Destinés à la mise en décharge, les déchets agricoles contiennent des sources de carbone qui peuvent être utilisées pour produire des composés de grande valeur, comme l’acide p-coumarique, utilisé dans la fabrication de produits pharmaceutiques. L’électrodéionisation, une méthode de séparation qui utilise des membranes échangeuses d’ions, est un moyen de capturer les acides et autres composants utiles. Cependant, pour capturer de grandes quantités à l’échelle, des améliorations doivent être apportées à la méthode.
Une équipe de recherche dirigée par l’État de Pennsylvanie a inventé une nouvelle catégorie d’assemblages de plaquettes de membranes échangeuses d’ions qui améliore considérablement la capacité de l’électrodéionisation à capturer l’acide p-coumarique à partir de mélanges liquides tout en utilisant moins d’énergie et en réalisant des économies. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans ACS Sustainable Chemical Engineering. Leur article a également été sélectionné pour la couverture de la revue le 23 janvier.
D’abord commercialisée pour purifier l’eau, l’électrodéionisation a été utilisée ces dernières années pour capturer des composants précieux dans les flux de déchets. Dans ce procédé, un flux de mélange liquide traverse une pile de plusieurs membranes échangeuses d’ions et de plaquettes de résine, qui ressemblent à une éponge et sont maintenues ensemble par un adhésif polymère. Lorsque l’on applique de l’électricité, les ions du liquide se déplacent à travers la pile, et l’acide p-coumarique se sépare en un flux de processus concentré, où il peut ensuite être collecté.
« Pour améliorer le processus, nous avons dû améliorer la tranche de résine« , a déclaré l’auteur correspondant, Chris Arges, professeur associé de génie chimique à Penn State. Auparavant, les membranes prenaient en sandwich l’éponge de la tranche de résine avec un adhésif en polyéthylène, qui est actuellement utilisé dans l’industrie comme « colle » pour la résine, mais cela entraînait un mauvais contact entre la membrane et la tranche de résine. Nous avons remplacé le polyéthylène par un ionomère d’imidazolium, un type de polymère, et collé une membrane d’imidazolium sur la tranche de résine. »
En collant la membrane sur la plaquette, les chercheurs ont réduit de 30 % la quantité de membrane nécessaire, ce qui a permis de réduire le coût de l’unité d’électrodéionisation. La nouvelle conception a également permis de réduire la résistance interfaciale entre la membrane et la plaquette, puisque la même membrane et les mêmes liants chimiques ont été collés ensemble au lieu de se trouver au-dessus et au-dessous de l’éponge avec des espaces d’air. La réduction de la résistance a entraîné une augmentation du taux de capture de l’acide p-coumarique, permettant aux chercheurs d’utiliser une unité plus petite.
« Nous savions que le nouveau matériau capturait plus d’acide p-coumarique, mais nous ne savions pas exactement pourquoi« , a déclaré Arges. « Notre collaborateur Revati Kumar a effectué des simulations pour découvrir pourquoi il fonctionnait mieux« .
Kumar, professeur associé de chimie à la Louisiana State University, a découvert que l’imidazolium augmente la solubilité de l’acide p-coumarique et accélère sa diffusion dans le matériau.
« Multipliées ensemble, la solubilité et la diffusion sont égales à la perméabilité, c’est-à-dire à la vitesse à laquelle nous éliminons l’acide lorsqu’il traverse le réseau de gaufrettes de résine de la membrane pour atteindre le compartiment du concentré« , a déclaré M. Arges.
M. Arges a comparé la perméabilité à la vitesse à laquelle les voyageurs franchissent la ligne de sécurité d’un aéroport. Lorsque de nouveaux points de contrôle sont ajoutés, davantage de personnes peuvent passer dans la file, ce qui augmente la perméabilité de la file.
L’augmentation de la perméabilité réduit donc le risque que l’acide p-coumarique se lie aux matériaux de la membrane de résine, ce que l’on appelle l’encrassement, au lieu de se déplacer à travers la membrane.
« L’assemblage membrane-résine d’imidazolium favorise l’écoulement de l’acide p-coumarique à travers la membrane, ce qui pose un problème lorsque d’autres matériaux, comme le polyéthylène, sont utilisés« , explique M. Arges.
Comparés à la configuration actuelle des plaquettes de résine, la nouvelle configuration de la membrane et les nouveaux matériaux permettent de multiplier par sept le captage de l’acide p-courmarique tout en consommant 70 % d’énergie en moins, selon les chercheurs. Les nouveaux assemblages diminuent également la quantité de membrane utilisée dans le processus, ce qui permet de réaliser d’importantes économies.
Les collaborateurs d’Arges à l’Argonne National Laboratory ont déposé un brevet pour la nouvelle technologie d’assemblage membrane-feuille.
Outre Arges et Kumar, les coauteurs sont Matthew Jordan, Hishara Keshani Gallage Dona et Dodangodage Ishara Senadheera, de la Louisiana State University, ainsi que Grzegorz Kokoszka et Yupo J. Lin, de l’Argonne National Laboratory.
Le département de l’énergie des États-Unis a soutenu ce travail.
Légende / Une équipe de recherche dirigée par l’État de Pennsylvanie a inventé une nouvelle catégorie d’assemblages de plaquettes de membranes échangeuses d’ions qui améliore considérablement la capacité de l’électrolyse à capturer l’acide p-coumarique dans les mélanges liquides. Les chercheurs ont amélioré les plaquettes de résine (illustrées à droite), ce qui leur a permis d’améliorer le processus. L’article a été sélectionné comme couverture du journal ACS Sustainable Chemical Engineering du 23 janvier, illustré sur l’écran d’ordinateur à gauche.
CRÉDIT / Jeff Xu/Penn State
