Grâce à la catalyse hétérogène à la recherche de la durabilité

2015/03/12 Agirrezabal Telleria, Iker - Bilboko Ingeniaritza Goi Eskola Teknikoa, Ingeniaritza Kimikoa eta Ingurumenaren Ingeniaritza Saila, UPV/EHU Iturria: Elhuyar aldizkaria

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XIX. et XX. La révolution industrielle du XIXe siècle a apporté non seulement de nouveaux produits, mais aussi des changements dans les processus de fabrication de ceux-ci. Le fer et l'acier sont les composés qui ont pris le plus de force dans cette révolution ; cependant, le pétrole est la source qui a permis de transformer la gamme de produits la plus large possible. La majeure partie du pétrole, raffiné, comme l'essence, le gasoil et le kérosène, est destinée au marché de l'énergie, tandis qu'une grande partie est destinée à la fabrication de lubrifiants et d'asphaltes. La production de plastiques est une autre révolution liée au pétrole. Les propriétés principales des plastiques sont l'adaptabilité et la résistance chimique, en particulier compte tenu de leur faible poids. Mais quels facteurs ou circonstances font que le pétrole brut devienne autant de produits ?

L’importance de la catalyse

Sans doute, la nature d'un produit dépend de son arrière-plan, c'est-à-dire de sa structure moléculaire. Un des exemples les plus clairs sont les polymères, dans lesquels les mêmes monomères reliés par rangées peuvent former une structure polymère d'une certaine longueur. Fondamentalement, la structure chimique est la même, mais comme déjà mentionné ci-dessus, en devenant une longue chaîne, ces polymères acquièrent des propriétés supplémentaires. En plus des conditions de réaction (température, pression, flux, etc.) ). ), la nature du catalyseur est généralement l'un des facteurs qui détermine la viabilité d'un produit. Le terme «catalys» a été utilisé pour la première fois par le chercheur Berzelius en 1836. Cependant, la catalyse était également utilisée dans des processus de fermentation anciens comme la production du vin. Même si les utilisateurs d'alors n'avaient aucune connaissance de ce concept, le composé qui aidait à accélérer la fermentation et à obtenir un produit donné était un biocatalyseur.

Les catalyseurs peuvent être classés en fonction de leur nature physique et chimique. Les biocatalisateurs sont des catalyseurs d'origine biologique (enzymes en général). Ils sont également utilisés industriellement pour la production d'aliments (pain, Saccharomyces cerevisae) ou combustibles (bioéthanol provenant de la canne à sucre au Brésil). La complexité des enzymes permet de conduire des réactions plus difficiles que dans de nombreux processus chimiques. Cependant, compte tenu de la demande de consommation dans les pays occidentaux, le principal inconvénient réside dans la faible vitesse de production ou la disparition de principes actifs, en particulier par rapport aux processus thermochimiques.

Pour que la vitesse de réaction soit aussi rapide que possible, de nombreux catalyseurs d'origine minérale comme l'acide sulfurique ou l'hydroxyde de sodium ont été développés ces dernières décennies. Enfin, en changeant la composition chimique des catalyseurs, en plus d'accélérer la formation des différents produits, on peut obtenir que le processus s'adresse à un produit donné à un prix abordable. Un des exemples les plus clairs de la catalyse chimique est la combustion de la fumée des voitures. En fait, dans la composition de la fumée des voitures sont générés divers composés d'hydrocarbures et d'azote. Pour réduire leur degré de contamination, on utilise généralement des catalyseurs chimiques formés par différents métaux, dans la plupart des cas sous une forme solide.

Dans l'industrie, pour sa part, une catalyse homogène est utilisée pour produire la plupart des composés. Le contact entre deux liquides ou deux gaz permet une catalyse homogène entre deux phases égales. Bien sûr, les principaux inconvénients, en plus d'avoir une faible renouvelable, sont les problèmes découlant du processus. L'oxydation de l'installation et la séparation du produit/catalyseur provoquent une augmentation des coûts de tout le système et, en particulier, la génération de nombreux courants toxiques si polluants pour l'environnement.

XXI. La révolution de la durabilité dépendante : biomasse et catalyse hétérogène

L'économie et le mode de vie durables se concentrent sur la source des produits actuels et leur processus d'élaboration. Cependant, nos systèmes de production reposent principalement sur les origines fossiles : pétrole, gaz naturel ou charbon. Ce système rend donc totalement difficile l'exécution durable de ces indicateurs. Face à ce manque, une étude combinant la biomasse et la catalyse hétérogène a été réalisée comme alternative: D'une part, une source renouvelable et, d'autre part, une voie appropriée pour réduire la toxicité de nombreux courants.

Le pétrole est la principale source actuelle et le but de ce travail est d'ouvrir de nouvelles voies à la biomasse qui génère la terre elle-même. Quant à la définition, la biomasse est énergie solaire concentrée. Après des processus enzymatiques complexes, il stocke cette énergie sous forme de carbone. La fossilisation a conduit à la formation de pétrole et de certains composés sur des millions d'années (voir figure 1). L’objectif de cette recherche est d’exploiter la biomasse “jeune”.

Les experts ont identifié 30 composés principaux issus de la biomasse. Parmi eux se trouve le fural, axe de cette étude. Le furfurfural peut être obtenu aujourd'hui grâce à un processus développé industriellement et est utilisé dans la fabrication de différentes résines, produits pharmaceutiques et lubrifiants. La Chine est le premier producteur. Dans ce pays, le manque de régulation provoque d'énormes dommages environnementaux. La principale source de problèmes est l'utilisation de catalyses homogènes, dans ce cas acide sulfurique ou acide phosphorique. L'étude se concentre sur la synthèse de la catalyse hétérogène pour la conversion de la biomasse en furfurfural.

Le fait qu'un matériau soit hétérogène signifie que la phase principale de la réaction et du catalyseur se trouvent dans différents états, c'est-à-dire la réaction en phase liquide/gazeuse et le catalyseur en phase solide (Figure 2). Dans ces cas, la réaction se produit uniquement en contact avec le catalyseur. Les catalyseurs hétérogènes peuvent être classés, dans la plupart des cas, en fonction de leurs propriétés : en modifiant les propriétés physiques de tout le matériel (dans la plupart des cas, la taille des pores) et en changeant la nature des centres actifs de la couche.

L'essence de la catalyse hétérogène consiste à classer les molécules en fonction de leur taille. Pour cela, des matériaux de grande couche sont nécessaires. Ceci est obtenu en utilisant des matériaux poreux (type éponge). Prenons comme exemple le fural: dans ce cas, nous partons du sucre appelé xylose, qui souffre d'une réaction de déshydratation pour le transformer en fural. Bien sûr, pour que la réaction se produise, ce sucre doit atteindre le point de conversion. Pour cela, il a été nécessaire de concevoir une structure poreuse appropriée, étant donné que la xylose a une taille de 0,72 nm. Si les pores sont trop grands, ils peuvent former des produits indésirables. En outre, l'optimisation de la taille des pores facilite considérablement la production du fourneau (voir deuxième partie de la figure 3). Les résultats montrent que la variation de la température de synthèse du matériau à 10 °C entraîne des changements décisifs dans les propriétés physiques. L'un des principaux résultats est la détection de la taille poreuse la plus appropriée d'un catalyseur acide formé par le silicium.

Afin de modifier périodiquement un seul paramètre, la deuxième partie de l'étude a abordé la modification des propriétés chimiques des matériaux composites au magnésium et au fluor. Sur la base de matériaux aux propriétés physiques très similaires, une procédure de synthèse a été développée pour modifier la quantité et la nature des centres chimiques. Dans ce cas, différentes voies ont été trouvées pour obtenir le furfal. Les centres acides forts permettent la voie directe, tandis que les faibles définissent la voie de réaction qui est donnée par la formation de différents composés intermédiaires. Logiquement, les deux cas ont donné différents rendements de produit, et surtout des centres ont été identifiés qui ont accéléré la vitesse de réaction. La quantité des deux centres a varié entre 0 et 100% et les résultats ont permis de synthétiser un catalyseur contenant une quantité optimale.

Un des avantages de ces catalyseurs hétérogènes est qu'ils facilitent la séparation après la réaction. Une fois ces réactions effectuées en phase liquide, le catalyseur solide a été filtré et récupéré. En outre, pour évaluer la viabilité de ce processus, le catalyseur a été réutilisé en obtenant les mêmes valeurs de performance obtenues précédemment. De cette façon, on a réussi à éviter des problèmes de séparation avec une catalyse homogène et à concevoir un processus plus “vert”.

Comme l'a conclu le travail, la catalyse et la technologie développées peuvent supposer l'évaluation de nombreux processus qui aujourd'hui ne sont pas viables et atteindre un niveau de durabilité plus élevé, en plus d'offrir la possibilité de suivre des étapes que l'environnement nous remerciera énormément.

Références