Nanomatériaux pour applications environnementales et énergétiques

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1 Nanomatériaux pour applications environnementales et énergétiques Arnaud Delebarre, Laurence Le Coq, Pascaline Pré, Albert Subrenat Ecole des Mines de Nantes 1

2 La recherche au Département Systèmes Énergétiques et Environnement de l école des Mines de Nantes Energétique : technologie et aide à la décision Carburants alternatifs en moteurs Formulation et production carburants (biomasse) Gaz pauvres ou hydrogénés, émulsions en moteur Systèmes énergétiques durables et territoires Modélisation réseaux et demande en énergie Evaluation des actions sur la demande en énergie 2

3 La recherche au Département Systèmes Énergétiques et Environnement de l école des Mines de Nantes Environnement : le couplage matériaux - procédés Procédés de capture et de destruction de polluants Biofiltration, adsorption, condensation, dépoussiérage Confinement par jets et rideaux d air Matériaux pour l environnement Charbons actifs, dopés, à nodules, à porosité contrôlée; Verres dopés Matériaux poreux:stockage (CH 4 ;H 2 )-transport O 2 -capture CO 2 26 permanents dont 7 techniciens Halle d essais de grande capacité pour pilotes Moyens d analyse importants 3

4 Développement de matériaux nanoporeux Elaboration et mise en œuvre de nanomatériaux Elaboration de matériaux pour la séparation de polluants Conversion de déchets en adsorbants Dopage de matériaux adsorbants poreux Adsorbants «à changement de phases» Mise en œuvre de matériaux pour la production d énergie propre Stockage de combustible Capture du CO2 sur effluents Transporteurs d oxygène pour boucle chimique 4

5 Élaboration de nanomatériaux carbonés (1) Transformation de boues, fibres (bambou, jute), déchets pneumatiques, déchets composites en adsorbants Voie chimique Imprégnation H 2 SO M Voie physique Carbonisation N 2 / 600 C Activation Activation (N 2 ) CO 2 H 2 O 600< T < 800 C 60 < θ < 180 min m m H 2 SO 4 0,5 < < 1,5 boue 700 < T < 900 C 30 < θ < 120 min 1,25 < Q < 2,5 L.min < T < 850 C 30 < θ < 90 min procédé (rendement) physico-chimiques (S BET, V micro, V méso ) adsorption (q e,colorant, q e,cu,cov) 5

6 Élaboration de nanomatériaux carbonés (2) Une adsorption sur tissu de charbon actif améliorée par dopage avec des nanoparticules métalliques τ (min) vierge électrodéposé. Voie Humide H 2 S / Cu 3,6 3,1 9,1 NH 3 / Fe 15,8 16,4 7, WWP3 WWP3 El. C(t) = C 0 - C e (1- e -t/ τ ) C t /C t (min)

7 Élaboration de nanomatériaux carbonés (3) Adsorbant avec nodules à changement de phase Charbons actifs associés à de la paraffine pour amortir les pics de température au sein du lit d adsorption-désorption T (z = 4,5 cm) T (z = 8,5 cm) T (z = 12,5 cm) T (z = 16,5 cm) T (z = 1.1 cm) T (z = 5.1 cm) T (z = 9.1 cm) T (z = 13.1 cm) T (z = 17.1 cm) T (z = 21.1 cm) T ( C) 50 T ( C) t (min) t (min) 7

8 Mise en œuvre de nanomatériaux (1) Le stockage d hydrogène sur charbon actif Fraction massique (%) 10,0 9,0 Charbon actif 77K 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 % stockage % adsorbé modèle général modèle adsorption 0, Pression (bar) H 2 comprimé + H 2 adsorbé = H 2 stocké wt% = 0, 0023 S + 61, 6 ρ BET 114, vrac P 8

9 Mise en œuvre de nanomatériaux (2) Capture de CO2 en modulation de pression (PSA) sur charbons actifs et zéolites 12 Adsorption capacity (mol CO2 / kg adsorbent) Zeolite-13X Zeolite-5A AC-Coarse-Big-Surface AC-Coarse-Small-Surface Silica-Gel Pressure (bar) 9

10 N 2,O 2 Mise en œuvre de nanomatériaux (3) Transporteurs d oxygène pour une oxycombustion en boucle chimique CO 2,H 2 O = produits de combustion sans azote ni oxygène N2,O2 Réacteur à air :oxydation de particules de métal par O 2 de l'air Flux de particules d'oxydes métalliques MO 2 Reflux de particules de métal M Réacteur à combustible : oxydation du carburant par O 2 de l'oxyde de métal CO 2,H 2 O Air Carburant 10 Air Carburant ex : CH 4

11 Conclusions et perspectives Quelques pistes de réflexions La rencontre entre sciences des matériaux et ingénierie des procédés de l environnement et de l énergie Amélioration des matériaux poreux par des fonctionnalités pour un meilleur contrôle du procédé et une efficacité plus grande Importance de la durabilité (porosité, efficacité, taille, ) des matériaux lors de leur mise en œuvre dans des cycles avec alternances 11