La m-DAC est un type de technologie de captage direct de l’air qui utilise des membranes pour capturer le CO2 de l’air. Ces dernières sont conçues pour laisser passer sélectivement les molécules de CO2 tout en bloquant les autres gaz. Ce processus, appelé perméation, se produit en raison des différences de concentration de CO2 de part et d’autre de la membrane. Une fois que le CO2 a traversé la membrane, il peut être collecté et stocké en vue d’une utilisation ou d’une élimination ultérieure. Alors que la capture du CO2 directement à partir de l’air par des membranes était autrefois considérée comme peu pratique en raison des faibles concentrations de CO2 dans l’air, les progrès récents de la technologie des membranes ont rendu cette approche plus réalisable.
Retirer directement du CO2 de l’atmosphère est un des passages obligés pour lutter contre le dérèglement climatique. En effet, de nombreuses émissions ne peuvent pas être évitées et il faut pouvoir « rattraper » les émissions passées. Une des pistes pour cela est la captation directe du carbone dans l’air (DAC). Néanmoins, cette pratique est très chère, notamment parce qu’il faut beaucoup d’énergie pour séparer le CO2 de la substance qui l’aurait captée (dans la technologie la plus mature). Une piste de recherche est d’utiliser une membrane pour filtrer le CO2 : la m-DAC.
Le fonctionnement de la m-DAC
La technologie m-DAC (membrane Direct Air Capture) est une nouvelle approche pour la capture directe de CO2 (DAC) de l’air. Au lieu d’utiliser des techniques de sorption pour capter le CO2, la m-DAC utilise une méthode de séparation par membrane. Des pompes aspirent l’air à travers des membranes successives qui vont favoriser le passage du CO2, extrayant un gaz de plus en plus concentré. Ce dernier reste néanmoins au final relativement peu concentré, ce qui peut le rendre peu viable combiné à un stockage par exemple.
Les avantages et inconvénients de la m-DAC
Les méthodes classiques de CCUS et de DAC reposent sur la mécanique de la sorption (absorption ou adsorption), qui demande de l’énergie pour extraire le CO2 de la substance qui l’a captée. Ce n’est pas le cas avec un filtrage par membrane.
Néanmoins, le gaz produit est beaucoup moins concentré, ce qui peut rendre plus difficile son stockage ou son utilisation.
Perméance et perméabilité
Pour comprendre les enjeux, il faut d’abord comprendre la nuance entre perméance et perméabilité.
La perméance et la perméabilité sont deux termes utilisés en physique pour décrire comment un matériau réagit au passage d’une substance à travers lui. Bien qu’ils soient liés, ils décrivent des propriétés légèrement différentes.
La perméabilité est une mesure de la capacité d’un matériau à laisser passer une substance, souvent un fluide ou un champ magnétique. Elle dépend de la nature du matériau lui-même. Par exemple, dans le cas de la perméabilité magnétique, les matériaux ferromagnétiques comme le fer ont une haute perméabilité, ce qui signifie qu’ils peuvent facilement être aimantés. Dans le contexte de la diffusion d’un fluide à travers un matériau solide, la perméabilité dépend de la taille et de la forme des pores du matériau, ainsi que de la nature du fluide.
La perméance, en revanche, est une mesure de la facilité avec laquelle une substance peut traverser un matériau, mais elle prend également en compte l’épaisseur du matériau. Ainsi, deux matériaux peuvent avoir la même perméabilité, mais si l’un est plus épais que l’autre, il aura une perméance plus faible. En somme, la perméabilité est une propriété intrinsèque d’un matériau qui décrit sa capacité à permettre le passage d’une substance, tandis que la perméance est une mesure de la facilité avec laquelle une substance peut traverser un matériau, en tenant compte de son épaisseur.
Les conditions pour l’efficacité de la m-DAC
En général, la m-DAC nécessite que les performances des membranes satisfassent plusieurs conditions :
- Une perméance au CO2 de plus de 10 000 GPU pour obtenir des tailles de membrane réalistes.
- Une sélectivité au CO2 supérieure à 30 (une sélectivité plus élevée est préférée).
- Un rapport de pression supérieur à 30 (un rapport de pression plus élevé est préféré).
- La membrane sépare le CO2 des autres gaz (N2, O2) dans l’air.
- Les matériaux de membrane doivent être peu cher pour que le dispositif reste abordable, car les zones de membrane requises sont relativement grandes.
- Les matériaux utilisés doivent donc être appropriés pour la fabrication de films minces.
Des membranes composites en film mince ont récemment été utilisées pour améliorer les performances, avec des couches sélectives au CO2 déposées sur une couche de support très perméable aux gaz, le tout assemblé sur un support poreux. Ces membranes peuvent être fabriquées avec des épaisseurs de quelques dizaines de nanomètres sans perdre de performances, tandis que la sélectivité peut être améliorée par modification de surface. La m-DAC est énergétiquement efficace et ne nécessite pas de produits chimiques ou de sorbants spéciaux pour la capture du CO2.
Le développement de la m-DAC
La m-DAC est à une maturité de TRL 4 pour l’industrie du ciment et à TRL 6 pour les centrales au gaz.
Le principal problème de la m-DAC a été la conception de membranes et, surtout, leur perméance au CO2. Néanmoins des développement récents sur ce point ont fait grandement avancer cette technologie. (Fujikawa et Selyanchyn 2022)
Pour aller plus loin
- Roberto Castro-Muñoz, Mohd Zamidi Ahmad, Magdalena Malankowska, Joaquín Coronas, A new relevant membrane application: CO2 direct air capture (DAC), Chemical Engineering Journal, Volume 446, Part 2, 2022, 137047, ISSN 1385-8947, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137047.
- Fujikawa, S., Selyanchyn, R. Direct air capture by membranes. MRS Bulletin 47, 416–423 (2022). https://doi.org/10.1557/s43577-022-00313-6