oxydant, un puissant comburant (il favorise l'inflammation) et un produit corrosif (du à sa réaction à l'eau)
source : Wikipédia

Etape 1 : rétention du dioxyde de carbone
- La réaction en milieu anhydre est la suivante :
- La réaction en milieu aqueux utilise en grande partie les propriétés des hydroxydes :
source : Chimie: molécules, matière, métamorphoses de Peter William Atkins et de Loretta Jones et Wikipédia

Etape 2 : production du superoxyde de potassium
- le superoxyde de potassium est le produit de la combustion du potassium dans le dioxygène pur :
- le potassium sous fome métallique peut s'obtenir par électrolyse du chlorure de potassium fondu :
- le chlorure de potassium est extrait de la sylvine (chlorure de potassium impur) et peut s'extraire de l'eau de mer (le potassium est présent de l'ordre de 0.0102 mol.L⁻¹) par cristallisation fractionnée et séparation électrostatique.
source : Wikipédia

Etape 3 : recyclage des produits
- la carbonate de potassium se recycle comme le carbonate de sodium.

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Méthode 3 : Le recyclage par voie biologique

Principe général
- les organismes végétaux chlorophylliens utilise le principe de la photosynthèse pour produire leur matière organiques à partir du dioxyde de carbone. Ils utilisent pour cela un pigment vert, la chlorophylle.


Explication du phénomène de la fixation du carbone
- la fixation du dioxyde de carbone par les plantes se produit lors de la phase sombre, qui ne nécessite pas de lumière, mais dépend de la phase lumineuse qui lui produit de l'énergie sous forme d'ATP (adénosine triphosphate) et des transporteurs d'électrons sous forme de NADPH (nicotanamine adénosine dinucléotide phosphate réduite)
- le cycle de Calvin est une suite de réaction qui revient à son point de départ en passant pas de nombreux intermédiaires. Il necessite de l'ATP et de la NADPH. Il renouvellent donc les accepteurs d'électrons utilisés dans la phase précédente.

Schéma du cycle de Calvin (cliquer pour ouvrir/fermer) :

- la RuBisCO (ribulose 2,4-biphosphate carboxydase-oxydase) va introduire petit à petit le dioxyde de carbone dans le cycle de Calvin, ce qui va permette l'expulsion de molécules carbonées complexes du cycle sans le perturber. Après quelques modifications, on obtient du glucose.
- le glucose va être stockés en longues chaines : de l'amidon. Des enzymes vont se charger d'assembler le glucose comme pour les perles d'un collier.
- la réaction va régénérer les accepteurs d'électrons (NADP⁺) consommé lors de la phase lumineuse et de l'ADP (adénosine diphosphate) qui servira à la phase lumineuse pour refaire de l'ATP.
- la réaction de cette phase sera :
source : Biologie de Neil Campbell et Jane-B Reece

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Méthode 4 : Le recyclage par hydrogénation

Présentation générale des procédés
- Le dioxyde de carbone est à l'état oxydée dans la molécule de dioxyde de carbone.
- Vers 650°C, un courant de vapeur d'eau sur du charbon chauffé forme du dioxyde de carbone et du dihydrogène :
on peut donc imaginer effectuer la réaction inverse : hydrogéner le dioxyde de carbone pour obtenir du carbone, ou des hydrocarbures comme le méthane ou d'autres alcanes.


Procédé 1 : la réaction de Bosch
- Cette réaction à pour but de retirer progressivement les atomes d'oxygène du dioxyde de carbone en formant de l'eau :
Au total, on obtient du carbone sous forme de graphite par la réaction :
- la réaction a lieu à haute température, entre 450°C et 600°C.
- la réaction peut être catalysée pour optimiser les rendements. On utilise pour cela du fer, du cobalt, du nickel ou encore du ruthénium.
source : Wikipédia

Procédé 2 : la réaction de Sabatier
- Cette réaction a été découverte par le chimiste français Paul Sabatier, prix Nobel de chimie en 1912.
- Cette réaction est plus aboutie que la réaction de Bosch, on a hydrogénation du carbone en méthane, le plus simple des alcanes :
- la réaction nécessite de hautes conditions de température et de pression mais aussi un catalyseur (nickel ou ruthénium/alumine)
source : Wikipédia

Procédé 3 : le procédé Fischer-Tropsch
- Cette réaction a été découverte en 1923 lors de la coopération du chimiste allemand Franz Fischer et du chimiste tchèque Hans Tropsch.
- Cette réaction utilise du monoxyde de carbone et permet la formation d'alcanes linéaires plus long que pour la réaction de Sabatier :
comme par exemple la formation de butane (n=4) :
mais aussi d'autres hydrocarbures (des 1-alcènes notamment) et d'autres molécules organiques sous forme de traces : alcools primaires, aldéhydes, cétones, esters...
- elle se produit à hautes températures, sous de hautes pressions et en présence d'un catalyseur (fer, cobalt, ruthénium ou nickel, mais ce dernier à tendance à former uniquement du méthane)
source : Wikipédia

Production des réactifs
- le dihydrogène H₂ peut être produit par électrolyse de l'eau :
- mais il est aussi un produit de l'électrolyse du chlorure de sodium en solution aqueuse (notamment lors du procédé Castner-Kellner) :
- le monoxyde de carbone est produit par la réduction du dioxyde de carbone par le charbon très fortement chauffé :
- le monoxyde de carbone se forme aussi par réaction du carbone sur l'oxyde de calcium :

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Historique des mises à jour :

Belle synthèse

+1

Selon toi quelle méthode est la plus rentable en terme écologique ?

( Entre la méthode 1 et 2)

Dans les méthodes 1 et 2, il faut des réactifs

Peut on les produire en grandes quantités nous - même ?

En gros, je voudrais savoir ce qui faisable le plus facilement

Francescos

@ leamas
Voilà, j'ai rajouté tes infos !
Je rappelle que vous pouvez modifier votre vote si vous voyez une différence notable.

@ Francesco
Je pense, pour ma part, qu'il y a moins de risque à utiliser les hydroxydes que le superoxyde de potassium (surtout lors des incendies où le superoxyde de potassium joue le rôle de comburant).
Mais cela reste à débattre.

@Rubisco

Je viens de découvrir ta synthèse...

... première réaction à chaud....

JE SUIS BLUFFé.... tu es le du recyclage du CO2

....maintenant : 2me lecture dans le détail...

@Rubisco

... en fait quand on le lit en détail c'est passionnant comme truc...

...encore toutes mes félicitations d'avoir réussi à rendre accessible quelque chose aussi compliqué pour les profanes en chimie

... tu pourrais en faire un article dans une revue spécialisée

... par contre ça m'embête... j'ai beau cherché je ne trouve pas de questions complémentaires pour pinailler

... c'est décidé je m'en vais de ce pas... balancer ma dernière synthèse à la poubelle

@Rubisco

....en voulant supprimer ma synthèse originale j'ai trouvé ça.... présenté sous cette forme.... je supprime aussi ?

Citation :

3) Option 2 : Recyclage du CO2 par utilisation d’un circuit de liquéfaction à étage :

 Principe général : Le recyclage se déroule en deux temps :
 Utilisation d’un circuit de liquéfaction à étage (type Air Liquide(c)) de l'air afin de séparer les différents gaz.
 Recomposition d'une atmosphère sans CO2 et rejet de ce dernier sous forme liquide ou gazeuse en pleine eau.

 Explications complémentaires : Il s'agit de la séparation des gaz par condensation fractionnée. Cela consiste :
 à liquéfier l'air ambiant à très basse température,
 puis à faire couler ce liquide dans différents plateaux / chambres ayant une température très précise (de plus en plus élevée). Chaque gaz a sa propre température de fusion-évaporation. Donc dans la chambre à évaporation de l'azote, on récupérera de l'azote ; dans celle d'oxygène, de l'oxygène, etc.…
L'idée étant de faire évaporer le CO2 dans le compartiment dédié puis de l'évacuer (sous forme gazeuse) en mer. De la même manière, on peut faire évaporer les gaz contenus dans de l'eau de mer et procéder pareillement pour récupérer principalement l'oxygène par ébullition.

4) Option 3 : Recyclage du CO2 par utilisation d’un circuit d’eau ouvert :

 Principe général : Le principe est proche de celui de l’option 2 à la différence que la capture/dissolution du CO2 se fera via un circuit d'eau ouvert (pas nécessairement potable) dans un(e) compartiment/pièce refroidi(e) à basse température (0°C).
L’élimination du CO2 se fera par rejet en pleine eau.

 Explications complémentaires : L’aspect technique est donc identique à l’utilisation d’un circuit à liquéfaction à étage cela près qu'on utilise un unique caisson de refroidissement en dessous de la température du fusion du CO2.

@Rubisco

Oups... désolé c'est encore moi...

Je pense à truc...

Petite suggestion pratique pour celles et ceux qui suivent nos aventures et pour moi même (profane en chimie... je le rappelle )

...si tu effectues des modifications et ajustements complémentaires... il serait pratique que provisoirement tu mettes tes modifs en gras, italique, ou autre couleur pour qu'on puisse aller directement à l'information modifiée et mieux comprendre l'ensemble par rapport à ce qui a été changé...

Merci de ta compréhension

@ jecohusor
Les petites mises à jours qui ont été faites pour l'instant sont des modifications de titres, de la mise en page, des fautes d'orthographe... et donc ne sont pas signalées.
Les modifications importantes apparaissent sous la forme d'un bandeau déroulant sous le titre.

Concernant cette partie, je peux te répondre pourquoi je ne l'ai pas conservé :

RuBisCO a écrit:

Objectifs de ce pôle :
- retenir le dioxyde de carbone et éviter son accumulation dans la cité
- réutiliser ce dioxyde de carbone pour des activités utiles à la cité pour éviter tout rejet de matières nocives ou de réactifs non consommés à l'extérieur.

Or dans cette méthode, je cite :

Citation :

3) Option 2 : Recyclage du CO2 par utilisation d’un circuit de liquéfaction à étage :

 Principe général : Le recyclage se déroule en deux temps :
 Utilisation d’un circuit de liquéfaction à étage (type Air Liquide(c)) de l'air afin de séparer les différents gaz.
 Recomposition d'une atmosphère sans CO2 et rejet de ce dernier sous forme liquide ou gazeuse en pleine eau.

 Explications complémentaires : Il s'agit de la séparation des gaz par condensation fractionnée. Cela consiste :
 à liquéfier l'air ambiant à très basse température,
 puis à faire couler ce liquide dans différents plateaux / chambres ayant une température très précise (de plus en plus élevée). Chaque gaz a sa propre température de fusion-évaporation. Donc dans la chambre à évaporation de l'azote, on récupérera de l'azote ; dans celle d'oxygène, de l'oxygène, etc.…
L'idée étant de faire évaporer le CO2 dans le compartiment dédié puis de l'évacuer (sous forme gazeuse) en mer. De la même manière, on peut faire évaporer les gaz contenus dans de l'eau de mer et procéder pareillement pour récupérer principalement l'oxygène par ébullition.

4) Option 3 : Recyclage du CO2 par utilisation d’un circuit d’eau ouvert :

 Principe général : Le principe est proche de celui de l’option 2 à la différence que la capture/dissolution du CO2 se fera via un circuit d'eau ouvert (pas nécessairement potable) dans un(e) compartiment/pièce refroidi(e) à basse température (0°C).
L’élimination du CO2 se fera par rejet en pleine eau.

 Explications complémentaires : L’aspect technique est donc identique à l’utilisation d’un circuit à liquéfaction à étage cela près qu'on utilise un unique caisson de refroidissement en dessous de la température du fusion du CO2.

Ici, il n'est nullement question de recycler le dioxyde de carbone, mais de le relâcher dans le milieu. Certes, ce n'est pas un produit super-toxique, mais c'est quand même un gaz à effet de serre !
Ces méthodes sont donc en contradiction avec nos objectifs, elles ont donc été supprimées de ma synthèse.

peut être qu'une ptite note sur le fait que le recyclge par hydrogénation ne peut être la seule voie et que toute production de plastique doit entrainer une importation de C (via les clathrates de methane?) serait un ptit +

@Jeco: y a moyen de ralentir la vitesse des bandeaux? parce qu'un type apathique comme moi (la plus part du temps) a du mal avec une telle célérité...

@Rubisco

Tu as raison... effectivement dans le modèle de société que nous construisons nous devons nous inscrire dans une logique de développement durable

...exit donc l'option de "Recyclage du CO2 par utilisation d’un circuit de liquéfaction à étage "

@Leamas

Je vais voir ce que je peux faire pour les bandeaux...

Voilà, leamas sera content, il pourra voir les mises à jours.