Les procédés industriels de séparation chimique, notamment la purification du gaz naturel et la production d’oxygène et d’azote à des fins médicales ou industrielles, sont collectivement responsables d’environ 15 % de la consommation mondiale d’énergie. Ils contribuent également à une quantité correspondante d’émissions de gaz à effet de serre dans le monde. Des chercheurs du MIT et de l’université de Stanford ont mis au point un nouveau type de membrane permettant de réaliser ces processus de séparation en consommant environ 1/10e de l’énergie et des émissions.
L’utilisation de membranes pour la séparation des produits chimiques est connue pour être beaucoup plus efficace que des procédés tels que la distillation ou l’absorption, mais il y a toujours eu un compromis entre la perméabilité – la vitesse à laquelle les gaz peuvent pénétrer à travers le matériau – et la sélectivité – la capacité à laisser passer les molécules souhaitées tout en bloquant toutes les autres. La nouvelle famille de matériaux membranaires, basée sur des polymères en “échelle d’hydrocarbures“, permet de surmonter ce compromis, en offrant à la fois une perméabilité élevée et une très bonne sélectivité, expliquent les chercheurs.
Ces résultats sont publiés dans la revue Science, dans un article rédigé par Yan Xia, professeur associé de chimie à Stanford, Zachary Smith, professeur adjoint d’ingénierie chimique au MIT, Ingo Pinnau, professeur à l’université des sciences et technologies du roi Abdullah, et cinq autres personnes.
La séparation des gaz est un procédé industriel important et très répandu qui permet notamment d’éliminer les impuretés et les composés indésirables du gaz naturel ou du biogaz, de séparer l’oxygène et l’azote de l’air à des fins médicales et industrielles, de séparer le dioxyde de carbone d’autres gaz pour le piégeage du carbone et de produire de l’hydrogène comme carburant sans carbone pour les transports. Les nouvelles membranes polymères en échelle sont prometteuses pour améliorer considérablement les performances de ces procédés de séparation. Par exemple, pour séparer le dioxyde de carbone du méthane, ces nouvelles membranes ont une sélectivité cinq fois supérieure et une perméabilité cent fois supérieure à celles des membranes cellulosiques existantes. De même, elles sont 100 fois plus perméables et trois fois plus sélectives pour séparer l’hydrogène du méthane.
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Le nouveau type de polymères, mis au point au cours des dernières années par le laboratoire Xia, est appelé “polymères en échelle” car il est formé de doubles brins reliés par des liaisons en forme d’échelons, et ces liaisons confèrent un haut degré de rigidité et de stabilité au matériau polymère. Ces polymères en échelle sont synthétisés à l’aide d’une chimie efficace et sélective développée par le laboratoire Xia, appelée CANAL (acronyme de “catalytic arene-norbornene annulation“), qui assemble des produits chimiques facilement disponibles en structures en échelle comportant des centaines, voire des milliers d’échelons. Les polymères sont synthétisés dans une solution, où ils forment des brins rigides et tordus semblables à des rubans qui peuvent facilement être transformés en une feuille mince avec des pores d’une taille inférieure au nanomètre en utilisant des procédés de coulée de polymères disponibles dans l’industrie. La taille des pores obtenus peut être ajustée par le choix des composés hydrocarbonés de départ spécifiques. “Cette chimie et le choix des blocs de construction chimiques nous ont permis de fabriquer des polymères en échelle très rigides avec différentes configurations“, explique Xia.
Pour appliquer les polymères CANAL comme membranes sélectives, la collaboration a fait appel à l’expertise de Xia en matière de polymères et à la spécialisation de Smith dans la recherche sur les membranes. Holden Lai, un ancien doctorant de Stanford, a réalisé une grande partie du développement et de l’exploration de l’impact de leurs structures sur les propriétés de perméation des gaz. “Il nous a fallu huit ans entre le développement de la nouvelle chimie et la découverte des structures polymères adéquates qui confèrent les hautes performances de séparation“, explique Xia.
Le laboratoire de Xia a passé les dernières années à faire varier les structures des polymères CANAL pour comprendre comment leurs structures affectent leurs performances de séparation. Étonnamment, ils ont découvert que l’ajout de plis supplémentaires à leurs polymères CANAL originaux améliorait considérablement la robustesse mécanique de leurs membranes et augmentait leur sélectivité pour les molécules de taille similaire, comme l’oxygène et l’azote, sans perdre la perméabilité du gaz le plus perméable. La sélectivité s’améliore même avec le vieillissement du matériau. Selon les chercheurs, la combinaison d’une sélectivité et d’une perméabilité élevées permet à ces matériaux de surpasser tous les autres matériaux polymères dans de nombreuses séparations de gaz.
Aujourd’hui, 15 % de la consommation énergétique mondiale est consacrée aux séparations chimiques, et ces processus de séparation sont “souvent basés sur des technologies centenaires“, explique M. Smith. “Ils fonctionnent bien, mais ils ont une énorme empreinte carbone et consomment des quantités massives d’énergie. Le principal défi aujourd’hui est d’essayer de remplacer ces procédés non durables.” La plupart de ces procédés nécessitent des températures élevées pour faire bouillir et rebouillir les solutions, et ce sont souvent les procédés les plus difficiles à électrifier, ajoute-t-il.
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Pour la séparation de l’oxygène et de l’azote de l’air, les deux molécules ne diffèrent en taille que d’environ 0,18 angströms (dix milliardièmes de mètre), dit-il. Fabriquer un filtre capable de les séparer efficacement “est incroyablement difficile à faire sans diminuer le débit“. Mais les nouveaux polymères en échelle, lorsqu’ils sont fabriqués sous forme de membranes, produisent des pores minuscules qui permettent d’obtenir une grande sélectivité, explique-t-il. Dans certains cas, 10 molécules d’oxygène passent pour chaque azote, malgré la finesse du tamis nécessaire pour atteindre ce type de sélectivité. Ces nouveaux matériaux membranaires présentent “la meilleure combinaison de perméabilité et de sélectivité de tous les matériaux polymères connus pour de nombreuses applications“, affirme M. Smith.
“Comme les polymères CANAL sont solides et ductiles et qu’ils sont solubles dans certains solvants, ils pourraient être mis à l’échelle pour un déploiement industriel d’ici quelques années“, ajoute-t-il. Une entreprise dérivée du MIT, Osmoses, dirigée par les auteurs de cette étude, a récemment remporté le concours d’entrepreneuriat du MIT (100 000 dollars) et a été partiellement financée par The Engine pour commercialiser cette technologie.
Écrit par David L. Chandler, MIT News Office
[ Traduction Enerzine ]
Lien principal : news.mit.edu/2022/membrane-separate-gases-0325
Autre lien : dx.doi.org/10.1126/science.abl7163
