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Dans un article publié dans la revue Joule, Ung Lee et ses collègues présentent une étude d'une installation pilote d'hydrogénation du dioxyde de carbone pour la production d'acide formique (K. Kim et al., Joule https://doi.org/10.1016/j.Joule.2024.01).003;2024). Cette étude démontre l'optimisation de plusieurs éléments clés du procédé de fabrication. Au niveau du réacteur, la prise en compte des propriétés essentielles du catalyseur, telles que son efficacité catalytique, sa morphologie, sa solubilité dans l'eau, sa stabilité thermique et la disponibilité des ressources à grande échelle, permet d'améliorer les performances du réacteur tout en limitant les quantités de matières premières nécessaires. Dans cette étude, les auteurs ont utilisé un catalyseur au ruthénium (Ru) supporté sur un réseau mixte covalent triazine-bipyridyl-téréphtalonitrile (Ru/bpyTNCTF). Ils ont optimisé la sélection de paires d'amines appropriées pour une capture et une conversion efficaces du CO₂, en choisissant la N-méthylpyrrolidine (NMPI) comme amine réactive pour capturer le CO₂ et favoriser la réaction d'hydrogénation en formiate, et le N-butyl-N-imidazole (NBIM) comme amine réactive. Après isolement de l'amine, le formiate peut être isolé pour la production ultérieure d'acide formique (FA) par formation d'un adduit trans. De plus, ils ont amélioré les conditions opératoires du réacteur (température, pression et rapport H₂/CO₂) afin de maximiser la conversion du CO₂. Concernant la conception du procédé, ils ont développé un dispositif composé d'un réacteur à lit ruisselant et de trois colonnes de distillation continue. Le bicarbonate résiduel est distillé dans la première colonne ; le NBIM est préparé par formation d'un adduit trans dans la deuxième colonne ; l'acide formique est obtenu dans la troisième colonne. Le choix des matériaux pour le réacteur et la tour a également été soigneusement étudié : l’acier inoxydable (SUS316L) a été sélectionné pour la plupart des composants, et un matériau commercial à base de zirconium (Zr702) pour la troisième tour afin de réduire la corrosion du réacteur grâce à sa résistance à la corrosion des assemblages de combustible, et son coût est relativement faible.
Après avoir soigneusement optimisé le procédé de production – en sélectionnant la matière première idéale, en concevant un réacteur à lit ruisselant et trois colonnes de distillation continue, en choisissant avec soin les matériaux du corps de colonne et du garnissage interne afin de limiter la corrosion, et en ajustant les conditions de fonctionnement du réacteur – les auteurs présentent une installation pilote d'une capacité de production journalière de 10 kg d'assemblage combustible, capable de fonctionner de manière stable pendant plus de 100 heures. Grâce à une analyse de faisabilité et de cycle de vie approfondie, l'installation pilote a permis de réduire les coûts de 37 % et le potentiel de réchauffement climatique de 42 % par rapport aux procédés de production d'assemblages combustibles traditionnels. De plus, le rendement global du procédé atteint 21 % et son efficacité énergétique est comparable à celle des véhicules à pile à combustible alimentés à l'hydrogène.
Qiao, M. Production pilote d'acide formique à partir de dioxyde de carbone hydrogéné. Nature Chemical Engineering 1, 205 (2024). https://doi.org/10.1038/s44286-024-00044-2