La formule brute « H2O » de la molécule d’eau est connue de tous. Au fur et à mesure de sa scolarité, tout élève peut prendre conscience des propriétés physico-chimiques de l’eau, permettant par exemple d’expliquer la dissolution d’espèces chimiques dans de l’eau.

Pour certaines populations en France et dans le monde, l’accès à l’eau potable est un enjeu majeur, parfois compliqué par la présence de micropolluants dans l’eau à cause des activités humaines. Parmi eux, certains sont dangereux et d’autres, après analyses des eaux usées, nous apportent des informations pertinentes sur la santé de la population et permettent d’anticiper des pandémies ou de comprendre certains dysfonctionnements environnementaux.

 

Programmes spécifiques de physique-chimie pour les classes de première et de terminale Bac professionnel propres au groupement de Spécialités 5.
Le Groupement 5 rassemble les spécialités de baccalauréats professionnels mobilisant des compétences professionnelles qui nécessitent de solides connaissances dans le domaine de la chimie. Il réunit les spécialités de secteurs professionnels variés : l’industrie chimique, la bio-industrie, la cosmétologie, la teinturerie, les textiles, la plasturgie, l’esthétique, la gestion des pollutions et la protection de l’environnement, la verrerie, les plastique et composite…

La formule brute « H₂O » de la molécule d’eau est connue de tous. Au fur et à mesure de sa scolarité, tout élève peut prendre conscience des propriétés physico-chimiques de l’eau, parfois étonnantes. Parmi celles-ci, la déviation électrostatique d’un filet d’eau avec un objet électrisé montre la polarité des molécules d’eau, permettant d’expliquer la dissolution d’ions en solution aqueuse. C’est vertigineux quand on prend conscience du nombre de molécules d’eau déviées simultanément ! Mais depuis quelques décennies, cette eau contient des micropolluants, d’origine anthropique. Parmi eux, certains sont dangereux et d’autres, après analyses des eaux usées, nous apportent des informations pertinentes sur la santé de la population.

 

Programmes de physique-chimie :

• Première STI2D : Matière et matériaux
• Première STL : Constitution de la matière / Transformation chimique de la matière
• Terminale STL : Chimie et développement durable
• Seconde, première générale et terminale générale : Constitution et transformation de la matière

Le noir de carbone est un matériau constitué à près de 99 % de carbone et se présente sous la forme de petites sphères de 100 nm environ entre elles pour former d’abord des agrégats de quelques centaines de nm et ensuite d’agglomérats de l’ordre de 50 µm. La production mondiale actuelle est estimée à plus de 18 millions de tonnes par an pour un marché de plus de 20 milliards d’euros !

Cette production est consacrée pour 65% à l’industrie des pneumatiques en tant qu’agent de résistance à l’usure, pour 31 % comme additif pour d’autres caoutchoucs et plastiques, le reste pour des spécialités comme les encres (toners) et des revêtements de peinture.

Pour exemple, un pneu de 7 kg contient entre 3 et 3,5 kg de noir de carbone.

Le noir de carbone est connu depuis plus de 1500 ans ! En effet les Chinois le fabriquaient en chauffant des huiles végétales dans une enceinte fermée avec une entrée d’air minimale qu’ils contrôlaient. Le noir de carbone était obtenu à partir des gaz formés et se déposait sur les parois de la chambre réactionnelle.

Après la découverte du pétrole aux USA, un nouveau procédé (procédé Furnace) utilise la combustion incomplète des huiles lourdes issues de la distillation du pétrole par pyrolyse (chauffage en atmosphère pauvre en oxygène) vers 1500 °C. La durée de cette réaction rapide dure moins de 1/10^e de seconde ! Hélas le noir de carbone est obtenu avec un faible rendement (entre 30 et 50 % selon le type de noir de carbone).

Ce procédé est extrêmement polluant car il est accompagné de dégagements de SO₂ et de NO₂ à laquelle s’ajoute l’émission de l’ordre de 2,5 tonnes de CO₂ par tonne de noir de carbone !

Une voie consiste en la pyrolyse du gaz naturel à haute température pour former à la fois de l’hydrogène et du carbone solide selon l’équation-bilan suivante : CH₄ = C + 2 H₂. Il s’agit d’un procédé discontinu (en batch) nommé procédé thermal black. Il permet de produire des noirs de carbone spéciaux essentiellement constitués de grosses particules et utilisés comme pigments.

Un nouveau procédé de pyrolyse du gaz naturel continu (cette fois) est en phase de développement et utilise un four à plasma, alimenté par du courant électrique avec une consommation comprise entre 3,3 et 10 kWh par kg de noir de carbone formé. Sous l’effet du passage du courant le gaz (généralement de l’hydrogène recyclé issu du produit lui-même) est chauffé à haute température (supérieure à 3000 °C) et s’accompagne d’une ionisation en libérant des électrons créant ainsi un très bon conducteur électrique gazeux. Le gaz naturel est injecté dans l’écoulement plasma pour obtenir une température comprise entre 1500 et 1800°C en fonction de la qualité de noir de carbone recherchée. Les électrodes utilisées sont constituées par du graphite (variété conductrice du carbone !). On les remplace au fur et à mesure de leur usure simplement par un dispositif mécanique automatique. Ce procédé a été étudié pendant de nombreuses années à l’Ecole des Mines de Paris (centre Persée -Sophia Antipolis). Depuis 2012 ce procédé a été développé industriellement par la société californienne « Monolith Materials » en collaboration avec l’École des Mines de Paris. Ce procédé est devenu rentable et est appelé à remplacer le procédé de pyrolyse thermique du gaz naturel car il produit en même temps de l’hydrogène décarboné dont le coût de production est inférieur de 50 % à celui obtenu par électrolyse de l’eau. Mais si une 1 tonne de méthane permet de produire 250 kg d’hydrogène il fournit aussi 750 kg de carbone… Se posera alors la question de trouver de nouvelles applications pour ce carbone solide obtenu à de très grandes échelles : plusieurs pistes sont à l’étude !

L'auteur, Jean-Pierre Foulon, tient à remercier vivement Monsieur Laurent Fulchéri, Directeur de Recherche Université PSL, Mines ParisTech Persée, qui l’a beaucoup aidé pour rédiger cette note pédagogique.

Pour en savoir plus
La pyrolyse du méthane : de l’hydrogène « gris » à l’hydrogène « turquoise », L. Fulcheri, L’Actualité Chimique (octobre 2021) N°466 pp. 28-34
Noir de carbone sur le site Elementarium

Crédit illustration : Vladimir Razgulyaev / Adobe Stock
 

2050 : objectif « neutralité carbone » en France. Une transition énergétique et numérique s’impose pour limiter drastiquement les émissions de gaz à effet de serre et le changement climatique. Cette transition, adossée au déploiement des énergies renouvelables et de l’électromobilité, conduit à utiliser davantage de métaux (acier, aluminium, cuivre, mais aussi indium, lithium, cobalt, terres rares…) dont le rôle devient stratégique. Comment, face à une demande croissante, limiter notre dépendance à certains métaux ? Quels sont les enjeux pour l’industrie métallurgique et plus particulièrement celle du recyclage ?

Parties des programmes de physique-chimie associées

• Programme de physique-chimie de seconde générale et technologique – Constitution de la matière de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique, A) Description et caractérisation de la matière à l’échelle macroscopique
• Programme de sciences physiques et chimiques en laboratoire de première STL – Chimie et développement durable, Sécurité et environnement
• Programme de physique-chimie et mathématiques de première STI2D – Matière et matériaux, Propriétés des matériaux et organisation de la matière
• Programme d’innovation technologique et d’ingénierie et développement durable de première et d’ingénierie, innovation et développement durable de terminale STI2D – 1. Principes de conception des produits et développement durable, 1.5. Approche environnementale
• Programme d’enseignement scientifique de terminale générale – Thème 2 : Le futur des énergies

Les canettes en aluminium sont très utilisées pour les boissons. Mais comment sont-elles fabriquées ?

À travers cette vidéo découvrez la fabrication de l'aluminium avec son bilan énergétique et le dégagement de gaz à effet de serre associé, puis dans un second temps les économies d’énergie considérables que permet le recyclage en limitant simultanément les rejets de GES.

Alors pensez à déposer vos canettes dans les bacs de tri !

La réduction des prélèvements d’eaux en milieu industriel peut s’avérer très complexe surtout dans un contexte avec des installations interconnectés et anciennes dont la conception n’a pas été prévue pour optimiser les flux d’eau.

L’efficacité hydrique nécessite donc une stratégie globale, systémique et intégrée qui peut se comparer aux méthodes utilisées pour améliorer l’efficacité énergétique.
Il est important de noter que quantité et qualité de l’eau sont indissociables pour étudier et engager des actions d’améliorations.

La première phase consiste souvent à acquérir ou améliorer la compréhension des flux physiques et le processus de gestion de l’eau. Cet état des lieux, qui doit aboutir sur un schéma procédé global, est primordial pour combiner les actions suivantes :

• Contrôle de l’intégrité du réseau interne de distribution soit par des moyens spécifiques (recherche de fuites) soit en réalisant la balance comptable entrées/sorties ;
• Vérification que l’ensemble des flux utilisés sont mesurés avec la précision requise et avec des instruments adaptés et fiables ;
• Amélioration de la performance des installations de traitement, distribution et utilisations de l’eau ;
• Évolution des utilisations de l’eau par des procédés plus sobres ou en modifiant des installations ;
• Amélioration du pilotage des équipements de production (régulations sur les échangeurs, réduction de la quantité d’eau lors des phases transitoires, …) ;
• Réorganisation et valorisation des effluents (tri des effluents, réutilisation d’effluents sans traitement, …) ;
• Valorisation éventuelle des eaux pluviales (réutilisation pour certaines opérations de lavage, …) ;
• Réflexion sur les différentes opérations utilisant de l’eau afin d’apporter des modifications de pratiques opératoires (limitation des quantités d’eau lors des opérations de lavage, …) ;
• Sensibilisation et formation des exploitants et de tous les acteurs ayant un impact sur les quantités d’eau utilisées.

La stratégie doit également comporter un volet sur les impacts indirects de la réduction des prélèvements d’eau (concentration des effluents, conformité réglementaire, …).

Enfin, la réussite nécessite impérativement l’implication de l’ensemble des collaborateurs de l’entreprise.

À travers l’utilisation de documents de nature diverse, issus du site Mediachimie, le lecteur prendra conscience, si ce n’est pas déjà le cas, de la richesse de ce site et pourra poursuivre sa quête d’informations.

 

Programmes spécifiques de physique-chimie pour les classes de première et de terminale Bac professionnel propres au groupement de Spécialités 5.
Le Groupement 5 rassemble les spécialités de baccalauréats professionnels mobilisant des compétences professionnelles qui nécessitent de solides connaissances dans le domaine de la chimie. Il réunit les spécialités de secteurs professionnels variés : l’industrie chimique, la bio-industrie, la cosmétologie, la teinturerie, les textiles, la plasturgie, l’esthétique, la gestion des pollutions et la protection de l’environnement, la verrerie, les plastique et composite…

Le colloque « Chimie, recyclage et économie circulaire » qui a eu lieu le 8 novembre 2023 au sein de la Fondation de la Maison de la Chimie, a mis en lumière certains enjeux du recyclage des matériaux dont les progrès à réaliser dans la  collecte des déchets mais aussi les objets usagés et la nécessité de sans cesse innover pour améliorer les procédés existants.

Tout cela s’inscrit dans la transition écologique nécessaire pour évoluer vers un nouveau modèle économique et social qui apporte une solution globale et pérenne aux grands enjeux environnementaux de notre siècle et aux menaces climatiques qui pèsent sur notre planète. La chimie est bien entendu très sollicitée pour y parvenir.

Dans ce dossier, après avoir défini les contours de l’économie circulaire, nous aborderons le recyclage de quelques familles de matériaux.

Chimie, recyclage et economie circulaire

• Terminale générale, spécialité physique-chimie — Partie « Constitution et transformations de la matière » — 3. A et C : Prévoir l’état final d’un système, siège d’une transformation chimique — 4. Élaborer des stratégies en synthèse organique
• Première STI2D et terminale STI2D, programmes de physique-chimie et mathématiques —Partie « Matière et matériaux » / Oxydo-réduction
• Terminale STL, programmes de physique-chimie et mathématiques — Partie « Constitution de la matière » / Réactions d’oxydo-réduction

Avec le démontage en direct d’un smartphone, vous découvrirez comment fonctionnent l’écran tactile, la dalle d’affichage et prendrez conscience de tous les éléments chimiques présents dans votre smartphone et leurs rôles. La vidéo se présente en 6 chapitres :

• Partie 1 : Structure en mille feuille
• Partie 2 : Comment fonctionne l’écran tactile
• Partie 3 : L’affichage
• Partie 4 : LCD vs OLED
• Partie 5 : La composition globale
• Partie 6 : L’impact environnemental

À la suite du colloque " Chimie, Recyclage et Économie Circulaire " du 8 novembre 2023 à la Fondation de la Maison de la Chimie, l’équipe de Mediachimie.org vous propose de tester vos connaissances au travers d'un quiz ludique et instructif.

Avez-vous tout retenu ? À vous de jouer !