De meilleurs catalyseurs pour l'industrie pétrolière

Les zéolithes font partie des substances qui peuvent accélérer les réactions chimiques - ce sont des catalyseurs. Elles se présentent le plus souvent sous forme de pellets, et on ne saurait imaginer la production industrielle d'essence ou de mazout à partir de pétrole brut sans elles. Les réactions chimiques se produisent à leur surface. Et celles-ci sont grandes dans le cas des zéolithes : les catalyseurs sont parsemés de nanopores et de canaux microscopiques par lesquels les réactifs liquides peuvent pénétrer et les produits de la réaction les quitter.

L'un des principaux problèmes liés à l'utilisation industrielle des catalyseurs zéolithiques est que les sous-produits de réaction obstruent les pores ou bloquent les sites actifs des catalyseurs. Les experts appellent ces dép?ts d'hydrocarbures des dép?ts de coke. Le processus de production doit donc être interrompu à intervalles réguliers afin de br?ler les dép?ts sur les catalyseurs et de régénérer ces derniers. L'efficacité de la réaction s'en trouve diminuée.

Tout dépend de la structure interne

Les scientifiques travaillent donc à rendre les catalyseurs zéolithiques plus résistants à de tels dép?ts, à retarder ainsi la nécessité d'une régénération et à prolonger les cycles de production. Des chercheurs de l'ETH, dirigés par Javier Pérez-Ramírez, professeur d'ingénierie catalytique, ont découvert dans quelle mesure la structure interne d'une nouvelle classe de catalyseurs zéolithiques à la structure complexe et aux pores de différentes tailles est liée à cette résistance : "Ce qui compte, ce n'est pas que le catalyseur ait le plus de pores possible, comme on le pensait jusqu'à présent", explique Sharon Mitchell, scientifique dans le groupe de Pérez-Ramírez. "Il est plut?t essentiel que le système de cavités microscopiques à l'intérieur des catalyseurs zéolithiques soit fortement réticulé et présente de nombreuses ouvertures vers l'extérieur". Gr?ce à celles-ci, les composés chimiques peuvent mieux pénétrer à l'intérieur du catalyseur et réagir sur la surface agrandie.

Les chercheurs sont parvenus à cette conclusion en produisant en laboratoire des catalyseurs à base de zéolithes présentant différentes structures de pores. Pour y parvenir, ils ont varié les méthodes de fabrication et les conditions de synthèse. Ils ont ensuite examiné les catalyseurs, entre autres en collaboration avec Paolo Crivelli, scientifique au Département de physique, à l'aide de la spectroscopie de durée de vie par annihilation de positrons (PALS). Cette technique permet d'étudier combien de temps les positrons introduits dans l'échantillon y restent. Plus les pores sont réticulés et plus les ouvertures sont nombreuses, plus les positrons s'échappent rapidement vers l'extérieur. En outre, les scientifiques ont testé les différents catalyseurs zéolithiques en laboratoire pour voir à quelle vitesse ils formaient des dép?ts de coke.

Non seulement meilleur, mais aussi plus avantageux

"Il est intéressant de noter que la méthode qui nous a permis de produire les zéolithes les plus résistantes est aussi la moins chère", explique Pérez-Ramírez. Il s'attend à ce que les résultats de l'étude, publiés dans la revue spécialisée "Nature Communications", incitent l'industrie à adapter ses processus de fabrication de zéolithes.

Les catalyseurs à base de zéolithe sont aujourd'hui utilisés à grande échelle dans l'industrie pétrolière pour produire des carburants, des combustibles et des produits de base de haute qualité pour l'industrie chimique. D'une part, ils permettent de transformer les molécules à longue cha?ne du pétrole brut en molécules de valeur supérieure et de longueur de cha?ne moyenne. D'autre part, les zéolithes permettent d'assembler des sous-produits de raffinerie de moindre qualité avec des cha?nes d'hydrocarbures très courtes - comme l'éthène et le propène - afin d'obtenir également des produits de qualité supérieure et de longueur de cha?ne moyenne.

"Même si le pétrole devait un jour être remplacé peu à peu par la biomasse en tant que produit chimique de base important, les catalyseurs à base de zéolithe conserveront leur importance", explique Pérez-Ramírez. Les catalyseurs à base de zéolithe permettraient de produire efficacement des produits chimiques de base de haute qualité.