Les apports de la chimie au respect de l’environnement

Compétences exigibles Le programme Notions et contenus Compétences exigibles Chimie durable: Économie d’atomes; Limitation des déchets Argo ressources Chimie douce Choix des solvants Recyclage Valorisation du dioxyde de carbone Extraire et exploiter des informations en lien avec: La chimie durable, La valorisation du dioxyde de carbone. pour comparer les avantages et les inconvénients de procédés de synthèse du point de vue du respect de l’environnement.

La chimie verte Quelques dates: 1987: la commission mondiale sur l’environnement et le développement introduit le concept de développement durable: Début des années 1990: l’agence américaine pour la protection de l’environnement développe le concept de chimie verte

La chimie verte Elle a pour but de concevoir des produits et des procédés chimiques permettant de réduire ou d’éliminer l’utilisation et la synthèse de substances dangereuses

Les douze principes de la chimie verte Eviter les déchets Concevoir des produits chimiques plus sûrs Utiliser des matières premières renouvelables Concevoir des produits non persistants Maximiser l’économie d’atome Synthèses chimiques moins nocives pour l’environnement et pour l’humain Solvants et auxiliaires plus sûrs Minimiser les besoins énergétiques Réduction des dérivés Utilisation de catalyseurs Limiter les risques d’accidents Analyse en temps réel pour éviter la pollution inutile

L’économie d’atome On veut maximiser le nombre d’atomes de réactifs transformés au cours de la synthèse. Diminution de la quantité de sous-produits Réduction de la pollution

L’économie d’atome En chimie conventionnelle: rendement: 𝑟= 𝑚𝑎 𝑠𝑠𝑒 𝑑𝑢 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑡ℎé𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢 ×100 En chimie verte: utilisation atomique (UA) = 𝑀(𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡 𝑟𝑒𝑐ℎ𝑒𝑟𝑐ℎé) 𝑖 (𝑀 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡𝑠 𝑖) ×100

L’économie d’atome Exemple: Utilisation atomique: U.A = 𝑀(𝑚é𝑡ℎ𝑦𝑙𝑝𝑟𝑜𝑝è𝑛𝑒) 𝑀 𝑚é𝑡ℎ𝑦𝑙𝑝𝑟𝑜𝑝è𝑛𝑒 +𝑀 é𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 +𝑀(𝑏𝑟𝑜𝑚𝑢𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑑𝑖𝑢𝑚) ×100 = 27 Pour un rendement de 100%, seuls 27% en masse des atomes sont dans le produit recherché 73% de déchets En bleu: ce qu’on retrouve dans le produit recherché En rouge: ce qu’on retrouve dans les sous-produits non voulus 73% de déchets à traiter, recycler etc… Plus l’utilisation atomique d’un procédé est proche de 100% plus celui-ci est efficace.

La catalyse : un pilier de la chimie verte Réduction de la consommation d’énergie Augmentation de la sélectivité des réactions Diminution des quantités de réactifs utilisés

La catalyse : synthèse de l’ibuprofène Procédé Boots: 6étapes

La catalyse : synthèse de l’ibuprofène Procédé Boots: 6 étapes UA = 206 (206+308,6) ×100=40 Pour produire 13000 tonnes d’ibuprofène, on forme 20000 tonnes de déchets

La catalyse : synthèse de l’ibuprofène Procédé BHC: 3 étapes faisant appel à la catalyse La valorisation de l’acide acétique réduit les déchets à zéro pour ce procédé. De plus, seulement trois étapes, donc débit de la chaine de synthèse plus rapide donc gain de temps et d’argent pour le fabricant. UA = 206 (206+60) ×100=77 L’acide éthanoïque est un sous produit valorisable.

Les réactifs verts Exemple: la synthèse de l’isocyanate (industrie des polymères) Procédé historique au phosgène: Très toxique Procédé Monsanto sans phosgène Non toxique, facile d’accès, renouvelable

Les solvants verts Les solvants actuels: Composés organiques volatils Souvent inflammables 80 à 90% des déchets de l’industrie pharmaceutique proviennent du solvant utilisé Nocifs d’un point de vue de l’écologie et de la santé Le 5ème principe de la chimie verte pousse à limiter l’utilisation de ces solvants, à trouver de plus sécuritaires. Très souvent le problème vient du nombre de séparations, d’extraction au cours de la synthèse qui consomment une grande quantité de solvants. Il faut donc diminuer ces étapes.

! Les solvants verts Les solvants verts: Faible toxicité pour l’environnement Facile à récupérer et recyclable. Le choix d’un solvant « vert » doit permettre de maintenir des vitesses de réaction, des rendements et des sélectivités de réaction applicables à l’échelle industrielle !

 extraction sélective de composés Les solvants verts Le CO2 supercritique: Substitut des solvants organiques apolaires. Non toxique, non polluant, non inflammable, bon marché. Point critique: 31°C, 73,8 bars: Forte variation du pouvoir solvant en fonction de la température et de la pression  extraction sélective de composés

Les solvants verts Le CO2 supercritique: Travail à basse température  possibilités de développer des procédés d’extraction conservant les propriétés chimiques de molécules qui seraient dégradées par des techniques telles que la distillation ou l’hydrodistillation. La séparation du solvant et de la substance à extraire se fait par simple dépressurisation: le CO2 redevient gazeux, on récupère l’extrait sous forme liquide.  Plus de problèmes de récupération des résidus de solvant comme avec un solvant organique

Les solvants verts Le CO2 supercritique: applications industrielles Depuis les années 70: décaféination du café, extraction résines de houblon pour la fabrication de la bière. Agroalimentaire: extraction d’arômes de produits naturels (vanille, thym, épices…) Industrie pharmaceutique: extraction de molécules bio-actives de plantes médicinales Textiles: solvant de nettoyage (afin d’éviter les solvants chlorés) Chimie: séparation des produits/réactifs au cours d’une réaction

Les agro-ressources La chimie du végétal: Objectif: augmenter de 20 à 30% en vingt ans la proportion de biomasse exploitée pour la chimie et l’industrie.

Les agro-ressources Les biocarburants de 1ère génération

Les agro-ressources Les biocarburants de 1ère génération: les limites Concurrence avec les cultures à usage alimentaire. Utilisation d’engrais et de pesticides pour une culture intensive des végétaux. Utilisés comme additifs à hauteur de 10%

Les agro-ressources Les biocarburants de 2ème génération Exploitation de la lignocellulose (présente dans la paroi des cellules des végétaux) du bois, paille, résidus et déchets forestiers, cultures dédiées. Pas de concurrence avec les cultures à usage alimentaire Peuvent se substituer aux carburants actuels.

Les agro-ressources Les biocarburants de 3ème génération (en développement) Utilisation des sucres ou lipides produits naturellement par les microalgues Pas de mobilisation de surfaces agricoles ou forestières Productivité élevée (rendement 10 à 30 fois supérieur au colza) Utilisation du CO2 pour le processus de photosynthèse donc absorption des rejets industriels carbonés

Les agro-ressources Les biocarburants de 3ème génération (en développement) Utilisation des sucres ou lipides produits naturellement par les microalgues Pas de mobilisation de surfaces agricoles ou forestières Productivité élevée (rendement 10 à 30 fois supérieur au colza) Utilisation du CO2 pour le processus de photosynthèse donc absorption des rejets industriels carbonés

Les agro-ressources Le développement de produits bio-sourcés Solutions développées par le groupe Roquette, leader de la chimie du végétal en France

Bibliographie-sitographie La chimie et la nature, Jacques Amouroux, éditions EDP Sciences Les défis du cea n° 170 Mai 2012 http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/les-biocarburants-de-la-1%C3%A8re-%C3%A0-la-3%C3%A8me-g%C3%A9n%C3%A9ration http://www.supercriticalfluid.org/ifs/userfiles/Dossier%20thematique%20sur%20les%20fluides%20supercritiques%20dec%202010.pdf http://spcfa.ac-creteil.fr/spip.php?article656 http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/solvants-et-chimie-verte-13-les-solvants-en-chimie-organique http://culturesciences.chimie.ens.fr/node/815 http://culturesciences.chimie.ens.fr/node/787 http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/sc_index.htm