Nanomatériaux de carbone avancés

La nouvelle méthode de production d’hydrogène peut également convertir le carbone présent dans le biogaz et les biosolides en nanomatériaux de carbone avancés, illustrés ici 50 000 fois. Crédit: Université RMIT

Les biosolides sont le moteur d’une nouvelle méthode durable de production d’hydrogène à partir des eaux usées.

Les chercheurs ont utilisé des biosolides pour produire de l’hydrogène à partir des eaux usées, dans une nouvelle technologie qui soutient le recyclage complet de l’une des ressources illimitées de l’humanité – les eaux usées.

L’innovation se concentre sur la valorisation avancée des biosolides et du biogaz, sous-produits du processus de traitement des eaux usées.

Développée par des chercheurs de l’Université RMIT de Melbourne, en Australie, la technologie brevetée utilise un matériau spécial dérivé de biosolides pour déclencher des réactions chimiques pour produire de l’hydrogène à partir de biogaz. L’approche signifie que tous les matériaux nécessaires à la production d’hydrogène pourraient être achetés sur place dans une usine de traitement des eaux usées, sans avoir besoin de catalyseurs coûteux.

La méthode emprisonne également le carbone présent dans les biosolides et le biogaz, ce qui pourrait à l’avenir permettre un secteur des eaux usées à émission quasi nulle.

Le chercheur principal, le professeur agrégé Kalpit Shah, a déclaré que les méthodes commerciales existantes de production d’hydrogène étaient à forte intensité d’émission et de capital, et reposaient fortement sur le gaz naturel.

«Notre technologie alternative offre une approche durable, rentable, renouvelable et efficace de la production d’hydrogène», a déclaré Shah, directeur adjoint (académique) du Centre de formation ARC pour la transformation de la ressource australienne en biosolides au RMIT.

«Pour permettre la transition vers une économie circulaire, nous avons besoin d’une technologie qui nous permet de tirer pleinement parti des ressources qui seraient normalement gaspillées. Notre nouvelle technologie de production d’hydrogène repose sur des déchets dont l’approvisionnement est essentiellement illimité.

«En exploitant la puissance des biosolides pour produire un carburant entièrement propre à partir du biogaz – tout en empêchant simultanément les émissions de gaz à effet de serre – nous pouvons offrir une véritable victoire environnementale et économique.»

Les biosolides sont couramment utilisés comme engrais et amendement des sols dans l’agriculture, mais environ 30% des ressources mondiales en biosolides sont stockées ou envoyées à la décharge, ce qui crée un défi environnemental.

Professeur associé Kalpit Shah

Chercheur principal, professeur agrégé Kalpit Shah, avec le nouveau réacteur développé et breveté par l’Université RMIT. Crédit: Université RMIT

Le Dr Aravind Surapaneni, chercheur principal en recherche et planification à South East Water et directeur adjoint (industrie) du Centre de formation de l’ARC pour la transformation des ressources en biosolides d’Australie, a déclaré que la recherche sur de nouvelles utilisations utiles des biosolides était vitale.

«Le secteur des eaux usées cherche constamment à développer de nouvelles façons de transformer les biosolides en produits de grande valeur, de manière écologiquement durable et responsable», a déclaré Surapaneni.

Comment fonctionne la technologie

Dans la nouvelle méthode, publiée dans le Journal international de l’énergie hydrogène, les biosolides sont d’abord convertis en biochar – une forme de charbon de bois riche en carbone utilisée pour améliorer la santé des sols. Le biochar dérivé de biosolides contient des métaux lourds, ce qui en fait un catalyseur idéal pour la production d’hydrogène à partir de biogaz.

Dans le cadre de l’étude expérimentale à l’échelle du banc, les chercheurs ont testé le processus avec un gaz riche en méthane qui ressemble au biogaz. Ils ont montré que le biochar fabriqué à partir de biosolides est très efficace pour décomposer le gaz en ses éléments constitutifs – l’hydrogène et le carbone.

Le processus de décomposition peut également être conduit dans un réacteur spécialement conçu et hyper-efficace développé et breveté par RMIT, qui peut produire à la fois de l’hydrogène et un biochar de haute valeur recouvert de nanomatériaux de carbone.

En convertissant le carbone présent dans le biogaz et les biosolides en nanomatériaux de carbone avancés, leur méthode peut également capturer et séquestrer le gaz à effet de serre pour empêcher son rejet dans l’atmosphère.

Le biochar revêtu de nanomatériaux de carbone produit par la nouvelle technique a une gamme d’applications potentielles, y compris l’assainissement de l’environnement, la stimulation des sols agricoles et le stockage d’énergie.

Technologie de réacteur brevetée

Shah a déclaré que le réacteur unique développé par l’équipe de la RMIT School of Engineering était au cœur de cette approche de recyclage innovante.

«Nous avons radicalement optimisé le transfert de chaleur et de masse dans notre réacteur, tout en réduisant la technologie pour le rendre très mobile», a-t-il déclaré. «Il n’y a pas de réacteurs disponibles qui puissent réaliser une telle intégration phénoménale de chaleur et de masse, dans un boîtier aussi petit et rentable.

«Et bien qu’il soit déjà économe en énergie, avec une intégration plus poussée, ce réacteur pourrait transformer les biosolides et la conversion du biogaz en un processus qui produit réellement de l’énergie au lieu de la consommer.»

En plus d’être utilisé dans le traitement des eaux usées, le nouveau réacteur a des applications potentielles dans les industries de la biomasse, des plastiques et des revêtements.

La recherche a été soutenue par South East Water, qui testera la technologie de conversion des biosolides et du biogaz dans une usine pilote actuellement en cours de fabrication.

Le Dr David Bergmann, directeur de la recherche et du développement chez South East Water, a déclaré que la technologie avait un potentiel d’adoption par l’industrie.

«Soutenir ces types de technologies émergentes innovantes est un élément important de notre engagement en faveur de la réduction des émissions et d’une approche d’économie circulaire impliquant les eaux usées», a déclaré Bergmann.

Référence: «Production d’hydrogène par décomposition catalytique du méthane à l’aide de biochar et de charbon actif produit à partir de la pyrolyse de biosolides» par Savankumar Patel, Sazal Kundu, Pobitra Halder, Mojtaba Hedayati Marzbali, Ken Chiang, Aravind Surapaneni et Kalpit Shah, 3 septembre 2020, Journal international de l’énergie hydrogène.
DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2020.08.036

Le Centre de formation du Conseil australien de la recherche pour la transformation des ressources en biosolides d’Australie, basé au RMIT, rassemble l’expertise de 20 partenaires nationaux et internationaux d’Australie, du Royaume-Uni et des États-Unis, notamment des universités, du secteur des eaux usées et des partenaires industriels connexes.

«Production d’hydrogène par décomposition catalytique du méthane à l’aide de biochar et de charbon actif provenant de la pyrolyse de biosolides» est publié dans