Fluide supercritique

Diagramme de phase pression-température du dioxyde de carbone, montrant le point triple et le point critique.

En chimie physique, on qualifie de fluide supercritique l'état de la matière soumise à une forte pression et à une forte 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 La Tour dans sa célèbre expérience de canon. Les propriétés physiques d'un fluide supercritique (densité, viscosité, diffusivité, conductivité thermique) sont intermédiaires entre celles des liquides et celles des gaz, de telle sorte qu'on peut le vulgariser en tant que fluide presque aussi dense qu'un liquide qui tend à se comporter comme un gaz -- par exemple un fluide supercritique diffuse comme un gaz à travers un solide, tout en dissolvant des matériaux comme un liquide. Aussi tous les fluides supercritiques sont miscibles entre eux, au contraire des liquides qui peuvent former jusqu'à sept phases distinctes : métallique, siliconée, polaire, apolaire, etc.

Au diagramme de phases pression-température indiqué, les transitions du liquide en fluide supercritique et du gaz en fluide supercritique sont caractérisées par des changements continus des propriétés physiques qui sont indiqués par des changements graduels de couleur. Par contre, la transition du liquide en gaz est associée à une transition de phase et des changements discontinus des propriétés, ce qui est indiqué au diagramme par un changement brusque de couleur marqué par une courbe noire.

Le dioxyde de carbone supercritique est assez courant en raison de sa facilité d'obtention (température critique 31 °C, pression critique 73,8 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 73,8 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, dénicotiniser le tabac, décaféiner le café, etc.

Dans le procédé d'extraction supercritique, le CO₂ est ordinairement utilisé entre 80 et 1000 bar et à des températures inférieures à 80°C, là où il possède des propriétés intéressantes comme solvant de molécules peu polaires. La principale différence entre l'extraction par un fluide supercritique et l'extraction par un solvant conventionnel est dans la méthode de récupération du solvant. En diminuant la pression en dessous de la pression critique, le fluide retourne à l'état gazeux, perd son pouvoir de dissolution et le produit extrait précipite.

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

L’eau supercritique est obtenue en portant de l’eau à des températures supérieures à 374 °C sous une pression supérieure à 218 bars. 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).

Les gaz, dont l'oxygène, y sont solubles en bien plus grandes quantités, 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 218 bars, par « conversion hydrothermale », 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.

Le CEA (France) 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. Cela 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.

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).

Association autour des Fluides Supercritiques

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 et le CO₂ supercritiques vers l'industrie et les entreprises. A ce jour, l'IFS compte aussi bien des experts possédant une trentaine d'années de recherche et d'ingénierie dans les fluides supercritiques que des entreprises faisant appel à ces technologies.

Présence naturelle

Circulation hydrothermale

La circulation hydrothermale se produit dans la croûte terrestre partout où le fluide devient chaud et subit une forte convection naturelle. On pense que ces fluides atteignent des conditions supercritiques dans un certain nombre de milieux différents, comme la formation de dépôts de cuivre porphyrique ou la circulation à haute température de l'eau de mer dans le fond marin. Sur les dorsales médio-océaniques, cette circulation se manifeste surtout par l'apparition de cheminées hydrothermales appelées "fumeurs noirs". Il s'agit de grandes cheminées (de plusieurs mètres de haut) de sulfure et de minéraux sulfatés qui évacuent des fluides jusqu'à 400 °C. Les fluides ressemblent à de grands nuages de fumée noirs qui s'envolent sous l'effet de la précipitation des métaux dissous dans le fluide. Il est probable qu'en profondeur, bon nombre de ces sites d'évents atteignent des conditions supercritiques, mais qu'ils se refroidissent suffisamment au moment où ils atteignent le fond marin pour être sous-critiques. Un site d'évent particulier, Turtle Pits, a affiché une brève période de supercriticité au site de l'évent. Un autre site, Beebe, dans la fosse aux Caïmans, présente une supercriticité soutenue à l'orifice de l'évent

En planétologie

À l'intérieur des géantes gazeuses telles que Jupiter et Saturne, l'hydrogène, sous forme gazeuse moléculaire en « surface », devient rapidement liquide, ou plus exactement, étant donnée la température qui augmente avec la profondeur, fluide supercritique avant d'atteindre des conditions de pression et de température telles qu'il se dissocie et finit par se comporter comme un métal. Étant données la pression et la température à la surface de Vénus (de l'ordre de 460 °C et 90 bars), son atmosphère, composée à 95 % de CO₂, est également dans un état supercritique. Certaines planètes, baptisées « planètes-saunas », pourraient abriter une couche d'eau sous forme supercritique.

Notes et références

Articles connexes

• Séchage supercritique
• 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
• Milieu réactionnel

Liens externes

• Futura-Sciences • fluide supercritique