Valorisation du dioxyde de carbone, Bac S Centres étrangers 2017 .

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Une usine sidérurgique du sud de la France, située en bordure de mer, produit chaque année 4 millions de tonnes d’acier. Cette production s’accompagne de l’émission de 8 millions de tonnes de dioxyde de carbone.
Un des objectifs de la COP 21 est de réduire de 24 % l’émission de CO2 dans le secteur de l’industrie. Pour contribuer à cet objectif, on cherche à capter le CO2 émis lors de la production d’acier pour le stocker ou à le valoriser afin d'éviter son rejet dans l'atmosphère.
Un site voisin de marais salants en reconversion, de surface disponible 6000 hectares, pourrait être exploité. Le CO2 émis serait utilisé dans la culture intensive d’une microalgue naturellement présente sur ce site, la Dunaliella salina.
Les microalgues sont des microorganismes photosynthétiques qui assurent leur croissance en transformant l’énergie solaire en énergie chimique quand elles sont en présence d’eau, de dioxyde de carbone, d’éléments inorganiques (azote N, phosphore P, potassium K,...).
Les quantités de nutriments nécessaires à la croissance d’un kilogramme de microalgues sont indiquées dans le tableau suivant.
Nutriments
 Masse nécessaire
pour 1 kg d’algue
 Disponibilité
Dioxyde de carbone
 1,83 kg
 Fourni par les fumées
industrielles en grande
quantité.
Azote N
 0,07 kg
 Apporté sous forme de
nitrate NO3- en quantité
non limitée.
Phosphore P
 0,01 kg
 Apporté sous forme de
phosphate PO43- en
quantité non limitée.
Eau
 40 kg (soit 40 L)
 Provenant de la mer
Méditerranée.

Données :
· 1 hectare = 1,00 × 104 m2.
· Masses molaires : M(CO2) = 44,0 g.mol-1 ; M(NaCl) = 58,5 g.mol-1.
1. Croissance des microalgues.
La croissance des microalgues est optimale pour une concentration massique en
chlorure de sodium (Na+ (aq) + Cl-(aq)) égale à 106 g.L-1. Celle-ci peut être corrigée par
ajout de chlorure de sodium NaCl solide ou d’eau.
On cherche à déterminer la teneur en chlorure de sodium de l’eau de mer qui alimente les bassins du marais salant et la masse de chlorure de sodium à ajouter éventuellement.
Protocole de détermination de la teneur en chlorure de sodium de l’eau de mer :
- Diluer 10 fois un échantillon d’eau de mer prélevé à l’entrée du marais salant.
- Introduire un volume V = 10,0 mL de la solution obtenue dans un erlenmeyer de 150 mL et ajouter quelques gouttes d’une solution contenant des ions chromate CrO42-(aq).
- Verser progressivement, sous agitation, des volumes connus d’une solution de nitrate d'argent (Ag+(aq) + NO3-(aq)) de concentration molaire C’ = 5,00 x 10-2 mol.L-1.
Les ions argent réagissent prioritairement avec les ions chlorure pour former un précipité blanc de chlorure d'argent. L’équation de la réaction support du titrage est lasuivante :
Ag+(aq) + Cl-(aq) --->AgCl(s)
Lorsque pratiquement tous les ions chlorure ont disparu, les ions argent ajoutés réagissent ensuite avec les ions chromate en donnant une coloration rouge.
Cette couleur rouge apparaît lorsqu’on a versé 11,5 mL de solution de nitrate d’argent dans la solution analysée.




1.1. Nommer la méthode de détermination de la teneur en chlorure de sodium de l’eau de mer mise en jeu.
Titrage colorimétrique : l'équivalence esr repérée par un changement de couleur de la solution.
1.2. Schématiser et légender le dispositif utilisé.

1.3. Le volume de 11,5 mL peut être assimilé au volume versé à l’équivalence du titrage. Justifier.
Une mole d'ion chlirure réagit avec une mole d'ion argent.
A l'équivalence tous les ions chlorure ont réagi avec les ion argent versés. En ajoutant une goutte supplémentaire de nitrare d'argent, les ions argent réagissent avec les ions chromate et la coloration rouge apparaît.
1.4. Déterminer la concentration massique en chlorure de sodium de l’eau de mer à l’entrée du marais salant.
Quantité de matière d'ion chlorure = quantité de matière d'ion argent versé à l'équivalence.
n(Cl-) = 11,5 x5,00 10-2 = 0,575 mmol dans 10,0 mL
Concentration en ion chlorure : 0,575 / 10 = 0,0575 mol/L.
Soit [NaCl] = 0,0575 mol/L
ou 0,0575 xM(NaCl) = 0,0575 x58,5=33,6 g /L.
1.5. Déterminer la masse de chlorure de sodium NaCl solide qu’il faut ajouter à chaque litre d’eau de mer introduit lors du premier remplissage du marais, pour assurer une croissance optimale des microalgues.
La croissance des microalgues est optimale pour une concentration massique en chlorure de sodium (Na+ (aq) + Cl-(aq)) égale à 106 g.L-1.
Il faut ajouter 106-33,6 = 72,4 g de chlorure de sodium par litre d'eau de mer.










2. Réduction de l’émission de dioxyde de carbone.
La croissance des microalgues nécessite en outre un apport d’énergie de 1736 kJ par mole de dioxyde de carbone transformé. Cette énergie, apportée par la lumière, est liée à l’ensoleillement du site.
En un jour, la région du marais salant reçoit une énergie solaire moyenne par mètre carré de 1,5 x 107 J.m-2. La part de cette énergie disponible pour la croissance des microalgues est égale à 5%.
2.1. Déterminer l’énergie totale apportée par la lumière sur les marais salant pouvant servir à la croissance des microalgues en une journée.
1,5 107 x0,05 = 7,5 105 J m-2.
Multiplier par la surface du marais salant : S = 6000 x 104 = 6,0 107 m2.
7,5 105 x 6 107 = 4,5 1013 J.
2.2. En déduire la masse de CO2 pouvant être absorbée par l’exploitation du marais salant pour la culture des microalgues en une journée.
Quantité de matière de CO2 transformé par jour : 4,5 1013 /(1736 x103) = 2,592 107 mol.
Masse correspondante : 2,592 107 x M(CO2) = 2,592 107 x44 =1,14 109 g ~ 1,1 103 tonnes jour-1.
2.3. La part des 8 millions de tonnes de CO2 produite par l’aciérie en une année, pouvant être absorbée par cette technique, permet-elle d’atteindre l’objectif fixé par la COP 21 ?
Masse annuelle de CO2 devant être éliminée :8 106 x0,24 = 1,92 106 t.
Durée : 1,92 106 / (1,14 103) ~1,7 103 jours, valeur supérieure à une année.
Cette technique ne permet pas à elle seule l'objectif de réduction de 24 %.
Si ce n’est pas le cas, proposer une solution pour augmenter cette part.
On peut augmenter la surface des marais d'un facteur :1,7 103 / 365 = 4,6.
Actuellement le CO2 est valorisé soit de manière directe, par exemple en étant utilisé comme gaz réfrigérant, soit de manière indirecte. Le CO2 est alors converti en un autre produit industriel. L'hydrogénation du CO2 ( réaction avec le dihydrogène et production d'eau dite réaction de Sabatier ) est la voie de conversion la plus étudiée. Elle peut conduire directement à la formation d'alcools, d'hydrocarbures... C'est ainsi que les synthèse du méthanol, de l'éthanal CH3-CH sont souvent envisagées, de même que la réaction qui mêne au méthane.

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