La nouvelle membrane des chercheurs du MIT sépare les différents types de carburant en fonction de leur taille moléculaire, éliminant ainsi la nécessité d’une distillation du pétrole brut qui consomme beaucoup d’énergie.
La séparation du pétrole brut en produits tels que l’essence, le diesel et le mazout est un processus à forte intensité énergétique qui représente environ 6 % des émissions mondiales de CO2.La majeure partie de cette énergie est consacrée à la chaleur nécessaire pour séparer les composants en fonction de leur point d’ébullition.
Les ingénieurs du MIT ont mis au point une membrane qui filtre les composants du pétrole brut en fonction de leur taille moléculaire, ce qui pourrait réduire considérablement la quantité d’énergie nécessaire au fractionnement du pétrole brut.
« Il s’agit d’une toute nouvelle façon d’envisager un processus de séparation. Au lieu de faire bouillir des mélanges pour les purifier, pourquoi ne pas séparer les composants en fonction de leur forme et de leur taille ? La principale innovation réside dans le fait que les filtres que nous avons mis au point peuvent séparer de très petites molécules à une échelle de longueur atomistique », explique Zachary P. Smith, professeur agrégé de génie chimique au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
La nouvelle membrane de filtration peut séparer efficacement les composants lourds et légers du pétrole, et elle résiste au gonflement qui tend à se produire avec d’autres types de membranes de séparation du pétrole. La membrane est un film mince qui peut être fabriqué à l’aide d’une technique déjà largement utilisée dans les processus industriels, ce qui pourrait permettre de la mettre à l’échelle en vue d’une utilisation généralisée.
Taehoon Lee, un ancien postdoc du MIT qui est maintenant professeur adjoint à l’université Sungkyunkwan en Corée du Sud, est l’auteur principal de l’article, qui paraît dans Science.
Fractionnement du pétrole
Les procédés conventionnels de fractionnement du pétrole brut par la chaleur représentent environ 1 % de la consommation mondiale d’énergie. On estime que l’utilisation de membranes pour la séparation du pétrole brut pourrait réduire la quantité d’énergie nécessaire d’environ 90 %. Pour y parvenir, une membrane de séparation doit permettre le passage rapide des hydrocarbures et filtrer sélectivement les composés de différentes tailles.
Jusqu’à présent, la plupart des efforts visant à mettre au point une membrane de filtration pour les hydrocarbures se sont concentrés sur les polymères à microporosité intrinsèque (MIP), dont l’un est connu sous le nom de MIP-1. Bien que ce matériau poreux permette le transport rapide des hydrocarbures, il a tendance à absorber excessivement certains composés organiques lors de leur passage à travers la membrane, ce qui entraîne un gonflement du film qui nuit à sa capacité de filtration.
Pour trouver une meilleure alternative, l’équipe du MIT a décidé d’essayer de modifier les polymères utilisés pour le dessalement de l’eau par osmose inverse. Depuis leur adoption dans les années 1970, les membranes d’osmose inverse ont permis de réduire la consommation d’énergie du dessalement d’environ 90 % – une réussite industrielle remarquable.
La membrane la plus couramment utilisée pour le dessalement de l’eau est un polyamide fabriqué selon une méthode connue sous le nom de polymérisation interfaciale. Au cours de ce processus, une fine pellicule de polymère se forme à l’interface entre l’eau et un solvant organique tel que l’hexane. L’eau et l’hexane ne se mélangent normalement pas, mais à l’interface entre eux, une petite quantité des composés dissous dans ces deux substances peut réagir l’un avec l’autre.
Dans ce cas, un monomère hydrophile appelé MPD, dissous dans l’eau, réagit avec un monomère hydrophobe appelé TMC, dissous dans l’hexane. Les deux monomères sont reliés par une connexion appelée liaison amide, formant un film mince de polyamide (appelé MPD-TMC) à l’interface eau-hexane.
Bien qu’il soit très efficace pour le dessalement de l’eau, le MPD-TMC n’a pas la taille de pore et la résistance au gonflement qui lui permettraient de séparer les hydrocarbures.
Pour adapter le matériau à la séparation des hydrocarbures présents dans le pétrole brut, les chercheurs ont d’abord modifié le film en changeant la liaison qui relie les monomères d’une liaison amide à une liaison imine. Cette liaison est plus rigide et plus hydrophobe, ce qui permet aux hydrocarbures de traverser rapidement la membrane sans provoquer de gonflement notable du film par rapport à son homologue en polyamide.
« Le matériau polyimine a une porosité qui se forme à l’interface, et grâce à la chimie de réticulation que nous avons ajoutée, vous avez maintenant quelque chose qui ne gonfle pas », commente M. Smith. « On le fabrique dans la phase huileuse, on le fait réagir à l’interface avec l’eau et, grâce aux réticulations, il est maintenant immobilisé. Ainsi, ces pores, même lorsqu’ils sont exposés à des hydrocarbures, ne gonflent plus comme d’autres matériaux ».
Les chercheurs ont également introduit un monomère appelé triptycène. Cette molécule à forme persistante et moléculairement sélective aide les polyimines obtenues à former des pores de la bonne taille pour que les hydrocarbures puissent y pénétrer.
Cette approche représente « un pas important vers la réduction de la consommation d’énergie dans l’industrie », déclare Andrew Livingston, professeur de génie chimique à l’université Queen Mary de Londres, qui n’a pas participé à l’étude.
« Ce travail prend la technologie de base de l’industrie du dessalement par membrane, la polymérisation interfaciale, et crée une nouvelle façon de l’appliquer aux systèmes organiques tels que les matières premières d’hydrocarbures, qui consomment actuellement une grande partie de l’énergie mondiale », explique M. Livingston. « L’approche imaginative utilisant un catalyseur interfacial couplé à des monomères hydrophobes conduit à des membranes à haute perméance et à une excellente sélectivité, et le travail montre comment elles peuvent être utilisées dans des séparations pertinentes. »
Séparation efficace
Lorsque les chercheurs ont utilisé la nouvelle membrane pour filtrer un mélange de toluène et de triisopropylbenzène (TIPB) comme référence pour évaluer les performances de séparation, ils ont pu obtenir une concentration de toluène 20 fois supérieure à sa concentration dans le mélange d’origine. Ils ont également testé la membrane avec un mélange industriel composé de naphta, de kérosène et de diesel, et ont constaté qu’elle pouvait séparer efficacement les composés les plus lourds et les plus légers en fonction de leur taille moléculaire.
S’ils étaient adaptés à un usage industriel, une série de ces filtres pourrait être utilisée pour générer une concentration plus élevée des produits souhaités à chaque étape, affirment les chercheurs.
« Vous pouvez imaginer qu’avec une membrane comme celle-ci, vous pourriez avoir une étape initiale qui remplacerait une colonne de fractionnement du pétrole brut. Vous pourriez séparer les molécules lourdes et légères, puis utiliser différentes membranes en cascade pour purifier des mélanges complexes afin d’isoler les produits chimiques dont vous avez besoin », ajoute M. Smith.
La polymérisation interfaciale est déjà largement utilisée pour créer des membranes pour le dessalement de l’eau, et les chercheurs pensent qu’il devrait être possible d’adapter ces processus pour produire en masse les films qu’ils ont conçus dans cette étude.
« Le principal avantage de la polymérisation interfaciale est qu’il s’agit déjà d’une méthode bien établie pour préparer des membranes destinées à la purification de l’eau. On peut donc imaginer qu’il suffit d’adopter ces chimies dans les chaînes de fabrication existantes », conclut M. Lee.
Légende illustration : Les ingénieurs du MIT ont mis au point une membrane (photo) qui filtre les composants du pétrole brut en fonction de leur taille moléculaire, une avancée qui pourrait réduire considérablement la quantité d’énergie nécessaire au fractionnement du pétrole brut. Image : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Article : « Microporous polyimine membranes for efficient separation of liquid hydrocarbon mixtures » – DOI : 10.1126/science.adv6886
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