PETRA III fait la lumière sur une technique de production efficace d'un nouvel engrais "vert".
Une technique de broyage avancée produit des cristaux de nutriments pour le sol à libération lente
Une méthode purement mécanique peut produire un nouvel Engrais plus durable et moins polluant. C'est le résultat d'une méthode optimisée à la source lumineuse PETRA III de DESY. Une équipe internationale a utilisé PETRA III pour optimiser la méthode de production qui est une adaptation d'une technique ancienne : en broyant deux ingrédients communs, l'urée et le gypse, les scientifiques produisent un nouveau composé solide qui libère lentement deux éléments chimiques essentiels à la fertilisation des sols, l'azote et le calcium. La méthode de broyage est rapide, efficace et propre, tout comme le produit fertilisant, qui pourrait réduire la pollution par l'azote qui pollue les systèmes aquatiques et contribue au changement climatique. Les scientifiques ont également constaté que leur procédé est évolutif et qu'il pourrait donc être mis en œuvre à l'échelle industrielle. Les résultats obtenus par les scientifiques de DESY, de l'Institut Ruđer Bošković (IRB) de Zagreb, en Croatie, et de l'Université Lehigh, aux États-Unis, ont été publiés dans la revue Green Chemistry. Le nouvel engrais doit encore être testé sur le terrain.
Les co-cristaux de l'engrais nouveau (symbolisés ici par le gypse) libèrent leurs éléments nutritifs beaucoup plus lentement.
DESY, Gesine Born
Depuis plusieurs années, les scientifiques de DESY et de l'IRB collaborent pour explorer les fondements des méthodes mécaniques permettant d'initier des réactions chimiques. Cette méthode de traitement, appelée mécanochimie, utilise diverses entrées mécaniques, comme la compression, la vibration ou, dans ce cas, le broyage, pour réaliser la transformation chimique. "La mécanochimie est une technique assez ancienne", explique Martin Etter, scientifique de la ligne de faisceaux P02.1 de PETRA III. "Depuis des milliers d'années, nous broyons les choses, par exemple les céréales pour le pain. Ce n'est que maintenant que nous commençons à examiner ces processus mécano-chimiques de manière plus intensive à l'aide des rayons X et à voir comment nous pouvons utiliser ces processus pour déclencher des réactions chimiques."
La ligne de faisceaux d'Etter est l'une des rares au monde où la mécanochimie peut être réalisée et analysée de façon routinière à l'aide des rayons X d'un synchrotron. M. Etter a passé des années à développer la ligne de faisceaux et à travailler avec les utilisateurs pour affiner les méthodes d'analyse et d'optimisation des réactions mécanochimiques. Le résultat est une installation expérimentale de renommée mondiale qui a été utilisée pour étudier de nombreux types de réactions importantes pour la science des matériaux, la catalyse industrielle et la chimie verte.
"En réalité, le dispositif de mécanochimie de DESY est probablement le meilleur au monde", déclare Krunoslav Užarević de l'IRB à Zagreb. "Peu d'endroits permettent de suivre l'évolution des réactions mécanochimiques aussi bien qu'ici, à DESY. Il aurait été pratiquement impossible d'obtenir ce résultat sans l'expertise de Martin Etter et cette installation PETRA III."
Pour ce résultat, la collaboration en mécanochimie s'est associée à Jonas Baltrusaitis, professeur d'ingénierie chimique à l'université de Lehigh. L'équipe a utilisé le dispositif P02.1 pour mieux comprendre les paramètres régissant le processus de broyage, afin d'optimiser les conditions de réaction pour la préparation de l'engrais cible. L'installation de PETRA III permet d'observer directement l'évolution du mélange réactionnel en appliquant un rayonnement synchrotron au récipient de broyage. Cela signifie que la réaction peut être observée sans arrêter la procédure. Les chercheurs ont ainsi pu déterminer les voies de réaction exactes et analyser le rendement et la pureté du produit, ce qui les a aidés à affiner la procédure mécanique à la volée. Ils ont trouvé une procédure permettant de convertir à 100 % les matériaux de départ en l'engrais cible.
Ce produit final est connu sous le nom de "cocristal", un solide dont la structure cristalline est composée de deux produits chimiques différents, stabilisés par des interactions intermoléculaires plus faibles dans des schémas répétés. "Les cocristaux peuvent être vus comme des structures LEGO", explique M. Etter. "Vous avez des ensembles de deux sortes de deux briques, et avec ces deux briques vous faites un motif répétitif". Dans ce cas, les "briques" sont du sulfate de calcium dérivé du gypse et de l'urée. Au cours du processus de broyage, l'urée et le sulfate de calcium se lient l'un à l'autre.
"À elle seule, l'urée constitue un cristal très faiblement lié qui se désagrège facilement et libère trop facilement son azote", explique M. Baltrusaitis. "Mais avec le sulfate de calcium, grâce à ce processus mécano-chimique, vous obtenez un cocristal beaucoup plus robuste avec une libération lente." L'avantage de ce cocristal est que ses liaisons chimiques sont suffisamment faibles pour libérer l'azote et le calcium, mais suffisamment fortes pour empêcher les deux éléments d'être libérés d'un seul coup.
Cette méthode de libération est le grand avantage de l'engrais. D'une part, ils ont évité l'un des principaux inconvénients des engrais azotés utilisés depuis les années 1960. "Le statu quo en matière d'engrais, pour des raisons de sécurité alimentaire, consiste à déverser autant d'azote et de phosphore que possible sur les cultures", explique M. Baltrusaitis. Plus de 200 millions de tonnes d'engrais sont produites par le procédé Haber-Bosch, vieux de plus d'un siècle, qui piège l'azote atmosphérique dans des cristaux d'urée. Sur ce total, seuls 47 % environ sont effectivement absorbés par le sol, le reste étant emporté par les eaux et provoquant des perturbations potentiellement massives dans les systèmes hydriques. Dans la mer du Nord et le golfe du Mexique, des "zones mortes" massives se développent, dans lesquelles les proliférations d'algues alimentées par l'excès d'engrais absorbent tout l'oxygène disponible dans l'eau et tuent ainsi la vie marine.
En outre, la production d'engrais courants est gourmande en énergie, consommant chaque année quatre pour cent de l'approvisionnement mondial en gaz naturel via le processus Haber-Bosch. La nouvelle méthode offre la possibilité de réduire cette dépendance. "Si vous augmentez l'efficacité de ces matériaux d'urée de 50 %, vous devez produire moins d'urée via Haber-Bosch, avec tous les problèmes de consommation d'énergie qui en découlent, comme la demande de gaz naturel", explique M. Baltrusaitis. La procédure de broyage est rapide et très efficace, ce qui permet d'obtenir un engrais pur sans aucun sous-produit à l'exception de l'eau. "Non seulement nous proposons un engrais plus performant", déclare M. Baltrusaitis, "mais nous faisons également la démonstration d'une méthode de synthèse écologique."
Alors que l'analyse de PETRA III portait sur des milligrammes d'engrais, l'équipe de recherche dirigée par Baltrusaitis et Užarević a réussi à augmenter l'échelle de ses procédures avec l'aide des données prises à PETRA. Jusqu'à présent, ils peuvent, avec la même procédure et la même efficacité, produire des centaines de grammes d'engrais. Dans un deuxième temps, l'équipe prévoit de poursuivre la mise à l'échelle, afin de réaliser une version industrielle de principe du processus. Baltrusaitis travaille déjà à cette mise à l'échelle et à l'essai de l'engrais cocrystal en vue de son application dans des conditions réelles.
"Au-delà du produit, le processus mécano-chimique ne génère pratiquement aucun sous-produit ou déchet indésirable", déclare Užarević de l'IRB. "Nous sommes optimistes quant à son fort potentiel d'application dans le monde entier".
L'Institut Ruđer Bošković de Zagreb, en Croatie, l'Université Lehigh de Bethlehem (Pennsylvanie) aux États-Unis, l'entreprise chimique ICL Group, l'Université de Zagreb et DESY ont participé à cette recherche.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Scaleup of agrochemical urea-gypsum cocrystal synthesis using a thermally-controlled mechanochemistry;Ivana Brekalo, Valentina Martinez, Bahar Karadeniz, Donata Drapanauskaite, Hein Vriesema,Robert Stenekes, Martin Etter, Igor Dejanović, Jonas Baltrusaitis and Krunoslav Užarević; „Sustainable Chemistry & Engineering“, 2022
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