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Les procédés seront moins polluants

Stéphanie Cohen

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Une kyrielle de solutions y contribue : des membranes catalytiques sélectives aux matériaux composites d'origine végétale en passant par le développement de matrices minérales capturant des déchets.

L'aspect environnemental dans le domaine des matériaux se décline sous des aspects très variés. Développer des membranes catalytiques sélectives, remplacer des hydrocarbures par des substances végétales, retenir des molécules toxiques ou encore stocker de l'hydrogène..., voilà autant d'approches qui suscitent l'intérêt de l'ensemble des pays européens. Et dans ce contexte, la part consacrée au développement de nouveaux procédés et matériaux "propres" s'avère largement majoritaire face à l'aspect recyclage des matériaux existants.

Dans ce contexte européen, l'Allemagne - ce n'est pas surprenant - se révèle extrêmement active puisqu'elle participe à plus d'un programme sur deux et dispose d'un nombre d'acteurs considérable sensibilisés à l'aspect environnemental.

De l'oxygène ultrapur

La France n'est pas en reste. À travers l'Institut national polytechnique de Grenoble (INPG), notamment, elle participe à un tiers des projets, soit en qualité de coordinateur soit en tant que simple participant. Ainsi, même s'il fut coordonné par l'allemand Degussa, le projet Cermox a mobilisé de nombreux acteurs français.

Ce programme ambitieux, débuté il y a trois ans, pourrait avoir des implications dans des domaines très variés. Son objectif était la mise au point d'une membrane céramique perméable uniquement à l'oxygène. Un but aujourd'hui atteint qui va permettre à la fois la production d'oxygène ultrapur - et donc l'émission limitée de NOx lors de combustions - et la production "propre" d'alcènes pour la chimie des polymères. Dans ce dernier cas, l'oxygène de l'air migre à travers la membrane et réagit localement avec les alcanes, réduisant ainsi la formation de suie. Le rendement de la réaction est de 70 % et la température abaissée à 600 °C au lieu de 900 °C.

Des matériaux pour retenir les polluants

En dehors de ces applications, ces membranes pourraient également être utilisées pour catalyser l'oxydation de polluants ou comme électrolyte dans des piles à combustible SOFC. « Une nouvelle génération de matériaux a été créée, explique Claude Mirodatos de l'Institut de recherche sur la catalyse au CNRS, qui a travaillé sur le projet. À présent, le rôle des industriels du projet sera de passer au stade du pilote industriel. »

Toujours dans le domaine de la catalyse, l'Institut italien des matériaux (INSTM) et sept partenaires, dont Rhodia, travaillent sur une membrane pour coupler la synthèse et l'utilisation de peroxyde d'hydrogène, un oxydant considéré comme "vert" pour divers procédés industriels. Leur idée est que la synthèse de cette molécule à partir d'oxygène et d'hydrogène sera rentable si les étapes de séparation et de concentration du composé chimique sont éliminées. Dans ces membranes tubulaires, l'hydrogène diffuse de la surface interne à la surface externe où il entre en contact avec l'oxygène. Ces matériaux sont testés pour la synthèse de phénol et l'époxydation ou l'hydroxylation de substances d'intérêt en chimie fine.

Autre aspect abordé dans plusieurs projets : la capacité des matériaux à retenir gaz et polluants. L'université de Grenade travaille ainsi sur le développement de matrices minérales pour protéger l'environnement des déchets de tritium. Cette substance radioactive est retenue dans la structure des phyllosilicates. L'objectif des différents partenaires est donc de comprendre les mécanismes qui régissent l'échange isotopique qui a lieu dans la matrice, d'identifier les minéraux accumulant avec la meilleure efficacité le tritium puis de concevoir des matériaux composites multicouches pour cette application.

Des métaux catalyseurs

Parallèlement, d'autres matériaux peuvent au contraire favoriser le transport et le stockage de nouveaux vecteurs énergétiques. L'École nationale polytechnique de Grenoble coordonne le projet "H-sorption in Mg" qui vise à améliorer le stockage de l'hydrogène dans des composites à base de magnésium. « Les hydrures de magnésium sont un matériau idéal pour le stockage de l'hydrogène, souligne Reza Yavari de l'INPG. Mais pour permettre leur utilisation en électrochimie dans des batteries ou des piles à combustible, ou dans le domaine du transport, il faut dans un cas protéger le magnésium de l'oxydation, et dans l'autre, réduire la température de sorption/désorption de l'hydrogène de 300 °C à 200 °C. »

Pour ce faire, les partenaires européens travaillent sur l'utilisation de métaux de transition en guise de catalyseurs pour augmenter la cinétique de sorption. L'INPG a montré que le matériau fluoré FeF3 protégeait le magnésium de l'oxydation et abaissait la température de sorption à 250 °C, une découverte brevetée l'été dernier. « Ce catalyseur est intéressant pour les deux types d'applications. Cependant, pour une utilisation à grande échelle, il nous reste encore 50 °C à franchir », estime Reza Yavari. Les travaux se poursuivent donc dans cet objectif.

À côté de ces projets relativement fondamentaux se poursuivent également des programmes avancés débouchant directement sur des applications industrielles. Ainsi, avec sept partenaires issus de divers secteurs, le français ARD (Agro-industrie Recherches et Développements) a montré que la résine époxy PTP d'origine végétale était compatible avec des procédés industriels et présentait des caractéristiques mécaniques intéressantes. La société de Champagne-Ardenne envisage de passer à l'industrialisation.

Qu'il s'agisse d'approfondir la connaissance de mécanismes fondamentaux, de dépasser un verrou technologique ou de valider l'utilisation industrielle de nouveaux matériaux, les différents projets européens en cours font avancer d'un pas certain les matériaux d'aujourd'hui vers des produits et procédés plus "propres".

33% Pour l'environnement

Pourcentage des projets en cours à participation française dans le cadre du 5e PCRD : 33% Pour l'environnement

RÉSINE D'ORIGINE VÉGÉTALEPOUR FABRIQUER DES COMPOSITES

- « L'utilisation de substances d'origine végétale est une tendance de plus en plus observée dans le domaine des matériaux composites », affirme Christophe Angelloz de l'Institut français du textile et de l'habillement. Cet ingénieur R&D a travaillé pendant trois ans sur le projet européen "Agro-Composites" qui visait à développer l'utilisation de la résine d'origine végétale PTP dans l'aéronautique, le textile, le bois ou encore l'automobile. Le PTP, un réseau d'acides gras d'origine végétale et d'anhydrides d'acide, a été breveté par la société allemande Bio-Composites & More. Pour assurer son développement, ce dernier a sollicité le français ARD. « Notre objectif était de développer un équipement pilote ainsi qu'une gamme de résines aux caractéristiques variables », explique Nicolas Boquillon, responsable du département matériaux chez ARD. Car l'un des avantages de cette résine époxy est justement de présenter des propriétés très différentes, allant de la rigidité à la souplesse, selon sa formulation. Adaptée au moulage Avec l'industriel portugais OGMA, Christophe Angelloz a utilisé cette résine pour produire des composites rigides pour l'aéronautique. « Cette étude a montré que le PTP s'imprégnait bien dans les fibres et était compatible avec les procédés industriels de moulage », souligne Christophe Angelloz. Par ailleurs, le PTP a été utilisé pour produire des pièces d'automobiles, du cuir imitatif et même du faux marbre. « Ce programme a été couronné de succès, précise Nicolas Boquillon. Nous pensons passer à l'industrialisation. »

L'ESSENTIELLES AXES MAJEURS DE RECHERCHE

Rétention de tritium dans des phyllosilicates - Stockage d'hydrogène dans des hydrures de magnésium - Développement de membranes exclusivement perméables à l'oxygène - Intégration de substances végétales dans des matériaux composites

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