Réduire l'impact environnemental d'une synthèse - Maxicours

Réduire l'impact environnemental d'une synthèse

Objectif

Discuter l’impact environnemental d’une synthèse et proposer des améliorations à l’aide de données fournies, par exemple en termes d’énergie, de formation et valorisation de sous-produits et de choix des réactifs et solvants.

Points clés

La chimie durable consiste en la modification des pratiques utilisées en chimie selon plusieurs points :

  • Matières premières : diminuer l’utilisation du pétrole, en le remplaçant par des ressources naturelles renouvelables, comme des biocarburants.
  • Choix des réactions : la finalité est de diminuer la production de sous-produits inutilisés en choisissant les réactions : notion d’économie d’atomes.
  • Optimiser les synthèses chimiques : choix du solvant (plus propre, plus efficace), travailler dans des conditions les moins exigeantes possibles. Les catalyseurs peuvent rendre possible cette approche.
  • Limiter et/ou valoriser les déchets, afin de réduire l’impact environnemental.
Pour bien comprendre

Réactifs, produits, catalyseurs

Certaines méthodes employées en chimie (matières premières utilisées, réactions provoquées, catalyseurs, etc.) peuvent permettre la synthèse écoresponsable de substances chimiques de manière plus économique, propre et plus respectueuse de l’environnement.

1. Le choix des matières premières
a. Impact environnemental des matières premières

Le pétrole, en plus de son utilisation en tant que source d’énergie, est une matière première omniprésente en chimie. La plupart des produits synthétisés par la chimie industrielle se fait en effet actuellement via cette ressource fossile. Nos civilisations actuelles sont dépendantes du pétrole.

Cependant, si le pétrole fut une ressource abondante et relativement peu chère, ce n’est plus le cas de nos jours. Les ressources fossiles ne sont pas inépuisables et leur consommation actuelle est largement supérieure au temps requis pour que le pétrole se reforme naturellement (plusieurs millions d’années).

b. Solutions

Le concept de chimie durable (aussi appelée chimie verte) est basé sur celui du développement durable. Plus précisément, l’idée est d’utiliser des ressources naturelles renouvelables.

Les biocarburants sont un exemple typique de cette démarche.

  • Ils constituent une ressource naturelle qui peut être produite en grande quantité par l’agriculture.
  • Leur production est potentiellement moins polluante que l’extraction pétrolière (sables bitumineux hautement polluants, marées noires, etc.).
  • Ils sont issus de la chimie durable et sont donc moins polluants que les produits pétroliers qui contiennent du soufre et autres polluants.
  • Leur utilisation est pérenne sur le long terme si on compare avec la raréfaction du pétrole et les troubles qui en découlent : hausse des prix, conflits, etc.
  • Le rejet du CO2 par les biocarburants est compensé par la consommation des plantes lors de leur croissance. Si on compare avec la combustion des produits pétroliers qui rejette du CO2, lequel est piégé dans le sous-sol, le bilan carbone est meilleur pour les biocarburants.
c. Limite de ces solutions

Les biocarburants présentent toutefois de nombreux inconvénients.

  • Ils sont accusés d’être une source de concurrence par rapport à la production alimentaire humaine, ce qui peut accentuer les difficultés des régions où l’accès à la nourriture est difficile.
  • Ils peuvent conduire à la déforestation engendrée pour produire de nouvelles terres cultivables.
  • Leur production n’est pas sans conséquence pour l’environnement : pesticides, épuisement des sols et des ressources, dont l’eau douce, etc.
  • Il persiste des rejets de CO2 avec les biocarburants, même si le bilan carbone est meilleur qu’avec le pétrole.
2. Le choix des réactions chimiques
a. Impact des réactions chimiques

Dans une réaction chimique, un ou plusieurs réactif(s) produisent un ou plusieurs produit(s).

Il se pose alors plusieurs problèmes.

  • Il arrive que pour certaines réactions chimiques, seule une des espèces chimiques synthétisées soit réellement utile industriellement. Les autres peuvent être toxiques ou nocives pour l’environnement.
  • Certaines synthèses industrielles requièrent de nombreuses réactions qui se déroulent les unes après les autres, ce qui nécessite beaucoup d’énergie.
  • Chaque réaction chimique entraine inévitablement des pertes, que ce soit par évaporation lors du chauffage ou lorsqu’on transvase des espèces chimiques d’un récipient à un autre.
b. Optimiser une synthèse en chimie, notion de chimie douce
Choix des conditions expérimentales

Un des enjeux de la chimie durable est de choisir les réactions de synthèse qui minimisent le nombre de réactions et qui évitent les pertes ainsi que les produits inutiles et toxiques.

On peut par exemple jouer sur le choix des solvants et l’utilisation de catalyseurs.

Le choix de solvants

L’idée est d’optimiser l’extraction de l’espèce chimique voulue et de prendre en compte des critères environnementaux : solvants non toxiques, non volatils.

L’utilisation de catalyseurs

Les catalyseurs permettent de provoquer les réactions chimiques voulues dans des conditions de température et de pression moins exigeantes que sans leur emploi. L’avantage immédiat est l’économie d’énergie, puisqu’il n’y a plus besoin de chauffer le système ou de le porter à de hautes pressions.

Notion de chimie douce

Dans cet esprit, la chimie douce désigne des synthèses chimiques qui se déroulent dans des conditions proches des conditions classiques : température ambiante, pression atmosphérique, pH neutre, etc.

Cette notion s’oppose à celle de chimie dite « dure », où des températures et pressions fortes sont atteintes (raffinage du pétrole, etc.).

3. La gestion des déchets

La chimie durable concerne aussi les aspects liés aux déchets. Il est possible de proposer des améliorations dans ce sens en limitant les déchets, en recyclant et en valorisant les déchets.

a. Limitation des déchets

Via l’économie d’atomes, le choix des solvants, l’optimisation du processus opératoire, on cherche à minimiser la production de déchets et leur toxicité. Diminuer l’impact environnemental est une finalité de cette démarche. D’autre part, en élaborant un produit de consommation avec des matériaux biodégradables, l’impact des déchets engendrés se trouve alors réduit.

b. Recyclage

Pour certains produits en fin de vie, le recyclage consiste à récupérer les matériaux qui les constituent pour pouvoir à nouveau les exploiter. Cela permet :

  • de diminuer les couts de fabrication ;
    Exemple 
    Recycler un déchet métallique évite de devoir extraire les métaux à partir de minerais.
  • d’économiser de l’énergie.
    Exemple 
    La fabrication du verre demande de hautes températures (1500 °C). Les températures atteintes pour recycler le verre sont plus basses.
c. Valorisation des déchets
Principe

Certains déchets ne peuvent pas être recyclés. Dans ce cas, il convient de trouver des solutions afin d’éviter qu’ils soient rejetés dans la nature. L'une de ces solutions consiste à trouver une utilité à ces déchets afin de rendre rentable leur traitement.

La valorisation énergétique des déchets via leur combustion est possible pour certains d’entre eux : les déchets alimentaires par exemple.

Exemple – La valorisation du dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone est un gaz qui est rejeté lors de toute combustion. Il joue un rôle prépondérant dans le phénomène de réchauffement climatique car c’est un gaz à effet de serre. L’idée est alors à la fois de limiter son rejet dans l’atmosphère terrestre, et de rendre sa valorisation économiquement viable.

Il existe plusieurs solutions pour valoriser le dioxyde de carbone.

  • Liquéfier et stocker le dioxyde de carbone dans les fonds marins : la pression qui y règne permettrait de le conserver à l’état liquide. Toutefois, la nocivité éventuelle de cette solution (fuite à l’air libre, impact sur l’écosystème) est encore mal connue.
  • Exploiter le dioxyde de carbone en tant que fluide réfrigérant, propulseur (bombe aérosol), solvant.
  • Utiliser des réacteurs biologiques qui utilisent la photosynthèse et le dioxyde de carbone comme matière première. Les algues marines présentent un rendement intéressant pour ce type d’application, pouvant alors produire des biocarburants.

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