Nanomatériaux pour applications environnementales et

Nanomatériaux pour applications
environnementales et énergétiques
Arnaud Delebarre, Laurence Le Coq, Pascaline Pré, Albert Subrenat
Ecole des Mines de Nantes
[email protected]
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Département Systèmes Énergétiques et Environnement – Ecole des Mines de Nantes
La recherche au Département Systèmes Énergétiques et
Environnement de l’école des Mines de Nantes
Energétique : technologie et aide à la décision
z Carburants alternatifs en moteurs
zFormulation et production carburants (biomasse)
zGaz pauvres ou hydrogénés, émulsions en moteur
z Systèmes énergétiques durables et territoires
zModélisation réseaux et demande en énergie
zEvaluation des actions sur la demande en énergie
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Département Systèmes Énergétiques et Environnement – Ecole des Mines de Nantes
La recherche au Département Systèmes Énergétiques et
Environnement de l’école des Mines de Nantes
Environnement : le couplage matériaux - procédés
z Procédés de capture et de destruction de polluants
zBiofiltration, adsorption, condensation, dépoussiérage
zConfinement par jets et rideaux d’air
z Matériaux pour l’environnement
zCharbons actifs, dopés, à nodules, à porosité contrôlée; Verres
dopés
zMatériaux poreux:stockage (CH4;H2)-transport O2-capture CO2
26 permanents dont 7 techniciens
Halle d’essais de grande capacité pour pilotes
Moyens d’analyse importants
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Département Systèmes Énergétiques et Environnement – Ecole des Mines de Nantes
Développement de matériaux nanoporeux
Elaboration et mise en œuvre de nanomatériaux
zElaboration de matériaux pour la séparation
de polluants
zConversion de déchets en adsorbants
zDopage de matériaux adsorbants poreux
zAdsorbants « à changement de phases »
zMise en œuvre de matériaux pour la
production d’énergie propre
zStockage de combustible
zCapture du CO2 sur effluents
zTransporteurs d’oxygène pour boucle chimique
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Élaboration de nanomatériaux carbonés (1)
Transformation de boues, fibres (bambou, jute), déchets
pneumatiques, déchets composites en adsorbants
Voie chimique
Voie physique
Imprégnation
H2SO4 1-3 M
Carbonisation
N2 / 600°C
Activation
Activation (N2)
CO2
H2O
600< T < 800 °C
60 < θ < 180 min
700 < T < 900 °C
30 < θ < 120 min
1,25 < Q < 2,5 L.min-1
750 < T < 850 °C
30 < θ < 90 min
m H 2 SO 4
< 1,5
m boue
0,5 <
procédé (rendement)
physico-chimiques (SBET, Vmicro, Vméso)
adsorption (qe,colorant, qe,Cu,COV)
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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
H2S / Cu
3,6
3,1
9,1
NH3 / Fe
15,8
16,4
7,7
1
C(t) = C 0 - C e (1 - e -t/τ )
0.8
WWP3
WWP3 El.
t
C /C
0
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
t (min)
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Élaboration de nanomatériaux carbonés (3)
Adsorbant avec nodules à changement de phase
z Charbons actifs associés à de la paraffine pour amortir les pics
de température au sein du lit d’adsorption-désorption
90
90
T (z = 4,5 cm)
T (z = 8,5 cm)
T (z = 12,5 cm)
T (z = 16,5 cm)
80
70
70
T (°C)
T (°C)
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
0
20
40
60
t (min)
7
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)
80
80
100
0
20
40
60
80
100
t (min)
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Mise en œuvre de nanomatériaux (1)
Le stockage d’hydrogène sur charbon actif
10,0
Charbon actif 77K
Fraction massique (%)
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
% stockage
% adsorbé modèle général modèle adsorption
0,0
0
5
10
15
20
Pression (bar)
25
30
H2 comprimé
+
H2 adsorbé
=
−1,14
wt% = 0 ,0023 S BET + 61,6 ρ vrac
P
H2 stocké
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Mise en œuvre de nanomatériaux (2)
Capture de CO2 en modulation de pression
(PSA) sur charbons actifs et zéolites
Adsorption capacity (mol CO2 / kg
adsorbent)
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Zeolite-13X
Zeolite-5A
AC-Coarse-Big-Surface
AC-Coarse-Small-Surface
Silica-Gel
10
8
6
4
2
0
0
9
1
2
3
4
Pressure (bar)
5
6
7
8
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Mise en œuvre de nanomatériaux (3)
Transporteurs d’oxygène pour une
oxycombustion en boucle chimique
N2,O2
Réacteur à
air :oxydation
de particules
de métal par
O2 de l'air
CO2,H2O = produits de combustion
sans azote ni oxygène
N2,O2
Réacteur à
Flux de particules
combustible :
d'oxydes métalliques MO2
oxydation du
carburant par
O2 de l'oxyde
Reflux de particules
de métal
de métal M
CO2,H2O
Air
Air
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Carburant
Carburant ex : CH4
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Conclusions et perspectives
Quelques pistes de réflexions
z La rencontre entre sciences des matériaux et
ingénierie des procédés de l’environnement et de
l’énergie
z Amélioration des matériaux poreux par des
fonctionnalités pour un meilleur contrôle du procédé
et une efficacité plus grande
z Importance de la durabilité (porosité, efficacité,
taille,…) des matériaux lors de leur mise en œuvre
dans des cycles avec alternances
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