L'hydrog�nation, une voie de valorisation possible pour le dioxyde de carbone.
Capture g�ologique du dioxyde de carbone. 

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Diminuer les �missions de gaz carbonique constitue l'un des d�fis majeurs du XXI� si�cle. Si aujourd'hui une faible quantit� ( 0,5 %) des �missions de CO2 issu des activit�s humaines est valoris�e au niveau mondial, certains experts estiment que la valorisation du CO2 pourrait � terme absorber annuellement jusqu'� 5 � 10 % des �missions mondiales.

Traitement du dioxyde de carbone.

Document 3 : l'hydrog�nation, une voie de valorisation du dioxyde de carbone.
Actuellement le CO2 est valoris� soit de mani�re directe, par exemple en �tant utilis� comme gaz r�frig�rant, soit de mani�re indirecte. Le CO2 est alors converti en un autre produit industriel. L'hydrog�nation du CO2 ( r�action avec le dihydrog�ne et production d'eau dite r�action de Sabatier ) est la voie de conversion la plus �tudi�e. Elle peut conduire directement � la formation d'alcools, d'hydrocarbures... C'est ainsi que les synth�se du m�thanol, de l'�thanal CH3-CH sont souvent envisag�es, de m�me que la r�action qui m�ne au m�thane. Cette derni�re implique toutefois une plus large consommation de dihydrog�ne.
Document 4 : unit� de production de m�thane au Japon.
L'un des grans groupes p�troliers - BP- et l'universit� tchnologique  de Tohoku d�veloppent, depuis 2003 une unit� pilote de production de m�thane � partir du CO2 industriel et du dihydrog�ne produit par �lectrolyse de l'eau de mer. Cette �lectrolyse est aliment�e par de l'�nergie solaire.
l'unit� consomme 4 m3/h de dihydrog�ne et 1 m3/h de CO2 pour produire 1 m3/h de m�thane. A l'heure actuelle le m�thane produit n'est pas utilis� industriellement mais pourrait �tre utilis� comme combustible pour produire de l'�lectricit� ou comme carburant pour les v�hicules.
La production d'�lectricit� avec ce m�thane serait pr�f�rable, elle permettrait le recyclage des �missions de CO2 ; alors que l'utilisation du m�thane comme carburant pour v�hicule n'autoriserait pas ce recyclage car les �missions de CO2 sont diffuses.
D'apr�s le rapport de l'ADEME - panorama sur les valorisations du CO2, juin 2010.

Donn�s �nerg�tiques : �nergie n�cessaire pour :
- r�aliser l'�lectrolyse de l'eau afin de fabriquer 1,0 m3 de dihydrog�ne : 20,0 MJ ;
- capturer et stocker 1,0 m3 de dioxyde de carbone industriel : 8,0 MJ ;
- r�aliser l'hydrog�nation de 1,0 m3 de CO2 suivant la r�action de Sabatier : 7,0 MJ.
Energie r�cup�rable par la combustion de 1,0 L de m�thane : 33,0 kJ.
Proposer trois pistes mises en oeuvre actuellement pour limiter l'�mission de CO2 dans l'atmosph�re.
Limitation de l'utilisation des combustibles fossiles et �viter la d�forestation.
Pi�gage du CO2 dans le sous-sol profond.
Valorisation du dioxyde de carbone industriel.
Faire le bilan �nerg�tique global de la production et de la combustion de 1 m3 de m�thane obtenu par l'hydrog�nation du CO2.
Bilan pour une heure de production :
Fabrication de 4 m3 de dihydrog�ne : 80,0 MJ.
Capturer et stocker 1,0 m3 de dioxyde de carbone industriel : 8,0 MJ.
R�aliser l'hydrog�nation de 1,0 m3 de CO2 suivant la r�action de Sabatier : 7,0 MJ.
Total : 95 MJ d�pens�s.
Energie r�cup�r�e par la combustion de 1 m3 de m�thane : 33,0 MJ.
Le bilan est n�gatif de : 95-33 =62 MJ.
Si l'�lectrolyse est aliment�e � partir de l'�nergie solaire :
Total : 15 MJ d�pens�s.
Energie r�cup�r�e par la combustion de 1 m3 de m�thane : 33,0 MJ.
Le bilan est posittif de : 33-15 =18 MJ.
Mais la combustion du m�thane produit du dioxyde de carbone.
R�diger une synth�se argument�e r�pondant � la probl�matique suivante :
Quels sont les enjeux environnementaux et l'inter�t �nerg�tique de la valorisation du dioxyde de carbone ?

Le CO2 est un des gaz contribuant  � l'effet de serre. Le dioxyde de carbone joue un r�le majeur sur le climat de la terre.
L'augmentation de la demande �nerg�tique ne permet pas actuellement de s'affranchir des �nergies fossiles. L'effet des activit�s humaines sur le r�chauffement climatique g�n�ral de la terre est �tudi� depuis une vingtaine d'ann�es. L'impact de l'�mission de CO2 sur l'acidification des milieux marins est beaucoup moins �tudi�. L'apport massif de CO2 dans les oc�ans entraine une diminution du pH des eaux : les coraux blanchissent, la coquille des organismes marins va devenir plus fine et plus fragile.
Les techniques visant � r�duire les �missions de CO2 concernent les sources concentr�es ( centrales thermiques,  sid�rurgie, cimenteries). D'autres techniques visent � am�liorer l'efficacit� �nerg�tique des proc�d�s.
 La valorisation du dioxyde de carbone permet sa transformation et rapporte de l'argent ; le stockage g�ologique n'�limine pas le CO2 et co�te cher.
Sans transformation le dioxyde de carbone est utilis� en tant que solvant et r�frig�rant.
En r�agissant avec une autre esp�ce chimique, le dioxyde de carbone conduit � un produit � valeur �nerg�tique plus grande que le CO2.
Par la photosynth�se les algues conduisent � des produits de grand int�r�t.


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 Capture g�ologique du dioxyde de carbone. Proc�d� Carbfix.

Mise en �vidence de l'acidit� d'une solution de dioxyde de carbone.
Dans un becher de 100 mL contenant 50 mL d'eau distill�e et quelques gouttes d'indicateur color� universel, une personne souffle dans l'eau, � l'aide d'une paille,  pendant quelques minutes.
La solution initialement verte ( pH ~7 ) devient jaune ( pH ~5,5).
1. Expliquer en quoi cette exp�rience met en �vidence le caract�re acide de la solution de dioxyde de carbone.
En soufflant dans la solution, la personne envoie du dioxyde de carbone dans l'eau.
L'indicateur color� passe alorsdu vert au jaune ( de pH =7 � pH ~5,5). La solution devient acide.
Le dioxyde de carbone r�agit avec l'eau selon :
CO2 aq +H2O(l) = H2CO3aq.
H2CO3 aq est susceptible de c�der un proton H+aq pour conduire � HCO3-aq.
En cons�quence H2CO3 aq est une base de Br�nsted.

 Le dioxyde de carbone, sous pression (25 bar et � la temp�rature comprise entre 20 et 30�C) est dissout dans de l'eau puis inject� dans des basaltes vers 500 m de profondeur. Les roches se dissolvent partiellement lib�rant des ions Ca2+aq et Mg2+aq. Il se forme �galement des ions hydrog�nocarbonate HCO3-aq et carbonate CO32-aq. Le dioxyde de carbone est alors pi�g� sous terre, sous forme de carbonate de calcium ou de magn�sium.
Le d�bit massique d'eau liquide est 1800 g /s et le d�bit massique du dioxyde de carbone gazeux est de 70 g / s.
L'int�gralit� du dioxyde de carbone se dissout dans l'eau. On note S la solution obtenue.
2. Montrer que la concentration en quantit� de mati�re d'acide carbonique H2CO3 aq est Cs = 0,88 mol / L.
A chaque seconde :
quantit� de mati�re de dioxyde de carbone : 70 / M(CO2 = 1,59 mol.
Concentration en acide carbonique : 1,59 / volume solution = 1,59 / 1,8 =0,884 ~0,88 mol / L.
3. Calcul du pH initial de la solution S.
Compl�ter le tableau d'avancement suivant :

H2CO3aq
 +H2O(l)
 --> HCO3-aq
 +H3O+aq
�tat initial
 Cs
 solvant
 0
 n�gligeable
A l'�quilibre
 Cs-x�q
 solvant x�q x�q
En d�duire � l'�quilibre, la relation entre la constante d'acidit� pKa du couple (H2CO3aq / HCO3-aq), x�q, Cs et c�, concentration standard �gale � 1,00 mol / L.
[HCO3-aq] = [H3O+aq] = x�q / c�.
[H2CO3aq] = (Cs-x�q) / c�.
Ka =[HCO3-aq]   [H3O+aq]  / [H2CO3aq].
Ka = xeq2 / ((Cs-x�q)  c�)
xeq2 +Kac� x�q -Kac� Cs=0.
La r�solution num�rique de cette �quation donne : x�q1 = 0,000591, seule valeur positive, donc retenue.
En d�duire la composition S � l'�quilibre, puis calculer son pH. Commenter.
[HCO3-aq] = [H3O+aq] =0,000591 mol / L.
pH = - log ( 0,000591)~3,2.
A pH << pKa, H2CO3aq pr�domine.
[H2CO3aq] = 0,88 -0,000591 ~0,8794 ~0,88 mol / L.

La DIC prend en compte l'ensemble des esp�ces carbon�es inorganiques H2CO3aq, HCO3-aq, CO32-aq.
Expliquer l'�volution des courbes ci-dessus.
A chaque injection de dioxyde de carbone, le pH diminue ( H2CO3 est un acide) et la DIC cro�t rapidement.
Puis H2CO3 aq r�agit avec les roches basaltiques. Il se forme des ions hydrog�nocarbonate HCO3-aq et carbonate CO32-aq puis CaCO3(s) et MgCO3(s) : le pH de la solution augmente, tandis que la DIC diminue.

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