Il existe des dizaines de technologies prometteuses en cours de développement qui peuvent réduire la consommation d'énergie ou capturer le carbone dans des domaines tels que la biotechnologie, l'informatique, nanotechnologie, la science des matériaux, et plus. Tout ne sera pas réalisable, mais avec un peu de financement et de soutien, beaucoup pourraient aider à résoudre le grand défi de la planète.

Une telle solution émerge des nouvelles approches des procédés de séparation industrielle. Au département de génie chimique du MIT, Le professeur Zachary Smith travaille sur de nouvelles membranes polymères qui peuvent réduire considérablement la consommation d'énergie dans les séparations chimiques. Il mène également des recherches à plus long terme sur l'amélioration des membranes polymères avec des structures métal-organiques (MOF) à l'échelle nanométrique.

« Non seulement nous fabriquons et analysons des matériaux à partir du principe fondamental du transport, thermodynamique et réactivité, mais nous commençons à utiliser ces connaissances pour créer des modèles et concevoir de nouveaux matériaux avec des performances de séparation jamais atteintes auparavant, "                                                                                                   en effet, et ce qui fera une différence dans la société."

Smith consulte souvent des experts de l'industrie qui partagent leurs points de vue sur les technologies de séparation. Avec l'accord de Paris sur le climat de 2015 tenant jusqu'à présent, malgré le retrait des États-Unis, les industries chimiques et pétrochimiques où Smith se concentre principalement commencent à ressentir la pression de réduire les émissions. L'industrie cherche également à réduire les coûts. Les tours de chauffage et de refroidissement utilisées pour les séparations nécessitent une énergie considérable, et sont coûteux à construire et à entretenir.

Les processus industriels utilisés dans les industries chimiques et pétrochimiques consomment à eux seuls entre un quart et un tiers de l'énergie totale aux États-Unis, et les séparations représentent environ la moitié de cela, dit Smith. Environ la moitié de la consommation d'énergie des séparations provient de la distillation, un processus qui nécessite une chaleur extrême, ou dans le cas d'une distillation cryogénique, refroidissement extrême encore plus énergivore.

"Il faut beaucoup d'énergie pour faire bouillir et rebouillir des mélanges, et c'est encore plus inefficace car cela nécessite des changements de phase, " dit Smith. " La technologie de séparation par membrane pourrait éviter ces changements de phase et utiliser beaucoup moins d'énergie. Les polymères peuvent être rendus sans défaut, et vous pouvez les lancer en sélectif, Des films minces de 100 nanomètres d'épaisseur qui pourraient couvrir un terrain de football."

De nombreux obstacles qui se dressent sur le chemin, toutefois. Les séparations membranaires ne sont utilisées que dans une infime fraction des procédés industriels de séparation des gaz car les membranes polymères « sont souvent inefficaces, et ne peut pas égaler les performances de la distillation, " dit Smith. " Les membranes actuelles ne fournissent pas assez de débit - appelé flux - pour les applications à haut volume, et ils sont souvent chimiquement et physiquement instables lorsqu'ils utilisent des flux d'alimentation plus agressifs."

Bon nombre de ces problèmes de performance découlent du fait que les polymères ont tendance à être amorphes, ou entropiquement désordonné. "Les polymères sont faciles à traiter et à former en géométries utiles, mais l'espacement où les molécules peuvent se déplacer à travers les membranes polymères change avec le temps, " dit Smith. " Il est difficile de contrôler leur volume libre interne poreux. "

Les séparations les plus exigeantes nécessitent une taille sélective entre les molécules de seulement une fraction d'angström. Pour relever ce défi, le Smith Lab tente d'ajouter des caractéristiques à l'échelle nanométrique et des fonctionnalités chimiques aux polymères pour obtenir des séparations plus fines. Les nouveaux matériaux peuvent « s'imprégner d'un type de molécule et en rejeter un autre, " dit Smith.

Pour créer des membranes polymères avec un débit et une sélectivité plus élevés, L'équipe de Smith utilise de nouveaux polymères développés dans les laboratoires du MIT qui peuvent réagir à une structure ordonnée par modèle dans une structure désordonnée traditionnelle, polymères amorphes. Comme il l'explique, « Nous les traitons ensuite de manière post-synthétique de manière à créer des modèles dans des poches de taille nanométrique qui créent des voies de diffusion. »

Alors que le Smith Lab a connu le succès avec bon nombre de ces techniques, atteindre le flux requis pour les applications à haut volume est toujours un défi. Le problème est compliqué par le fait qu'il existe plus de 200 types différents de procédés de séparation par distillation utilisés par l'industrie chimique et pétrochimique. Pourtant, cela peut aussi être un avantage lorsqu'on essaie d'introduire une nouvelle technologie :les chercheurs peuvent chercher un créneau au lieu d'essayer de changer l'industrie du jour au lendemain.

"Nous recherchons des cibles où nous aurions le plus d'impact, " dit Smith. "Notre technologie membranaire a l'avantage d'offrir une empreinte beaucoup plus petite, vous pouvez donc les utiliser dans des endroits éloignés ou sur des plates-formes pétrolières offshore."

En raison de leur petite taille et de leur poids, des membranes sont déjà utilisées dans les avions pour séparer l'azote de l'air. L'azote est ensuite utilisé pour recouvrir le réservoir de carburant afin d'éviter des explosions comme celle qui a fait tomber le vol TWA 800 en 1996. Des membranes ont également été utilisées pour éliminer le dioxyde de carbone dans des puits de gaz naturel éloignés, et ont trouvé une niche dans quelques applications pétrochimiques plus importantes telles que l'élimination de l'hydrogène.

Smith vise à se développer dans des applications qui utilisent généralement des tours de distillation cryogénique, qui nécessitent une énergie immense pour produire un froid extrême. Dans l'industrie pétrochimique, ceux-ci incluent l'éthylène-éthane, azote-méthane, et séparations d'air. De nombreux produits de consommation en plastique sont fabriqués à partir d'éthylène, la réduction des coûts énergétiques lors de la fabrication pourrait donc générer d'énormes avantages.

"Avec la distillation cryogénique, vous devez non seulement séparer les molécules de taille similaire, mais aussi dans les propriétés thermodynamiques, " dit Smith. " Les colonnes de distillation peuvent mesurer 200 ou 300 pieds de haut avec des débits très élevés, les trains de séparation peuvent donc coûter jusqu'à des milliards de dollars. L'énergie nécessaire pour faire le vide et faire fonctionner les systèmes à -120 degrés Celsius est énorme."

D'autres applications potentielles pour les membranes polymères incluent "la recherche d'autres moyens d'éliminer le CO2 de l'azote ou du méthane ou la séparation de différents types de paraffines ou de matières premières chimiques, " dit Smith.

La capture et la séquestration du carbone sont également sur le radar. « S'il y avait aujourd'hui un moteur économique pour capter le CO2, le captage du carbone serait la plus grande application en volume pour les membranes d'un facteur 10, " dit-il. " Nous pourrions fabriquer un matériau semblable à une éponge qui absorberait le CO2 et le séparerait efficacement afin que vous puissiez le pressuriser et le stocker sous terre. "

Un défi lors de l'utilisation de membranes polymères dans les séparations de gaz est que les polymères sont généralement constitués d'hydrocarbures. "Si vous avez le même type de composants hydrocarbonés dans votre polymère que vous avez dans le flux d'alimentation que vous essayez de séparer, le polymère peut gonfler ou se dissoudre ou perdre ses performances de séparation, " dit Smith. "Nous cherchons à introduire des composants non à base d'hydrocarbures tels que le fluor dans les polymères afin que la membrane interagisse mieux avec les mélanges à base d'hydrocarbures."

Smith expérimente également l'ajout de MOF aux polymères. MOF, qui sont formés en liant ensemble des ions métalliques ou des amas métalliques avec un lieur organique, peut non seulement résoudre le problème des hydrocarbures, mais aussi le problème du trouble entropique.

"Les MOF vous permettent d'en former un, deux, ou des structures cristallines tridimensionnelles poreuses en permanence, " dit Smith. " Une cuillère à café de MOF a une surface interne d'un terrain de football, vous pouvez donc penser à fonctionnaliser les surfaces internes des MOF pour se lier sélectivement à ou rejeter certaines molécules. Vous pouvez également définir la forme et la géométrie des pores pour permettre à une molécule de passer tandis qu'une autre est rejetée."

Contrairement aux polymères, Les structures MOF ne changeront généralement pas de forme, les pores sont donc beaucoup plus persistants dans le temps. En outre, "ils ne se dégradent pas comme certains polymères par un processus appelé vieillissement, " dit Smith. " Le défi est de savoir comment incorporer des matériaux cristallins dans un processus où vous pouvez les fabriquer sous forme de films minces. Une approche que nous adoptons consiste à disperser les MOF dans des polymères sous forme de nanoparticules. Cela vous permettrait d'exploiter l'efficacité et la productivité des MOF tout en maintenant la capacité de traitement du polymère. »

L'un des avantages potentiels de l'introduction de membranes polymères améliorées par MOF est l'intensification des procédés :regrouper différents procédés de séparation ou catalytiques en une seule étape pour obtenir une plus grande efficacité. "Vous pouvez penser à combiner un type de matériau MOF qui pourrait séparer un mélange gazeux et permettre au mélange de subir une réaction catalytique en même temps, " dit Smith. "Certains MOF peuvent également agir comme agents de réticulation. Au lieu d'utiliser des polymères directement réticulés entre eux, vous pouvez avoir des liens entre des particules de MOF dispersées dans une matrice polymère, ce qui créerait plus de stabilité pour les séparations."

En raison de leur nature poreuse, Les MOF peuvent potentiellement être utilisés pour « capturer l'hydrogène, méthane, voire dans certains cas du CO2, " dit Smith. " Vous pouvez obtenir une absorption très élevée si vous créez le bon type de structure semblable à une éponge. C'est un défi, cependant, pour trouver des matériaux qui lient sélectivement l'un de ces composants à très haute capacité."

Une application similaire pour les MOF serait le stockage d'hydrogène ou de gaz naturel pour alimenter une voiture. "L'utilisation d'un matériau poreux dans votre réservoir de carburant vous permettrait de contenir plus d'hydrogène ou de méthane, " dit Smith.

Smith prévient que la recherche du MOF pourrait prendre des décennies avant de porter ses fruits. La recherche sur les polymères de son laboratoire, cependant, est beaucoup plus loin, avec des solutions commerciales attendues dans les cinq à 10 prochaines années.

"Cela pourrait changer la donne, " il dit.

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.