Une chercheuse de l'Université des sciences et technologies du Missouri et son équipe développent une technologie qui pourrait aider à protéger les astronautes de l'accumulation de dioxyde de carbone pendant le vol et à bord de la Station spatiale internationale.

Dr Fateme Rezaei, professeur adjoint de génie chimique et biochimique au Missouri S&T, et l'équipe a développé des "structures robustes" dans des configurations mécaniquement fortes qui sont comparables aux poudres en adsorbant le CO2. Leurs découvertes ont été rapportées dans l'American Chemical Society's Matériaux appliqués et interfaces publications en septembre 2016 et février 2017.

En plus d'assurer la sécurité des astronautes, la technologie peut améliorer la fiabilité et l'efficacité des systèmes actuels d'élimination du CO2. Les travaux pourraient également conduire au développement de systèmes d'adsorbants rentables et économes en énergie pour la purification d'autres flux de gaz. Les procédés de séparation des gaz industriels comprennent la purification du gaz naturel, séparation oléfine/paraffine et séparation hydrogène gazeux.

Dans l'étude publiée en septembre, L'équipe de Rezaei a fabriqué des monolithes de zéolite 13X et 5A imprimés en 3D avec de nouvelles structures - des nids d'abeilles en hachures croisées - pour capturer le CO2 de l'air. ("13X" et "5A" sont des noms commerciaux de deux types de matériaux de zéolite.)

Les résultats ont indiqué que les monolithes imprimés en 3D avec des charges élevées de zéolite présentent des capacités d'adsorption comparables à celles des sorbants en poudre, elle dit. Les capacités d'adsorption des monolithes 5A et 13X étaient de 1,59 et 1,60 millimole par gramme, respectivement, en utilisant 5, 000 ppm (0,5 pour cent) de CO2 dans l'azote à température ambiante.

Les expériences montrent une dynamique relativement rapide pour les structures monolithiques, dit Rezaei. Les monolithes de zéolite imprimés présentent une bonne stabilité mécanique qui peut éventuellement empêcher les problèmes d'attrition et de formation de poussière rencontrés dans les systèmes de conditionnement traditionnels de pastilles et de billes.

« La technique d'impression 3D offre une alternative, approche rentable et facile pour fabriquer des adsorbants structurés avec une structure accordable, propriétés chimiques et mécaniques pour une utilisation dans les procédés de séparation de gaz, " elle dit.

Dans l'étude publiée en février, l'équipe a ensuite fabriqué d'autres types de monolithes adsorbants de CO2 avec la même méthode d'impression 3D. Les monolithes ont été fabriqués en utilisant des amines supportées par de la silice (silice aminée). Cette classe de matériaux a montré des performances prometteuses dans la capture du CO2 des flux gazeux. Comme les zéolithes, Les adsorbants à base d'aminosilice imprimés en 3D présentaient des caractéristiques d'adsorption similaires à celles de leurs analogues en poudre.

La quantité de CO2 éliminée par chaque nid d'abeilles dépend de sa "capacité d'adsorption, " dit Rezaei, qui est défini comme une millimole de CO2 par kilogramme d'adsorbant. L'élimination du dioxyde de carbone par le monolithe est un processus cyclique, ce qui signifie qu'une fois qu'il est adsorbé et que le monolithe est saturé, il doit être chauffé pour éliminer le CO2 adsorbé pour démarrer le cycle suivant.

Ces approches sont très évolutives par rapport aux billes ou aux pastilles, dit Rezaei.

Pour les aminopolymères PEI et TEPA, l'extrusion directe des matériaux préfabriqués dans un monolithe s'est avérée être la meilleure façon de formuler ces adsorbants. Pour l'APS, la post-fonctionnalisation d'un monolithe de silice nu était une stratégie viable pour leur formulation.

« Plus de travail doit être fait afin d'optimiser davantage les conditions de pâte et d'impression pour cette classe de matériaux, " dit Rezaei. " Dans l'ensemble, sur la base de nos constatations, la technique d'impression 3D semble être une méthode prometteuse pour transformer des adsorbants à base d'amines en contacteurs pratiques, tels que les monolithes qui peuvent être facilement appliqués aux processus de séparation de gaz à grande échelle. »