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Solutions d'analyse des gaz basées sur la technologie NDIR de Cubic pour une surveillance précise et en temps réel des processus de CO2RR

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Comment le Gasboard-3100P répond aux exigences d'analyse de gaz en temps réel et multicomposants pour l'application CO2RR

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CO2RR : une nouvelle voie pour la valorisation du carbone

La valorisation du carbone s'impose comme la prochaine étape de la décarbonisation. Plutôt que de considérer le dioxyde de carbone uniquement comme une émission à réduire, les industries explorent de plus en plus des moyens de transformer le CO₂ capturé en carburants et produits chimiques à forte valeur ajoutée. Soutenue par les progrès réalisés dans les domaines de l’électricité renouvelable, de la catalyse et des technologies de capture du carbone, l’utilisation du carbone passe du stade de sujet de recherche à celui de voie pratique permettant à la fois de lutter contre les émissions de gaz à effet de serre et de générer des matières premières utiles à l’industrie pour la mise en place d’une économie circulaire du carbone.

Dans ce contexte, la réduction électrochimique du CO₂ (CO₂RR) représente l’une des voies les plus activement explorées. Ce procédé utilise de l’énergie électrique pour provoquer la réduction du CO₂ à la surface d’un catalyseur, le convertissant ainsi en produits chimiques et en carburants de valeur (notamment le monoxyde de carbone, le méthane, l’éthylène, le formiate et le méthanol) qui servent de matières premières pour la production industrielle ou de vecteurs d’énergie propre. Plusieurs initiatives industrielles et start-ups exploitent désormais des systèmes de CO2RR à l’échelle pilote, dont le déploiement commercial est prévu dans les années à venir. À mesure que cette transition s’accélère, la demande s’accroît pour des technologies d’analyse capables de surveiller avec précision les réactifs, les produits et l’efficacité du procédé tout au long de la réaction.

L’analyse des gaz dans la CO2RR : une exigence difficile mais essentielle

L’une des exigences les plus critiques de la réduction électrochimique du CO₂ est une analyse précise et en temps réel des gaz. Tout au long de l’électrolyse, le CO₂ est consommé en continu tandis que de multiples produits gazeux sont générés simultanément. La composition du flux gazeux peut varier rapidement en fonction de l’activité du catalyseur, des conditions de fonctionnement et de la durée de la réaction, ce qui rend indispensable une analyse fiable des gaz pour évaluer les performances du catalyseur, optimiser les conditions de réaction et faciliter la mise à l’échelle du procédé.

Cependant, l’obtention de données complètes et en temps réel sur la composition des gaz tout au long du processus de CO2RR reste un défi technique. Les méthodes d’analyse conventionnelles, telles que la chromatographie en phase gazeuse (CPG), fournissent une analyse précise de la composition, mais reposent généralement sur un échantillonnage périodique et des mesures hors ligne. Le délai qui en résulte entre la réaction et l’analyse rend difficile la détection des changements dynamiques et l’accélération de l’optimisation du catalyseur.

Ces défis se posent tout au long du flux de travail de la CO2RR, du maintien de conditions stables des réactifs à l’analyse des produits de réaction et au suivi des changements dynamiques du procédé :
• Garantir des conditions d’alimentation en CO₂ constantes : une évaluation fiable de la CO2RR nécessite des conditions d’alimentation en CO₂ stables et constantes. La surveillance continue de la concentration de CO₂ à l’entrée permet de vérifier les conditions d’alimentation, d’améliorer la cohérence des expériences et de fournir des données fiables sur la composition des gaz pour l’évaluation de la conversion du CO₂ et l’analyse du bilan carbone. Même de faibles variations des conditions d’alimentation peuvent affecter l’évaluation des performances du catalyseur et la comparabilité des résultats expérimentaux.
• Analyse complète du gaz en sortie : le flux de gaz en sortie du CO2RR peut contenir plusieurs composants gazeux, notamment du CO, du H₂, du CH₄, du C₂H₄ et du CO₂ résiduel, en fonction des matériaux catalytiques et des conditions de fonctionnement. La mesure simultanée de plusieurs composants est essentielle pour évaluer avec précision les performances du catalyseur, la répartition des produits et l’efficacité de la réaction.
• Surveillance en temps réel des performances de la réaction : lors de la sélection des catalyseurs et de l’optimisation du procédé, la composition des gaz peut varier tout au long de l’électrolyse à mesure que le comportement du catalyseur et les conditions de fonctionnement évoluent. L’échantillonnage périodique ne fournit que des instantanés limités du comportement de la réaction et peut passer à côté de changements transitoires dans la répartition des produits. La surveillance en temps réel de la composition des gaz permet aux chercheurs de suivre les tendances de la réaction, de comparer les conditions de fonctionnement et d’optimiser plus efficacement les paramètres de réaction.

Un analyseur de gaz utilisé dans le cadre de la CO2RR doit donc être capable de mesurer simultanément plusieurs composants, avec une précision et une vitesse de réponse suffisantes pour prendre en charge à la fois le contrôle du procédé et l’évaluation du catalyseur.

Analyseur portable de gaz de synthèse à infrarouge Gasboard-3100P : une solution avancée pour l’analyse en temps réel de gaz à composants multiples dans le cadre de la CO2RR

Pour répondre au besoin d’une analyse précise et en temps réel des gaz à composants multiples dans le cadre des applications CO₂RR, Cubic Instruments, l’un des principaux fabricants de capteurs et d’analyseurs de gaz, propose le Gasboard-3100P, un analyseur de gaz de synthèse infrarouge portable homologué PCT, reposant sur des technologies brevetées d’infrarouge non dispersif (NDIR) et de détection par conductivité thermique (TCD), associées à la technologie de détection électrochimique (ECD) pour une analyse complète des gaz.

Plus précisément, le Gasboard-3100P utilise la technologie NDIR pour mesurer le CO, le CO₂, le CH₄ et le C₂H₄, en tirant parti des caractéristiques d’absorption infrarouge distinctes de chaque gaz afin d’obtenir des mesures sélectives et précises, même dans des flux gazeux complexes à plusieurs composants. Pour une détection précise de l’H₂, la technologie TCD est utilisée avec une correction intelligente de la sensibilité croisée afin de compenser les interférences provenant du CO, du CO₂ et du CH₄. De plus, l’O₂ est mesuré à l’aide de la technologie ECD, ce qui permet de détecter les impuretés d’oxygène qui pourraient autrement interférer avec la réaction de réduction. En intégrant ces technologies de détection complémentaires, le Gasboard-3100P offre une capacité de mesure simultanée de gaz à plusieurs composants afin de faciliter l’évaluation des performances de la CO2RR et l’optimisation du procédé.

Une quantification précise des produits en phase gazeuse est essentielle pour évaluer la sélectivité du catalyseur et le rendement de conversion dans la CO2RR. Le Gasboard-3100P offre une précision de ±1 % F.S. sur l’ensemble des canaux NDIR et de ±2 % F.S. pour l’H₂ et l’O₂, fournissant ainsi la précision de mesure nécessaire pour répondre aux exigences en la matière.

Une réponse rapide est également cruciale pour la recherche sur la CO2RR, où la composition des gaz peut varier au cours de l’électrolyse en raison des fluctuations de l’activité du catalyseur et des conditions de fonctionnement. Avec un temps de réponse inférieur à 10 secondes, le Gasboard-3100P permet aux chercheurs de détecter les changements de composition des gaz avec un délai minimal, offrant ainsi un retour d’information plus rapide lors de la sélection des catalyseurs et de l’optimisation des réactions. La capacité de réponse rapide du Gasboard-3100P contribue à réduire le temps d’itération, à améliorer l’efficacité expérimentale et à accélérer l’optimisation des conditions de réaction.

Conçu pour un déploiement aisé dans les environnements d’essais CO2RR, le Gasboard-3100P intègre une pompe d’échantillonnage, un débitmètre, des filtres et une batterie rechargeable, en plus des modules d’analyse des gaz, offrant ainsi une solution autonome pour les montages expérimentaux. Par rapport aux approches d’analyse hors ligne classiques, cette conception intégrée simplifie le flux de travail de mesure en réduisant les besoins en échantillonnage manuel ainsi que la nécessité d’une manipulation complexe des échantillons ou d’étapes analytiques supplémentaires. Le stockage interne des données et les interfaces de communication numériques standard favorisent en outre un transfert efficace des données et une intégration avec les systèmes expérimentaux existants.

En combinant l’analyse de gaz à composants multiples, une mesure précise, une réponse rapide et des capacités de déploiement flexibles, le Gasboard-3100P aide les chercheurs à obtenir des informations fiables sur le comportement des réactions de CO₂RR et à optimiser plus efficacement les conditions expérimentales.

Pourquoi choisir Cubic Instruments ?

Cubic Instruments s’est forgé une expertise vaste et approfondie dans les technologies de détection des gaz, avec des compétences clés couvrant l’infrarouge non dispersif (NDIR), la diffusion Raman laser, l’UV-DOAS, le TDLAS, la détection électrochimique (ECD) et les technologies ultrasoniques. Ses capacités techniques multiplateformes permettent à Cubic Instruments de développer des solutions sur mesure pour un large éventail d’applications de surveillance et d’analyse des gaz.

Le Gasboard-3100P s’appuie sur des plateformes technologiques éprouvées qui ont démontré des performances fiables dans des conditions de fonctionnement en continu. S'appuyant sur un contrôle qualité rigoureux des produits, un support technique réactif et un engagement en faveur d'un partenariat client à long terme, Cubic Instruments fournit aux chercheurs et ingénieurs de procédés spécialisés dans la réduction électrochimique du CO₂ (CO₂RR) des solutions d'instrumentation sur lesquelles ils peuvent compter, depuis le déploiement initial jusqu'à la fin de leurs programmes de recherche et développement.

Alors que la réduction électrochimique du CO₂ continue de progresser vers une mise en œuvre à l’échelle pilote et commerciale, Cubic Instruments reste déterminé à fournir des solutions de surveillance précise des gaz qui répondent aux exigences analytiques en constante évolution de cette application.