Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage

Les systèmes énergétiques sont en pleine mutation. Alors que le monde cherche à s'éloigner des combustibles fossiles, le défi ne consiste pas seulement à produire de l'énergie propre, mais à la stocker efficacement pour les moments où le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas. Une voie prometteuse pour stocker la chaleur est un processus appelé adsorption. Imaginez une éponge capable d'absorber la vapeur d'eau de l'air ; lorsqu'on chauffe cette éponge, elle libère l'eau et, ce faisant, absorbe une quantité significative d'énergie thermique. Si ce cycle peut être répété, le matériau agit comme une batterie thermique, conservant l'énergie jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire. La clé pour faire fonctionner cela efficacement est de trouver des matériaux peu coûteux, stables et excellents pour capturer et relâcher l'eau. Pendant des décennies, les scientifiques ont cherché des cristaux synthétiques connus sous le nom de tamis moléculaires pour cette tâche, mais ces matériaux sont coûteux à fabriquer et sont souvent jetés comme déchets dangereux une fois qu'ils ont rempli leur fonction initiale de nettoyage des gaz industriels.

Une équipe de chercheurs en Argentine a transformé ce problème en opportunité. Ils ont étudié si les tamis moléculaires « usés » — ceux qui ont déjà été utilisés dans des usines de purification de gaz naturel et qui sont actuellement jetés — pourraient recevoir une seconde vie en tant que matériaux de stockage de chaleur. Au lieu de traiter ces cristaux rejetés comme des déchets, les chercheurs se sont demandé si leur structure interne et leur capacité à retenir l'eau restaient intactes après des années de service industriel. En testant ces matériaux usagés par rapport à des cristaux naturels neufs et à un autre type de composé synthétique, ils ont découvert que le matériau de rebut conserve les propriétés essentielles nécessaires pour fonctionner comme une batterie thermique. Cette découverte suggère un moyen de transformer un sous-produit industriel dangereux en une ressource précieuse, soutenant une économie circulaire où le déchet est transformé en un outil pour l'énergie durable.

L'étude a débuté avec un type spécifique de déchet : des tamis moléculaires usés collectés dans une installation de traitement de gaz d'une industrie pétrolière et gazière. Ces installations utilisent les tamis pour sécher et purifier le gaz naturel, en éliminant l'eau et d'autres impuretés. Avec le temps, les tamis se saturent et sont remplacés, générant environ 50 tonnes de ce matériau annuellement dans une seule usine. Actuellement, ce déchet est classé comme dangereux car il contient des hydrocarbures piégés, entraînant des coûts d'élimination et des préoccupations environnementales. Les chercheurs ont pris un échantillon de ce matériau utilisé, qui est un cristal synthétique composé de silicium, d'aluminium et d'oxygène, et l'ont soumis à une série de tests rigoureux. Pour assurer une comparaison équitable, ils ont également testé un cristal minéral naturel trouvé dans la terre ainsi qu'un matériau composite fabriqué en laboratoire, examinant comment chacun réagissait à la chaleur et comment ils interagissaient avec l'eau.

La première étape consistait à examiner la structure physique des matériaux. À l'aide de microscopes puissants, les chercheurs ont examiné la surface et les pores internes des tamis usés. Ils ont constaté qu'en dépit de leur longue période de service dans une usine industrielle, les cristaux ne s'étaient pas effondrés et n'avaient pas perdu leur nature poreuse. Les minuscules canaux et trous qui permettent aux molécules d'eau d'entrer et de sortir étaient toujours clairement visibles et bien connectés. C'était une conclusion cruciale car la capacité de stockage de chaleur dans ce système dépend entièrement de l'aptitude du matériau à laisser entrer et sortir l'eau. Les cristaux usés ressemblaient remarquablement aux cristaux neufs, suggérant que les conditions rudes de la purification du gaz n'avaient pas détruit les caractéristiques mêmes qui les rendent utiles pour le stockage de l'énergie.

Ensuite, l'équipe a analysé la composition chimique des matériaux pour comprendre comment ils interagiraient avec l'eau. Ils ont mesuré le ratio silicium/aluminium dans les cristaux, un facteur qui détermine la force avec laquelle un matériau attire les molécules d'eau. Les tamis moléculaires usés présentaient une forte teneur en aluminium, ce qui crée une forte attraction électrique sur les molécules d'eau, rendant le matériau très efficace pour absorber l'humidité. En revanche, le minéral naturel testé contenait moins d'aluminium et retiendrait probablement l'eau moins étroitement. Le troisième matériau, un composite à base de phosphate de calcium, se comportait différemment, s'appuyant sur la chimie de surface plutôt que sur la structure cristalline interne pour retenir l'eau. L'analyse chimique a confirmé que les tamis usés possédaient le type de « collant » approprié pour l'eau, un trait vital pour capturer et libérer l'énergie thermique.

Les chercheurs ont ensuite procédé aux tests thermiques, chauffant les matériaux pour observer leur comportement lors des changements de température. Ils ont utilisé une technique appelée analyse thermogravimétrique, qui mesure la perte de masse d'un échantillon à mesure qu'il chauffe. À mesure que la température augmentait, les trois matériaux perdaient du poids, mais de manières différentes. Le minéral naturel était très stable, perdant très peu de masse, ce qui signifiait qu'il retenait son eau étroitement mais pourrait ne pas la libérer assez facilement pour un stockage d'énergie rapide. Le matériau composite perdait une quantité significative de poids à des températures plus élevées, mais cela était dû à la décomposition de ses composants organiques, signe qu'il pourrait ne pas être assez stable pour un usage répété. Les tamis moléculaires usés, cependant, montraient un comportement équilibré. Ils libéraient l'eau de manière constante lorsqu'ils étaient chauffés, perdant de la masse de façon contrôlée sans se désintégrer. Cela indiquait qu'ils pouvaient être chauffés pour libérer l'énergie stockée, puis refroidis pour l'absorber à nouveau, un cycle essentiel pour une batterie thermique réutilisable.

Pour comprendre l'énergie impliquée dans ce processus, l'équipe a utilisé une méthode appelée calorimétrie différentielle à balayage, qui mesure le flux de chaleur entrant ou sortant d'un matériau. Lorsqu'ils chauffaient les tamis moléculaires usés, ils observaient une large absorption d'énergie thermique. Cette chaleur ne servait pas seulement à réchauffer le matériau solide ; elle était utilisée pour arracher les molécules d'eau de la surface du cristal et de ses pores minuscules. Le fait que cette absorption de chaleur se produise sur une large gamme de températures suggérait que l'eau était retenue de diverses manières au sein du cristal, certaines plus faibles et d'autres plus fortes. C'est en réalité un avantage pour le stockage d'énergie, car cela permet au matériau d'absorber la chaleur progressivement plutôt que d'un seul coup. Les mesures ont montré que les tamis usés pouvaient absorber une quantité significative d'énergie thermique, comparable ou même supérieure au minéral naturel frais, prouvant que leur capacité à stocker la chaleur n'avait pas été perdue lors de leur première vie dans l'usine de gaz.

L'étude conclut que ces cristaux industriels mis au rebut ne sont pas de simples déchets, mais une ressource viable pour le stockage de l'énergie thermique à basse température. Les tamis moléculaires usés ont maintenu leur intégrité structurelle, leur capacité chimique à attirer l'eau et leur stabilité thermique, même après avoir été soumis à des conditions industrielles rudes. Ils pouvaient être chauffés pour libérer l'eau et l'énergie, puis refroidis pour absorber l'eau et stocker l'énergie, sans se dégrader. Cette découverte offre une voie pratique vers l'économie circulaire. Au lieu d'envoyer 50 tonnes de déchets dangereux dans une décharge chaque année, une installation de traitement de gaz pourrait potentiellement réutiliser ce même matériau pour aider à stocker l'énergie renouvelable. Bien que les chercheurs aient noté que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour tester la performance de ces matériaux sur de nombreuses années de cycles de chauffage et de refroidissement répétés, les résultats initiaux sont clairs : le déchet d'une industrie pourrait devenir la solution de stockage d'énergie d'une autre, transformant un problème d'élimination en un atout durable.