Les nouvelles avancées en matières de recyclage des batteries au lithium-ion

La demande mondiale de batteries au lithium-ion connaît une croissance exponentielle et on prévoit des points d'inflexion majeurs, car la demande pourrait même dépasser l'offre de matières premières et de composants essentiels pour les batteries.

Le marché mondial des voitures électriques alimentées par des batteries au lithium-ion devrait connaître une forte croissance et atteindre 858 milliards de dollars d'ici à 2027. On estime pourtant que seules 5 % des batteries au lithium-ion sont recyclées dans le monde. Historiquement, le recyclage des batteries au lithium-ion a été limité par la volatilité du prix des matières premières, le manque d'usines de recyclage et l'absence de réglementations. Toutefois, les progrès réalisés dans les méthodes de recyclage, le fort potentiel de croissance et les réserves limitées de métaux rares rendent le recyclage plus attrayant, puisque selon les projections, la part de marché de ce secteur pourrait atteindre 13 milliards de dollars d'ici à 2030.

Techniques de recyclage actuelles

Il existe aujourd'hui trois méthodologies principales de recyclage des batteries (figure 1), les formes principales de recyclage combinant l'hydrométallurgie et la pyrométallurgie. Les publications de recherches et de brevets liés à l'hydrométallurgie et à la pyrométallurgie ont connu une croissance exponentielle en raison de leurs coûts et de leur complexité moindres (figure 2). L'hydrométallurgie utilise des solutions (principalement aqueuses) pour extraire et séparer les métaux des ressources des batteries. La pyrométallurgie exploite la chaleur pour convertir les oxydes métalliques utilisés dans les matériaux des batteries en métaux ou en composés métalliques. Le recyclage direct consiste à retirer le matériau cathodique en vue d'une réutilisation ou d'un reconditionnement.

Pourquoi le recyclage direct est la meilleure méthode

L'élimination directe du matériau de cathode à des fins de réutilisation et de reconditionnement est idéale, car elle permet aux recycleurs de conserver les structures de cristaux intactes moyennant des coûts moindres en énergie, en réactifs et en installations fixes. Toutefois, les coûts de main d'œuvre et des seuils plus exigeants sont requis pour assurer de bonnes conditions de recyclage des batteries. Jusqu'à une époque récente, les principaux défis qui limitaient le domaine du recyclage du lithium-ion étaient le manque d'uniformité dans la conception des batteries et les efforts importants requis en hydro et en pyrométallurgie pour convertir les batteries en matières premières métalliques. Un article récent présente une méthode qui fournit des matériaux de cathode exploitables que les méthodes de recyclage actuelles ne permettent pas d'obtenir.

Une nouvelle approche du recyclage direct

Récemment, Zheng Liang, Guangmin Zhou, Hui-Ming Cheng et leurs collègues ont divulgué une technique de cette nature dans le Journal of the American Chemical Society. L'iodure de lithium (Lil) et l'hydroxyde de lithium (LiOH) ont été combinés dans une solution eutectique qui provoque la fusion à une température inférieure à celle d'un de ces deux sels seul - moins de 200 °C. En conséquence, cette combinaison devient liquide à des températures plus accessibles.

Alors que les méthodes antérieures ne permettaient pas de retrouver la capacité initiale des batteries fabriquées à partir de matériaux réparés, le chauffage consécutif par un mélange eutectique à 200 °C pendant 3 heures suivi d'un chauffage à 850 °C pendant deux heures le permet. Toutefois, lorsqu'on a ajouté du Co₂O₃ et du MnO₂ au mélange eutectique, le procédé en deux étapes a produit du NMC523 restauré, dont les caractéristiques et la structure cristalline étaient comparables à celles des matériaux neufs.

Cette approche offre un moyen de rétablir les pleines fonctionnalités des cathodes de batteries au lithium-ion tout en utilisant moins d'énergie et de ressources que la production de batteries neuves. Si les matériaux des batteries épuisées peuvent être ramenés à leur pleine fonctionnalité à moindre coût, ils pourraient être revendus avec une marge nettement supérieure à celle des métaux ou des oxydes métalliques fabriqués en utilisant des techniques plus coûteuses.

Difficultés

L'approche développée par Liang et al. n'est toutefois pas sans difficulté. Le procédé nécessite un démontage, puis un remontage des batteries. La complexité et le manque d'uniformité de la conception des batteries et des compositions cathodiques constituent des obstacles au recyclage des batteries en général. Même si de nombreux types de batterie différents peuvent être traités par pyrométallurgie, le recyclage direct et les procédures hydrométallurgiques nécessitent le tri des différents types de batterie et le démontage sécurisé des batteries. La composition et la conception des batteries doivent être spécifiés et encodés sur les batteries pour permettre le recyclage direct. Le démontage serait plus simple avec les conceptions de batterie courantes, mais compte tenu de la gamme d'applications des batteries au lithium-ion, il pourrait être impossible.

Perspectives d'avenir

Un point d'inflexion critique se profile à l'horizon pour les batteries au lithium-ion, car la demande risque de dépasser l'offre de métaux essentiels, de sorte que le recyclage doit jouer un rôle majeur pour combler cette lacune. La conservation des ressources, l'impact sur l'environnement et la rentabilité seront des facteurs clés de l'accélération de l'innovation à l'avenir.

Même si cette étude récente n'offre pas une approche commercialement prête pour la régénération des batteries au lithium-ion et leur recyclage direct, elle prouve que cette pratique est techniquement viable. Cette approche se démarque des méthodes de recyclage direct antérieures en utilisant des systèmes eutectiques de préférence aux techniques hydrothermiques. Une technique de recyclage direct commercialement viable renforcera la sécurité des fournitures de composants de batteries au lithium-ion, contribuera à leur durabilité en tant qu'alternative aux carburants liquides pour le stockage de l'énergie et constituera un instrument crucial pour réduire les émissions de CO₂, infléchissant ainsi le changement climatique. Pour en savoir plus sur les tendances émergentes en matière de recyclage des batteries au lithium-ion, lisez notre récent rapport.

L'impression en 3D utilise des couches de matériaux pour créer des objets en 3D. Elle est utilisée dans de nombreux secteurs tels que la production de biens de consommation, la pathologie médico-légale et la biomédecine. Elle permet par exemple de fabriquer des médicaments, des oreilles prothétiques et des organes artificiels. Une publication récente dans une revue scientifique analyse CAS Collection de contenus™ afin d'obtenir une vue d'ensemble de l'impression 3D en biomédecine et met en lumière les tendances des technologies, les matériaux et les innovations de l'impression 3D dans la fabrication de tissus et d'organes, d'implants et de prothèses, de produits pharmaceutiques et au-delà.

Même s'il reste des obstacles à l'impression en 3D de tissus et d'organes, notamment la morbidité au niveau du site donneur et l'échec des greffes, les progrès réalisés dans les encres biologiques, l'utilisation des supports et des cellules souches contribuent à surmonter ces limites. Pour en savoir plus, lisez notre dernière publication alors que l'impression 3D en biomédecine ne cesse de se développer et de croître.

L'impression 3D, également appelée fabrication additive, révolutionne la manière dont nous créons des objets solides à partir de fichiers numériques. Désormais accessible à tous, elle est utilisée dans un grand nombre de domaines, notamment en biomédecine. Grâce à la possibilité de fabriquer des produits pharmaceutiques, des oreilles prothétiques et même des organes artificiels, le potentiel de l'impression 3D en biomédecine est illimité. Dans ce rapport détaillé, nous analysons les dernières tendances et les innovations fascinantes de la technologie et des matériaux d'impression 3D en biomédecine, notamment la fabrication de tissus et d'organes, d'implants et de prothèses, entre autres.

Tendances et innovations dans l'impression 3D biomédicale

Nous sommes au beau lieu d'une révolution de l'impression 3D. Autrefois réservée aux grandes universités de recherche et aux entreprises multinationales, la technologie d'impression 3D s'est beaucoup démocratisée, puisque 2,2 millions d'imprimantes 3D ont été commercialisées en 2021. Ce nombre devrait augmenter pour atteindre 21,5 millions d'ici à 2030 ; cette technologie de prototypage rapide deviendra alors accessible à tous.

Tous les grands secteurs d'activité, de l'aérospatiale au bâtiment, utilisent la technologie d'impression 3D qui permet une fabrication rapide et économique. De tous les secteurs qui ont adopté la puissance de l'impression 3D, c'est l'ingénierie biomédicale qui offre le plus fort potentiel à ses applications. Dans cet article, nous examinerons l'essor de l'impression 3D dans le secteur de la santé et de la médecine.

Comment tout a commencé : l'histoire de l'impression 3D

Lorsque l'inventeur japonais Hideo Kodama déposa le premier brevet pour un « dispositif de prototypage rapide » en 1981, ce concept semblait condamné dès le début, car le Dr Kodama a rapidement abandonné le financement de son brevet dès l'année suivante. Pourtant, cette idée est devenue un catalyseur pour d'autres innovations. En 1984, Charles Hall dépose un brevet pour un système de stéréolithographie (SLA), une technologie d'impression 3D largement utilisée aujourd'hui encore. La première imprimante 3D commerciale suit en 1988, basée sur la technologie révolutionnaire de la SLA.

D'autres technologies d'impression 3D essentielles suivent rapidement. À la fin des années 1980, des brevets avaient été déposés pour deux autres types d'appareils de fabrication additive : la modélisation par dépôt en fusion (FDM) et le frittage laser sélectif (SLS). Le FDM utilise une technique appelée extrusion, où une buse dépose le matériau chauffé couche par couche pour construire le produit en 3D. Le SLS fonctionne un peu différemment ; ce procédé consiste à étaler des couches de matériau à base de poudre sur la plateforme de construction, avant une solidification rapide (ou « frittage ») pour chaque couche de produit imprimé en 3D. Par la suite, les technologies de « projection » (une version modifiée de la technologie d'impression à jet d'encre en 2D) et de photopolymérisation en cuve arrivent rapidement.

Ces technologies étaient initialement réservées aux titulaires de brevets. Toutefois, depuis l'expiration de ces brevets et l'invention du concept en source ouverte de RepRap, de nouvelles entreprises peuvent désormais se faire un nom dans ce secteur d'activité fascinant. Bon nombre des avancées majeures ont été réalisées dans le domaine de la biomédecine, y compris le développement du premier organe imprimé en 3D destiné à la chirurgie de transplantation : une vessie.

Aujourd'hui, l'impression 3D pour les applications biomédicales est en plein essor. La taille du marché mondial de l'impression biomédicale en 3D a été estimée à 1,45 milliard de dollars en 2021 et devrait passer à environ 6,21 milliards d'ici 2030. Pour découvrir les tendances majeures de l'impression biomédicale en 3D, nous avons analysé les données de CAS Collection de contenus™, la plus importante collection de connaissances scientifiques publiées et organisées par l'homme.

Technologies et matériaux utilisés dans l'impression 3D

L'impression 3D se divise en quatre grandes catégories : fusion sur lit de poudre, projection, extrusion et photopolymérisation. Compte tenu de la grande diversité d'applications, il n'existe pas un « modèle unique » d'impression 3D. Les technologies à base d'extrusion comme le FDM restent cependant les types les plus populaires d'impression 3D biomédicale (figure 1).

Des plastiques aux métaux en passant par les substances naturelles, on peut utiliser un large éventail de matériaux dans l'impression 3D biomédicale. Les polymères synthétiques comme la polycaprolactone et l'acide poly(lactique) font partie des matériaux les plus fréquemment utilisés dans l'impression 3D (figure 2), en raison de leurs applications en microfluidique et dans les implants médicaux. La substance inorganique la plus largement utilisée est l'hydroxylapatite, employée dans les matériaux dentaires et comme mastic pour la réparation osseuse. Un certain nombre de polymères naturels, comme l'alginate et l'acide hyaluronique, deviennent de plus en plus populaires dans la bio-impression.

La montée de l'impression biomédicale en 3D

Les tendances annuelles de publication dans les revues et brevets au sujet des applications biomédicales de l'impression en 3D indiquent que l'innovation dans ce domaine est en plein essor, même si le nombre de publications dans les revues était nettement plus élevé (environ 15 000) que celui des publications de brevets (environ 5 700) (figure 3). Cette tendance pourrait refléter la hausse de la commercialisation de cette technologie au cours des dernières années.

Environ 90 pays ont publié des articles sur les applications de l'impression biomédicale en 3D, ce qui suggère un intérêt très répandu pour cette technologie. Parmi ces pays, les États-Unis et la Chine sont en tête avec le plus grand nombre de publications d'articles et de brevets (figures 4 et 5).

Lorsqu'on examine de près la tendance de l'impression en 3D biomédicale en termes de cessionnaires de brevets, on peut constater que la plupart des brevets ont été accordés à 3M, une entreprise américaine. Les autres pays actifs dans ce domaine comprennent la Corée, le Liechtenstein, la France et la Chine (figure 6).

Les applications innovantes de l'impression en 3D biomédicale

Nous avons déjà souligné certaines applications clés de l'impression en 3D biomédicale, mais les possibilités sont infinies. Du développement d'implants médicaux à la fabrication d'équipements médicaux, les innovations se multiplient. L'ingénierie des tissus et des organes est une application majeure de l'impression 3D : on étudie notamment la fabrication de structures complexes telles que les cartilages, les muscles et la peau. L'analyse de CAS Collection de contenus indique que les concepts tels que l'ingénierie des tissus, l'échafaudage tissulaire et la bio-impression, apparaissent fréquemment dans les publications sur l'impression en 3D biomédicale liée aux tissus et aux organes, ce qui souligne qu'il s'agit d'un domaine clé de la recherche (figure 7).

La technologie d'impression 3D possède aussi plusieurs applications potentielles dans les produits pharmaceutiques en favorisant la réalisation du rêve d'une médecine personnalisée, jusqu'alors inaccessible. L'utilisation de l'impression biomédicale en 3D pourrait permettre de modifier et d'affiner le dosage, la forme, la taille et les caractéristiques de libération des produits pharmaceutiques.

La technologie d'impression biomédicale en 3D a également ouvert de nouvelles possibilités en matière de création de prothèses et d'implants, permettant de créer des prothèses personnalisées en fonction de l'anatomie, de la couleur de peau, de la morphologie et de la taille du patient. Les matériaux souples ont apporté davantage d'options pour les différentes parties du corps et leurs capacités, tandis que les métaux tels que l'alliage de titane peuvent être utilisés dans la reconstruction osseuse. L'analyse de CAS Collection de contenus indique que les concepts tels que les « implants prothétiques », les matériaux « prothétiques » et les « implants dentaires » apparaissent fréquemment dans les publications consacrées à l'impression 3D dans le domaine de l'orthopédie et de la prothétique (figure 8).  Même si ces publications sont nettement moins nombreuses que celles qui portent sur les tissus et les organes, il s'agit d'un domaine dynamique et en croissance rapide.

Les défis de l'impression en 3D biomédicale

Même si nous avons assisté à de nombreux progrès fascinants dans le domaine de l'impression en 3D biomédicale, dans bien des domaines, la technologie n'en est encore qu'à ses balbutiements. Par exemple, des chercheurs ont réussi à bio-imprimer des patches cardiaques vascularisés, mais la fabrication d'une valve cardiaque robuste (à plus forte raison d'un organe entier) est encore loin d'être une réalité. Actuellement, les imprimantes 3D ne sont pas en mesure de fabriquer des tissus présentant la biomécanique et les fonctionnalités des tissus réels. Les progrès des encres biologiques et de l'utilisation des supports et des cellules souches contribueront très probablement à l'optimisation future de ces méthodes.

L'avenir de l'impression en 3D biomédicale

Si l'on se fie aux tendances actuelles de la recherche, on peut s'attendre à voir se poursuivre les investissements et les innovations majeurs dans l'impression en 3D biomédicale. Nous prévoyons que cette technologie deviendra de plus en plus répandue, le concept des imprimantes 3D utilisé dans des pharmacies apparaissant désormais comme une possibilité réelle. Même si l'impression en 3D biomédicale représente un investissement financier majeur pour les hôpitaux, les avantages l'emportent nettement sur les coûts lorsqu'on utilise une planification adéquate. À mesure que la technologie évolue, il existera un besoin de terminologie standardisée et la Food and Drug Administration américaine devra définir un nouveau cadre réglementaire qui garantira la sécurité et l'efficacité des produits d'impression en 3D biomédicale.

Pour en savoir plus, téléchargez notre rapport Insight.

Compte tenu de l'impact environnemental des émissions de CO², les scientifiques explorent de nouveaux moyens de rendre la fabrication d'engrais plus durable. Cet examen des revues scientifiques analyse les tendances scientifiques et des brevets relatives aux engrais durables de 2001 à 2021 de CAS Collection de contenus^TM. Cette étude bibliométrique et cette évaluation de la littérature permettra aux scientifiques d'identifier et d'utiliser de nouveaux engrais et de nouvelles sources de nutriments pour améliorer les produits existants, tout en renforçant également l'efficacité et la durabilité de la gestion des déchets et de la production d'ammoniac.

Alors que la population mondiale ne cesse d'augmenter, la demande alimentaire s'accroît également. Même si les engrais synthétiques sont utiles, leur fabrication et leur utilisation peuvent avoir des conséquences néfastes pour l'environnement.

En revanche, les engrais durables constituent une alternative plus écologique. Explorez le paysage émergent de ce domaine en plein essor avec des informations uniques sur les tendances de publication, les nouvelles opportunités et les défis connexes.

Le rôle clé de l'agriculture durable dans la production alimentaire mondiale

On prévoit que la demande mondiale de produits alimentaires augmentera de 35 à 56 % de 2010 à 2050, un phénomène accentué par la hausse régulière de la population mondiale. Ces dernières années, l'augmentation des coûts de production et de distribution alimentaires a été affectée par la pandémie de COVID-19, la guerre entre la Russie et l'Ukraine, le changement climatique et les conflits régionaux. Le Fonds monétaire international souligne que des changements de politique sont indispensables pour réduire l'insécurité alimentaire et améliorer l'accès aux engrais, en particulier dans les pays les plus pauvres.

Les engrais synthétiques et organiques restent essentiels à la production agricole. Les engrais synthétiques utilisent du phosphore extrait des roches de phosphate, du potassium provenant des minerais de potasse et de l'azote extrait de l'atmosphère. Pourtant, les processus d'extraction de ces ressources sont énergivores et, par conséquent, entraînent des conséquences néfastes à long terme sur l'environnement en raison des activités minières et de l'utilisation de sources d'énergie fossiles pour leur production. Les engrais organiques comprennent le fumier de différents animaux, les farines de luzerne, les farines de sang, les farines de poisson et la cendre de bois, ainsi que les déchets provenant de l'eau ou des égouts. Le fumier et les autres déchets qui forment les engrais organiques sont volumineux et coûteux à transporter pour une utilisation ou une élimination dans les champs, mais les nutriments provenant de ces types de déchets permettent de faire disparaître les coûts de transport s'ils sont traités sur place ou à proximité de leur lieu de production.

Un système agricole durable passe par une utilisation efficace de l'eau, de l'énergie et des ressources en nutriments, mais aussi par la réduction de l'impact environnemental, la préservation de la robustesse économique et la réduction de la dépendance à des ressources finies et en voie d'épuisement, afin de permettre aux générations actuelles et futures de prospérer. Un exemple de la manière dont les nutriments sont récupérés, réutilisés et recyclés à partir des eaux usées pour être utilisés dans les engrais est présenté à la figure 1.

Les macronutriments des engrais font partie de ces ressources limitées en voie d'épuisement. Par exemple, les réserves de phosphate pourraient s'épuiser dans un délai de 50 à 100 ans. En outre, les déchets agricoles peuvent aussi être nocifs pour l'environnement et provoquer des problèmes tels que la contamination des récoltes par des substances pharmaceutiques, des pathogènes ou des déchets de métaux et l'eutrophisation des eaux de surface. Toutefois, ces déchets présentent un potentiel important grâce à leur forte teneur en nutriments.

Sur la voie de l'agriculture durable : les opportunités de valorisation de l'innovation

Le terme bio-économie circulaire fait référence aux moyens de transformer et de gérer nos sols, nos aliments, notre santé et nos systèmes industriels par le biais de la gestion des ressources biologiques, afin de parvenir à un bien-être durable en harmonie avec la nature. En valorisant l'innovation dans l'agriculture durable, il est possible d'exploiter la teneur en nutriments des déchets pour dynamiser la production alimentaire et minimiser l'impact sur l'environnement. Les méthodes biologiques, chimiques et physiques couramment utilisées pour récupérer les nutriments sont récapitulées au tableau 1. Parmi les méthodes potentiellement durables qui suscitent de l'intérêt depuis quelques années, on peut citer :

• Nano-engrais intelligents : les nano-engrais à base d'azote devraient augmenter l'efficacité de l'utilisation de l'azote en améliorant l'efficacité de la distribution d'azote sur les plantes et en réduisant les déperditions d'azote dans l'environnement. On peut atteindre ces objectifs de différentes manières en réduisant le volume d'engrais à des nanoparticules, en complétant les engrais par des nanomatériaux ou en formant des structures nanocomposites par encapsulation ou par stockage dans des nanopores pour contrôler la libération de nutriments.

• Bioraffineries : par rapport aux bioraffineries de première génération qui utilisaient les récoltes comme matières premières, les bioraffineries de deuxième génération valorisent les flux résiduels et de déchets. La biomasse est convertie en combustibles liquides et en composés chimiques par des enzymes et des microorganismes en utilisant différentes plateformes de conversion.

• Biochar (charbon de bois) : même si l'utilisation du biochar est un concept relativement récent pour la séquestration du carbone, l'histoire de cette substance similaire au charbon de bois remonte à 2 000 ans dans le bassin de l'Amazone : on pensait alors que l'ajout de biomasse carbonisée au sol améliorait sa qualité et sa fertilité. La pyrolyse anaérobie des matières organiques comme les plantes ou feuilles mortes constitue une approche propre et éco-énergétique pour produire une forme de carbone stable.

• Ammoniac vert : il s'agit du processus de fabrication d'un ammoniac 100 % renouvelable et sans carbone en utilisant des énergies renouvelables, de l'azote et de l'eau. Les projets de synthèse de l'ammoniac vert qui utilisent l'électrolyse de l'eau pour produire du H2 ont été commercialisés ces dernières années par de grandes entreprises telles que Air Products, Siemens, OCP, Thyssenkrupp et Grupo Fertiberia.

• Struvite : la struvite, également connue sous le nom de guanite ou de phosphate d'ammonium et de magnésium (MAP), est un cristal dans lequel du Mg²⁺, (NH₄)⁺ et du PO₄³- sont associés dans un rapport molaire ou des proportions stoichiométriques de 1:1:1. Elle peut être utilisée seule ou dans des formulations d'engrais complexes avec d'autres produits dérivés des déchets, des inoculants microbiens ou des engrais inorganiques classiques. Sa forte teneur en nutriments et ses propriétés de libération lente en font un candidat intéressant pour la production d'engrais commerciaux.

Tableau 1. Présentation générale des processus de récupération des nutriments à partir des déchets couramment utilisés

Tendances de l'agriculture durable dans la recherche d'engrais et la récupération de nutriments

Ressource organisée par des experts, CAS Collection de contenus™ a été utilisée pour évaluer les méthodes de récupération de nutriments et les concepts dynamisant l'innovation et, par conséquent, entretenant notre bioéconomie circulaire. Une large étude portant sur les engrais a permis d'identifier 121 213 brevets et 125 228 articles de revues scientifiques au cours de la période 2001 - 2021 (figure 2). Les articles de revues scientifiques consacrés aux effets des engrais sur la croissance des récoltes, les réponses biologiques et la fertilité des sols ont été étudiés. Certains portaient sur les procédés de récupération des nutriments des engrais et sur les nutriments en tant que polluants à l'origine de l'eutrophisation des eaux réceptrices ou sur les déchets agricoles et les sols contenant des polluants. Les sujets faisant l'objet de brevets portaient sur les substances organiques et les processus associés à la récupération des nutriments des engrais, les formulations d'engrais et les sujets liés aux biodéchets comme le fumier, les cendres et la fermentation.

Une recherche a été effectuée afin d'identifier les tendances de l'agriculture durable pour valoriser l'azote, le phosphore et le potassium en tant que sources de nutriments, ainsi que les procédés destinés à les récupérer.

Dans les revues comme dans les brevets, les classes de substances comme les « petites molécules organiques/inorganiques », les « éléments » et les « sels/composés » dominaient, les « mélanges » étant également prédominants dans les brevets.

Les procédés biologiques constituaient les méthodes dominantes pour la récupération des nutriments, représentant 66 % des articles de revues/brevets, suivis par les méthodes physiques (22 %) et chimiques (12 %).

Les principaux sujets d'intérêt portaient sur la récupération des nutriments dans les boues de traitement des eaux usés, le biochar et les cendres. On constate des tendances notables dans la production de biochar, la précipitation de struvites et la synthèse d'ammoniac vert.

Une tendance claire et croissante dans les sujets liés au charbon de bois/biochar a été notée dans les brevets et les revues scientifiques, les articles démontrant une augmentation constante malgré un léger déclin en 2019. Les publications de brevets concernant l'agriculture durable ont augmenté, en particulier depuis 2013, même si les chiffres d'une année sur l'autre ont quelque peu varié (figure 3). Une analyse conceptuelle a révélé les liens entre « boues des eaux usées », « fumier » et « digestion biologique anaérobie ».

Les publications au sujet de la struvite ont nettement augmenté au cours de la période étudiée. La struvite sous forme de [(NH₄)Mg(PO₄).6H₂O] était dominante ; très peu de publications ont été consacrées au struvite de potassium [MgK(PO₄).6H₂O] (figure 4), même si certaines recherches indiquent qu'il peut être récupéré et potentiellement utilisé comme un engrais au phosphate de magnésium. Les concepts clés liés à la production de struvite comprenaient la « précipitation chimique », la « cristallisation », le « traitement des eaux usées », la « décantation » et le « traitement des eaux usées par adsorption ».

L'ammoniac vert a été évoqué principalement dans des articles de revues, les documents de brevet représentant 20 % du volume total des publications en 2020. On a assisté à une croissance spectaculaire du nombre de substances jouant un rôle dans la synthèse de l'ammoniac vert par catalyse de 2017 à 2021 ; les chiffres sont passés de moins de 100 substances distinctes en 2017 à près de 500 substances distinctes en 2021. Les substances d'intérêt étaient celles qui composent les nouveaux catalyseurs utilisés dans la synthèse de l'ammoniac vert, par ex. les matériaux inorganiques, les petites molécules organiques/inorganiques, les éléments et les composés de coordination (figure 5). De plus, la proportion d'articles de revues consacrés à la réduction photocatalytique ou électrocatalytique d'azote est passée de 1 % en 2001 à 25 % en 2021, ce qui témoigne des progrès rapides de cette méthode.

Peut-on envisager une agriculture résiliente au changement climatique ?

La croissance de la population mondiale entraîne des pressions de plus en plus accentuées sur l'industrie agro-alimentaire. La production d'engrais et l'accumulation de déchets agricoles contribuent à produire des dommages irréversibles sur l'environnement. La durabilité et le concept d'une bioéconomie circulaire sont devenus un principe central de l'agriculture responsable. Les principes de l'agriculture responsable ont inspiré les recherches sur le développement de systèmes intégrés pour le traitement des déchets, la récupération des nutriments et l'efficacité énergétique.

Les procédés alternatifs « plus verts » pour la production d'engrais, comme la synthèse d'ammoniac vert et la récupération des nutriments fertilisants issus des déchets et les formulations microbiennes, pourraient transformer la production de nos aliments et convertir les déchets en précieux sous-produits.

Des procédés de récupération des nutriments sont commercialisés pour favoriser l'efficacité, réduire les coûts et minimiser l'impact sur l'environnement. Parmi les technologies notables dans l'agriculture durable, on peut citer :

• Les technologies Pearl® et WASSTRIP® (Waste Activated Sludge Stripping to Remove Internal Phosphorus ou extraction des boues activées par les déchets pour en retirer le phosphore interne) (Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., Canada) sont des procédés essentiels pour obtenir le phosphore utilisé pour produire le Crystal Green®, un engrais à libération lente récupéré de manière durable, contenant du phosphore, de l'azote et du magnésium. La libération Root-Activated™ optimise l'absorption et protège les ressources d'eau locales, tout en augmentant le rendement.

• AirPrex® (CNP CYCLES GmbH, Allemagne) est un procédé breveté d'optimisation des boues qui améliore l'élimination biologique du phosphate. Dans le réacteur AirPrex®, la boue digérée est traitée pour aboutir finalement à la précipitation de MAI ou de struvite, qui peut être valorisée sous forme d'engrais.

• Le système AshDec® Thermochemical P-Recovery (Metso Outotec, Finlande) améliore la disponibilité des usines et réduit les fortes teneurs en métaux grâce à la récupération du phosphore dans les cendres de boues d'épuration. Le produit du phosphore est soluble dans le citrate et, par conséquent, écologique. En outre, la libération de phosphore est contrôlée : elle n'intervient qu'en présence d'exudats des racines des cultures.

• Le projet RecoPhos (le RecoPhos Consortium) est un projet pluridisciplinaire entrepris par des universités, l'industrie et des entreprises. L'objectif est de récupérer le phosphore (sous forme de phosphore blanc ou d'acide phosphorique) dans les eaux usées, les boues et les cendres en utilisant un réacteur innovant. Ce travail constituera la base de la mise en œuvre d'un réacteur à l'échelle du laboratoire pleinement opérationnel et de la conception d'une usine à l'échelle pilote. L'impact économique, environnemental et social du procédé RecoPhos sera également évalué.

• Le procédé Aqua2™N (Easymining Services, Suède) permet de récupérer l'azote dans la liqueur de boue. L'azote est absorbé et récolté sous forme de cristaux, lesquels sont ensuite récupérés dans une forme prête à l'utilisation pour la production d'engrais. L'agent d'absorption peut simplement être réutilisé.

Les initiatives de ce type prouvent qu'une collaboration intersectorielle entre la science, la technologie et l'industrie constitue la solution d'avenir pour non seulement surmonter les obstacles liés à la production alimentaire, mais aussi simplifier la récupération des déchets. L'agriculture durable représente un moyen sûr de préparer notre société pour l'avenir.

Pour en savoir plus au sujet des tendances de l'agriculture durable dans les procédés de récupération des nutriments, lisez notre rapport Insight.

Depuis quelques années, la découverte des microplastiques et de leur impact sur l'environnement a été impressionnante. On a retrouvé des microplastiques presque partout : dans les aliments, les océans et même dans l'air. De plus, il faut parfois des siècles pour qu'ils se décomposent.

Pour en savoir plus sur les tendances de publication passées, ce que l'on peut faire, les nouvelles approches et les alternatives qui commencent à apparaître, lisez notre dernière publication scientifique ici.

Les microplastiques sont de petites particules de plastique mesurant moins de 5 mm. Ils peuvent provenir de multiples sources, notamment de la décomposition d'objets en plastique plus volumineux, du broyage des tissus synthétiques et de l'utilisation des microbilles dans les produits d'hygiène personnelle.

Malgré leur petite taille, les microplastiques peuvent entraîner des conséquences considérables sur l'environnement. Ils peuvent être ingérés par les animaux marins, provoquant des blessures, voire leur mort. Ces animaux peuvent aussi accumuler les toxines, lesquelles sont ensuite transmises dans la chaîne alimentaire jusqu'aux humains. En outre, il faut parfois des centaines d'années aux microplastiques pour se décomposer, ce qui signifie qu'ils persistent très longtemps dans l'environnement.

Pour en savoir plus sur le paysage émergent de la pollution par les microplastiques, les opportunités et les nouvelles approches qui gagnent en popularité et les matériaux alternatifs, lisez notre dernier rapport Insight.