Fluide supercritique

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Supercritique, en physique-chimie, est l'état de la matière lorsqu'elle est soumise à une forte pression ou température. On parle de fluide supercritique lorsqu'un fluide est chauffé au-delà de sa température critique et lorsqu'il est comprimé au-dessus de sa pression critique. Cet état de la matière a été découvert en 1822 par Charles Cagniard de Latour. Les propriétés physiques d'un fluide supercritique (densité, viscosité, diffusivité) sont intermédiaires entre celles des liquides et celles des gaz.

Le dioxyde de carbone supercritique est assez courant en raison de sa facilité d'obtention (température critique : 31 °C, pression critique : 73 bars) et de ses propriétés économiques et écologiques intéressantes (non inflammable, non toxique, relativement peu cher et sans coût d'élimination comparativement aux solvants organiques).

Dioxyde de carbone supercritique

Cet état supercritique a été observé expérimentalement pour la première fois à la fin du XIX^e siècle sur du dioxyde de carbone exposé à 31,1 °C et 74 bars. Dans cet état, ce composé possède de remarquables propriétés de solubilité de substances organiques. Contrairement aux autres solvants, comme le tétrachlorure de carbone, il n'est pas toxique.
Le CO₂ supercritique est utilisé dans l'industrie agroalimentaire et la parfumerie pour extraire les arômes des plantes à parfum, retirer l'amertume du houblon ou décaféiner le café.

Un solvant dans des conditions supercritiques voit son pouvoir de dissolution considérablement accru. La principale différence entre l'extraction par fluide supercritique et l'extraction par un solvant conventionnel est dans la méthode de récupération du solvant. En diminuant la pression, le fluide supercritique perd son pouvoir de dissolution et le produit extrait précipite. Ce procédé est utilisé dans la décaféination du café, l'extraction des épices et des parfums, la dénicotinisation du tabac, etc.

La chromatographie en phase supercritique utilise le CO₂ supercritique, seul ou mélangé avec de faibles quantités de solvant polaire, pour obtenir des séparations moléculaires rapides et économiques qui sont mises en œuvre à des fins analytiques et préparatives dans l'industrie pharmaceutique en particulier.

C'est fréquemment sous cette forme que le CO₂ est injecté dans une formation géologique en vue de sa séquestration.

Eau supercritique

Elle est obtenue en portant de l'eau à des températures supérieures à 374 °C sous une pression supérieure à 221 bars (par exemple dans un réacteur nucléaire ou une chaudière de centrale thermique sous haute-pression). Ce liquide acquiert des propriétés nouvelles. Ainsi, à 500 °C et 250 bars, l'eau supercritique a une masse volumique de moins de 100 kg/m³ et une constante diélectrique proche de 2. Elle est un puissant solvant pour presque tous les composés organiques, et inversement produit un précipité de tous les composés inorganiques (qui peuvent alors colmater ou corroder les installations^[1]).

Les gaz, dont l'oxygène, y sont solubles en bien plus grandes quantité, et peuvent alors fortement et rapidement interagir avec la matière organique quand il y en a. Elle peut ainsi, au-delà de 374 °C et 221 bars, par « conversion hydrothermale »^[1], détruire des solvants ou déchets organiques toxiques, sans production d'oxydes d'azote (NO_x) ou d'oxydes de soufre (SO_x) qui polluent les gaz lors d'une incinération classique^[1].

Le CEA à Pierrelatte a construit une machine dont l'enveloppe contient la pression et dont la paroi interne résiste à la corrosion chimique et dans laquelle le produit à traiter est constamment mélangé pour interdire la précipitation de sels. Ceci permet la destruction de toxiques chimiques ou biologiques, de déchets chlorés, fluorés, contenant des sels minéraux ou des solvants, nitrates, etc. Le CEA envisage aussi un réacteur à eau supercritique qui pourrait « gazéifier la biomasse humide » (boues ou effluents industriels de papeteries ou distillerie) pour produire de la chaleur et un gaz de synthèse riche en hydrogène, réutilisable comme carburant^[1].

En 2006, une association appelée Innovation Fluides Supercritiques (IFS) a été créée autour du CEA avec des industriels et chercheurs pour promouvoir le transfert de technologies utilisant l'eau supercritique vers l'industrie et les entreprises^[1].

En présence d'une irradiation, l'eau supercritique peut accélérer la corrosion de la plupart des métaux, dont ceux dans les réacteurs nucléaires ou chaudières, avec un phénomène de corrosion inter-granulaire (et parfois de fissuration) des aciers carbonés (Intergranular Stress Corrosion Cracking ou IGSCC) ^[2].

Notes et références

1. ↑ ^{a, b, c, d et e} CEA,conversion hydrothermale ; L'eau supercritique détruit les liquides contaminés, Article paru en juillet 2007 dans CEA Techno(s) n^o  86
2. ↑ Jun Matsumoto ; Core shroud replacement of Fukushima-Daiichi Unit n°3  ; Nuclear Engineering and Design Volume 191, Issue 2, 2 July 1999, Pages 167-175 ; doi:10.1016/S0029-5493(99)00139-9 (Résumé)

Voir aussi

Bibliographie

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Articles connexes

• État de la matière
  • gaz
  • liquide
  • solide
• Phase
• Diagramme de phase
• Changement d'état (transition de phase)
  • fusion/solidification
  • vaporisation (ébullition)/évaporation/liquéfaction
  • sublimation/condensation
  • point triple

Liens externes

• Futura-sciences fluide supercritique