Une Électricité Bon Marché Pourrait Permettre Le Recyclage Des Déchets Animaux Et La Récupération De Produits Chimiques De Valeur
Biogaz et biométhane : transformer les déchets des animaux en énergie c’est envisageable ! La fermentation de matières organiques pour générer de l’électricité, de la chaleur, voire même de l’engrais.
Parlons d’un problème plutôt contraignant. Chaque année, les exploitations agricoles du monde entier génèrent plus de 3 milliards de tonnes de déchets animaux, soit l’équivalent de plus de 9000 immeubles Empire State. Tous ces déchets polluent les cours d’eau et émettent des gaz nocifs ainsi que des gaz à effet de serre. Cependant, une nouvelle technique de recyclage pourrait réduire ces impacts tout en générant des bénéfices.
Des chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient utiliser l’électricité pour décomposer les nutriments organiques présents dans les déchets animaux, tout en récupérant des produits chimiques de valeur. Les projections initiales, rapportées ce mois-ci dans Nature Sustainability, suggèrent que, dans la plupart des cas, la valeur de ces produits chimiques serait supérieure aux coûts de la technique, la rendant rentable pour les agriculteurs.
Cette approche pourrait fonctionner particulièrement bien dans les zones rurales et agricoles, qui sont inondées de déchets animaux et d’électricité bon marché et renouvelable provenant de fermes éoliennes et solaires, explique Taeyoung Kim, un chimiste de l’Université Clarkson qui n’a pas participé à l’étude.
De nombreuses exploitations animales tentent déjà de recycler les déchets animaux en les déversant dans des étangs appelés lagunes à lisier. Les solides riches en ammoniac se déposant au fond peuvent être remontés et répandus de nouveau sur les terres agricoles comme engrais. Les microbes peuvent être utilisés pour décomposer une grande partie des composés organiques restants en méthane, qui peut être récupéré et brûlé pour produire de l’électricité. Cependant, même avec de tels traitements, d’énormes quantités d’ammoniac et d’autres composés sont rejetées dans l’environnement, provoquant des proliférations d’algues et des morts de poissons.
Ces dernières années, plusieurs équipes ont commencé à explorer des méthodes électrochimiques pour capturer l’ammoniac et d’autres produits chimiques de valeur à partir des lagunes à lisier. Dans une étude en laboratoire de 2021, par exemple, Kim et ses collègues ont rapporté un dispositif de type batterie qui utilisait un courant électrique pour faire passer des ions d’ammonium chargés positivement à travers une membrane, concentrant le précurseur de l’engrais et facilitant sa récupération. Mais les dispositifs à membrane peuvent être difficiles à utiliser et coûteux à mettre à l’échelle.
Des chercheurs dirigés par Mohan Qin, ingénieur environnemental à l’Université du Wisconsin-Madison, et son collègue chimiste Song Jin, ont voulu voir s’ils pouvaient se passer de la membrane en adoptant une approche à deux étapes. Les deux étapes reposent sur un matériau d’électrode de batterie appelé hexacyanoferrate de nickel de potassium (KNiHCF), qui a une structure en couches avec des lacunes permettant aux ions de circuler.
Dans la première étape, les scientifiques ont plongé une électrode KNiHCF dans une solution synthétique d’eaux usées animales. Le KNiHCF est naturellement avide d’électrons, il a donc spontanément pris des électrons aux composés organiques présents dans les eaux usées, les faisant se décomposer. En retour, à mesure que les charges négatives s’accumulaient dans le KNiHCF, les ions positifs étaient attirés depuis la solution et se glissaient entre les couches. Les chercheurs ont découvert que l’espacement des couches dans le KNiHCF était idéal pour attirer les ions d’ammonium et de potassium, plutôt que d’autres ions plus courants mais moins précieux dans le lisier, tels que le sodium ou le calcium. Kim indique que c’est “un avantage majeur” de cette configuration.
Dans La Deuxième Étape, Les Chercheurs Ont Retiré L’électrode KNiHCF, Maintenant Chargée D’ions, De La Solution D’eaux Usées. Ils L’ont Placée, Avec Une Deuxième Électrode, Dans Un Deuxième Récipient D’eau Propre Contenant Un Électrolyte Conducteur D’ions. Lorsqu’ils Ont Appliqué Une Tension, Des Électrons Ont Circulé Dans La Deuxième Électrode.
Cela A Créé Une Charge Négative Qui A Attiré Les Ions D’ammonium Et De Potassium Chargés Positivement Hors De L’électrode KNiHCF Et Dans La Solution, Où Ils Pouvaient Être Concentrés Et Facilement Récupérés. Le Dispositif Présente Un Avantage Supplémentaire : Les Charges Négatives Dans La Deuxième Électrode Ont Déclenché Une Réaction Entre L’eau Et L’oxygène Dans La Solution Pour Produire Soit Du Gaz D’hydrogène Soit Du Peroxyde D’hydrogène, Des Produits Chimiques Précieux Qui Pourraient Être Vendus Avec L’ammoniac Et Le Potassium Récupérés.
L’approche N’est Pas Parfaite. Les Électrodes KNiHCF Se Dégradent Avec Une Utilisation Répétée, Un Défi Que Le Groupe Dit Déjà Prendre En Compte. Mais Les Chercheurs Ont Également Réalisé Une Analyse Pour Évaluer Le Potentiel De Mise À L’échelle De La Configuration Et La Gestion Des Déchets D’une Ferme Laitière De 1000 Vaches. Ils Ont Découvert Que L’opération Pourrait Générer Suffisamment De Produits Chimiques De Valeur Pour Générer Un Bénéfice Annuel Pouvant Atteindre 200 000 Dollars Si Le Prix De L’électricité Était D’environ 0,08 Dollar Par Kilowatt-Heure (KWh), La Moyenne Américaine.
Jin Note Que L’énergie Renouvelable Devrait Abaisser Les Coûts De L’électricité Dans Certaines Zones Rurales À Environ 0,03 Dollar Par KWh D’ici 2030. Les Fermes Éoliennes Et Solaires Produisent Souvent Plus D’électricité Que Le Réseau Peut Absorber, Obligeant Les Ingénieurs À Soit Déverser L’électricité, Soit Éteindre Leurs Turbines. “Si Nous Pouvons Coupler Cela Avec L’éolien Et Le Solaire, Nous Pourrions Le Concevoir Pour N’utiliser L’électricité Que Lorsqu’elle Est Bon Marché”, Explique Jin.
L’analyse Économique N’a Pas Pris En Compte Les Avantages Environnementaux De La Réduction De La Pollution Des Nutriments En Aval, Note Qin. Étant Donné L’efficacité Globale Du Processus, Elle Indique Que Le Traitement Électrochimique Pourrait Capturer Près De 70 % De L’ammoniac Dans Le Lisier Et Réduire Les Émissions Agricoles De Ce Composé D’une Quantité Similaire. “C’est Une Manière Très Compacte Et Efficace De Résoudre Un Vieux Problème”.
