Quelle importance de l’hydrogénation en industrie ?

Principes de base de l'hydrogénation

Principes d'hydrogénation : réaction d'hydrogénation des alcènes

L’hydrogénation est un processus chimique durant lequel l'hydrogène est utilisé pour modifier un autre élément. Cela permet de réduire ou de modifier les propriétés de composés organiques.

Pour qu’elle soit réalisée correctement, l’hydrogénation nécessite plusieurs éléments :

• Une bonne température;
• Une pression adaptée;
• Des catalyseurs;
• De l’hydrogène;
• Une autre substance qui va entrer en réaction avec l’hydrogène comme les alcènes ou les alcynes.

Certaines réactions peuvent aussi avoir lieu sans catalyseur, dans ce cas, elles nécessitent une montée à très haute température.

Dans le domaine industriel, précisément, l’opération d’hydrogénation se réfère à un processus chimique durant lequel l’hydrogène est ajouté à une autre substance pour fabriquer des produits comme des graisses hydrogénées ou des carburants synthétiques.

Les deux types d'hydrogénation les plus fréquentes

Dans l’industrie, on note deux types d’hydrogénation. La première, l’hydrogénation homogène, se réfère à une réaction dans laquelle tous les réactifs (hydrogènes et composés à hydrogéner ainsi que le catalyseur), sont sous forme liquide.

Au contraire, l’hydrogénation hétérogène doit se faire avec un catalyseur qui a une forme différente des réactifs. Par exemple, le catalyseur, qui peut être un métal précieux comme le platine ou le palladium, peut être sous forme solide. D’un autre côté, les réactifs peuvent être en phase gazeuse ou liquide. On opte pour ce type de réaction d’hydrogénation hétérogène pour créer des réactions à grande échelle dans l’industrie.

Le choix de l’un des types de réaction par rapport à l’autre se fait en fonction du besoin, en regardant bien les caractéristiques de la réaction et dans quel contexte elle sera faite. Certaines réactions sont aussi un mélange des deux approches avec une réaction homogène en première étape de transformation, puis une réaction hétérogène ensuite.

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Applications Industrielles de l'hydrogénation

Hydrogénation dans l'industrie alimentaire

Le procédé d’hydrogénation est employé dans l’industrie alimentaire. En effet, pour prolonger la durée de vie de certains aliments, il est souvent nécessaire d’y ajouter des graisses végétales hydrogénées. Ces graisses sont le fruit de l’hydrogénation.

Ainsi, on ajoute de l’hydrogène sur des composés organiques insaturés qui comportent au moins deux atomes de carbone. Avec la mise à température idéale et grâce à un catalyseur comme le nickel ou le platine, la liaison entre les atomes de carbone est alors rompue. On retrouve alors un atome d’hydrogène entre chacun de ces atomes.

Le processus est majoritairement employé pour créer des huiles végétales ou de la margarine. Grâce à l'hydrogénation des huiles liquides, on obtient des huiles végétales plus résistantes sur le long terme. Elles auront donc moins de risque de tourner. In fine, la consistance est également plus intéressante, plus crémeuse. On retrouve alors ces huiles dans de nombreux aliments issus de l’industrie agroalimentaire : pâtisseries, crackers, soupes, etc.

Hydrogénation dans l'industrie pharmaceutique et chimique

L’hydrogénation est aussi largement utilisée pour créer des médicaments ou des principes actifs pour les produits pharmaceutiques. 

En effet, pour la fabrication de certains produits, il est nécessaire d’avoir recours à la réduction sélective d’éléments. L’hydrogénation permet cette transformation facilement. Ainsi, on travaille souvent à la réduction des groupes fonctionnels contenant de l’azote (azote azoïque ou azote nitro) avec l’apport d’hydrogène.

Dans l’industrie chimique, l’hydrogénation est utilisée pour la production de divers produits chimiques. C'est une méthode cruciale pour créer des alcools, des lubrifiants ou encore des amines. Elle peut aussi servir à convertir des matières premières riches en carbone en produits chimiques utiles, comme c’est le cas dans l’industrie agroalimentaire.

Enfin, le processus d’hydrogénation est aussi utile pour éliminer des impuretés dans des produits chimiques. Il s’agit d’un outil pour atteindre un produit plus pur qui sera également plus résistant et moins sujet à l'oxydation.

Utilisation de l'atome d'hydrogène avec le Processus Bergius 

Le processus Bergius est une méthode de conversion du charbon en hydrocarbures liquides pour une utilisation en tant que carburant synthétique. Ce processus est le fruit des recherches du chimiste Friedrich Bergius qui, au début des années 1900, développa ce procédé de production. Cela lui valu l'attribution du prix Nobel de chimie.

Initialement utilisé pour convertir le charbon, il peut désormais être utilisé avec toute autre matière riche en carbone comme la biomasse.

Le processus Bergius implique plusieurs étapes pour réaliser la transformation de matières carbonées en produits liquides. En voici un résumé : 

• Dans un premier temps, on effectue la carbonisation ou la pyrolyse. C’est-à-dire que la matière première carbonée ou les alcènes sont chauffés en absence d’air ce qui a pour résultat la production d’un mélange de gaz, de liquide et de charbon;
• Puis, on procède à la gazéification, étape durant laquelle les gaz produits à la première étape sont séparés;
• Ensuite, l’hydrogène obtenu est combiné avec du monoxyde de carbone : c’est ce qu’on appelle la Synthèse Fischer-Tropsch. Cette réaction permet de produire des composés liquides comme des hydrocarbures;
• Les liquides sont soumis à un hydrotraitement pour améliorer leur qualité et réduire leurs impuretés;
• Enfin, le raffinage permet d’obtenir les produits finaux souhaités comme l’essence, diesel ou autres produits pétroliers.

L’utilisation de l’hydrogène dans le processus Bergius est essentielle pour convertir les gaz en liquides grâce à la synthèse Fischer-Tropsch. L'hydrogénation offre aux produits pétroliers de meilleures performances. Le pétrole est alors moins chargé en impuretés indésirables ou en souffre. Le procédé permet de se rapprocher d'un pétrole le plus pur, afin de répondre aux normes environnementales les plus strictes pour une énergie finale le plus bas carbone possible.

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Les innovations liées à l’hydrogénation

Impact environnemental de l'hydrogénation

Nous l’avons vu : l’hydrogénation est un procédé chimique employé dans des secteurs industriels très variés, entre industrie alimentaire, pharmaceutique ou pétrochimie.

Lorsque l’on s’intéresse à son impact environnemental, on peut mettre en avant différents éléments. 

D’abord, pour que le processus d’hydrogénation fonctionne, il faut que les produits soient mis en contact avec des catalyseurs qui sont généralement des métaux précieux. Or, l’extraction de ces métaux a nécessairement des conséquences environnementales dans les zones où ils sont extraits. 

Ces métaux sont rares et non renouvelables. Leur extraction est donc finalement limitée aux réserves de ces métaux présents sur Terre. Heureusement, des recherches tendent à prouver l’efficacité des nanoparticules de fer et de catalyseurs métalliques à la place de ces métaux précieux. L’occasion d’utiliser des produits moins toxiques et présents en plus grande quantité sur la planète.

De plus, outre les catalyseurs, il faut nécessairement une source d’énergie pour que l’hydrogénation puisse avoir lieu. Ainsi, il est important d’avoir recours à des sources d’énergies vertes pour limiter l’impact environnemental du procédé.

Enfin, le dernier point à soulever concernant l’impact environnemental de l’hydrogénation, est celui de la source d’hydrogène. Lorsque cette dernière est produite à partir d’énergie renouvelable et de l’électrolyse de l’eau, on peut réduire considérablement son impact. Les produits issus de l’hydrogénation sont alors beaucoup plus propres.

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Innovations et évolutions technologiques autour de l’hydrogénation

Le processus d’hydrogénation fait l’objet de nombreuses études et évolutions pour augmenter son efficacité, sa durabilité ou encore le rendre plus accessible économiquement.

La première innovation à noter est celle autour de la production d’hydrogène vert. Ce dernier permet de réduire considérablement l’impact carbone du procédé industriel. C’est une branche en pleine croissance et bel et bien une tendance de fond pour décarboner l’ensemble de l’industrie.

De plus, des progrès sont réalisés sur la création de catalyseurs plus efficaces ou plus durables. L’idée est de réduire la dépendance à des matériaux rares comme le palladium.

On étudie aussi la conception de réacteurs d’hydrogénation avec lesquels on pourra atteindre un meilleur rendement énergétique et surtout une meilleure gestion des réactions et des transformations.

L’hydrogénation est par ailleurs de plus en plus utilisée dans des raffineries pour produire des biocarburants à partir de la biomasse.

Enfin, le processus d’hydrogénation est un atout pour la réduction des émissions de CO2. On peut en effet capturer et convertir le dioxyde de carbone de différents produits chimiques. Cela s’inscrit dans une démarche globale autour de l’évolution des process industriels pour réduire leur empreinte carbone.

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