Un nouveau système développé par des ingénieurs chimistes du MIT pourrait fournir un moyen d'éliminer en continu le dioxyde de carbone d'un flux de gaz résiduaires, ou même du haut des airs. Le composant clé est une membrane électrochimiquement assistée dont la perméabilité au gaz peut être activée et désactivée à volonté, n'utilisant aucune pièce mobile et relativement peu d'énergie.

Les membranes elles-mêmes, en oxyde d'aluminium anodisé, ont une structure en nid d'abeille composée d'ouvertures hexagonales qui permettent aux molécules de gaz d'entrer et de sortir lorsqu'elles sont à l'état ouvert. Cependant, le passage du gaz peut être bloqué lorsqu'une fine couche de métal est déposée électriquement pour recouvrir les pores de la membrane. Le travail est décrit dans la revue Avancées scientifiques , dans un article du professeur T. Alan Hatton, post-doctorant Yayuan Liu, et quatre autres.

Ce nouveau mécanisme de "gaz gating" pourrait être appliqué à l'élimination continue du dioxyde de carbone d'une gamme de flux d'échappement industriels et de l'air ambiant, dit l'équipe. Ils ont construit un dispositif de validation de principe pour montrer ce processus en action.

L'appareil utilise un matériau absorbant le charbon actif redox, pris en sandwich entre deux membranes de déclenchement de gaz commutables. Le sorbant et les membranes de déclenchement sont en contact étroit l'un avec l'autre et sont immergés dans un électrolyte organique pour fournir un milieu permettant aux ions zinc de faire la navette d'avant en arrière. Ces deux membranes de déclenchement peuvent être ouvertes ou fermées électriquement en commutant la polarité d'une tension entre elles, provoquant la navette des ions de zinc d'un côté à l'autre. Les ions bloquent simultanément un côté, en formant un film métallique dessus, en ouvrant l'autre, en dissolvant son film.

Lorsque la couche de sorbant est ouverte du côté où s'écoulent les gaz résiduaires, le matériau absorbe facilement le dioxyde de carbone jusqu'à ce qu'il atteigne sa capacité. La tension peut alors être commutée pour bloquer le côté alimentation et ouvrir l'autre côté, où un flux concentré de dioxyde de carbone presque pur est libéré.

En construisant un système avec des sections de membrane alternées qui fonctionnent en phases opposées, le système permettrait un fonctionnement continu dans un environnement tel qu'un épurateur industriel. À n'importe quel moment, la moitié des sections absorberait le gaz tandis que l'autre moitié le relâcherait.

« Cela signifie que vous avez un flux d'alimentation entrant dans le système à une extrémité et le flux de produit sortant de l'autre dans un fonctionnement apparemment continu, " dit Hatton. " Cette approche évite de nombreux problèmes de processus " qui seraient impliqués dans un système multicolonne traditionnel, dans lequel les lits d'adsorption doivent alternativement être arrêtés, purgé, puis régénéré, avant d'être à nouveau exposé au gaz d'alimentation pour commencer le cycle d'adsorption suivant. Dans le nouveau système, les étapes de purge ne sont pas nécessaires, et les étapes se déroulent toutes proprement dans l'unité elle-même.

L'innovation clé des chercheurs consistait à utiliser la galvanoplastie comme moyen d'ouvrir et de fermer les pores d'un matériau. En cours de route, l'équipe a essayé diverses autres approches pour fermer de manière réversible les pores d'un matériau membranaire, comme l'utilisation de minuscules sphères magnétiques qui pourraient être positionnées pour bloquer les ouvertures en forme d'entonnoir, mais ces autres méthodes ne se sont pas avérées assez efficaces. Les films minces métalliques peuvent être particulièrement efficaces comme barrières aux gaz, et la couche ultrafine utilisée dans le nouveau système nécessite une quantité minimale de zinc, ce qui est abondant et bon marché.

"Il fait une couche de revêtement très uniforme avec une quantité minimale de matériaux, " dit Liu. Un avantage important de la méthode de galvanoplastie est qu'une fois que la condition est changée, que ce soit en position ouverte ou fermée, il ne nécessite aucun apport d'énergie pour maintenir cet état. L'énergie n'est nécessaire que pour revenir en arrière.

Potentiellement, un tel système pourrait apporter une contribution importante à la limitation des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, et même la capture directe dans l'air du dioxyde de carbone déjà émis.

Alors que l'équipe se concentrait initialement sur le défi de séparer le dioxyde de carbone d'un flux de gaz, le système pourrait en fait être adapté à une grande variété de procédés de séparation et de purification chimiques, dit Hatton.

« Nous sommes très enthousiasmés par le mécanisme de déclenchement. Je pense que nous pouvons l'utiliser dans une variété d'applications, dans différentes configurations, " dit-il. " Peut-être dans les dispositifs microfluidiques, ou peut-être pourrions-nous l'utiliser pour contrôler la composition du gaz pour une réaction chimique. Il y a beaucoup de possibilités différentes."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.