C'est une expression populaire utilisée pour décrire les gens, des choses, et des idées qui ne font pas bon ménage — "comme l'huile et l'eau". Sauf que ce n'est pas tout à fait vrai. L'huile et l'eau peuvent se mélanger, et peut être très difficile à séparer complètement une fois réunis. Pensez aux déversements d'hydrocarbures dans l'environnement ou au traitement des eaux usées, et vous réalisez rapidement que séparer l'huile indésirable pour restaurer l'eau à un état naturel ou pur peut être une tâche monumentale.

Dans un document de recherche publié le 22 mars – Journée mondiale de l'eau désignée par les Nations Unies – des ingénieurs et des physiciens de Tufts décrivent comment ils ont conçu une membrane à faible coût capable de filtrer rapidement l'huile des mélanges d'eau et d'huile sans que la membrane ne s'encrasse.

Les progrès de la science des matériaux pourraient changer la donne dans la lutte contre la pollution. Il est bien connu que l'eau contaminée par le pétrole peut avoir des effets nocifs à long terme sur la faune et l'environnement. Les stratégies actuelles pour atténuer ces dommages comprennent la combustion de l'huile sur place ou l'utilisation de dispositifs mécaniques, tels que les barrages, écumoires, ou matériau absorbant, pour aider à nettoyer le désordre. En pratique ces méthodes sont chères et peu efficaces, en particulier pour nettoyer les grandes marées noires.

« La filtration est un simple, méthode de traitement de l'eau économe en énergie, et pourrait être un moyen efficace de nettoyer ces déversements de pétrole, " dit Ayse Asatekin, professeur assistant à la Tufts School of Engineering et auteur correspondant de l'étude, publié dans la revue ACS Applied Polymer Materials. « Une membrane de séparation est relativement peu coûteuse et réutilisable, et la technologie de nettoyage couvre une petite empreinte. Grâce à notre collaboration, nous avons développé un nouveau matériau filtrant qui peut effectuer la séparation et maintenir un débit élevé sans être encrassé par l'accumulation d'huile."

Heureusement, la nature fournit quelques exemples de matériaux qui interagissent très différemment avec l'eau et l'huile. "Prenez la feuille de lotus, par exemple, " a déclaré Ilin Sadeghi, un étudiant diplômé en génie du laboratoire d'Asatekin et premier auteur de l'étude. "La surface de la feuille est hydrophobe, ce qui signifie qu'il retient l'eau si efficacement que la feuille ne se mouille jamais - l'eau ne fait que perler à la surface. Mais c'est aussi très oléophile - si nous plaçons un liquide organique comme de l'huile à la surface, il se propage rapidement à travers la feuille. En modelant sur la nature, nous pouvons concevoir la chimie de surface et la morphologie pour rendre hydrofuge, matériaux filtrants super-oléophiles."

La feuille de lotus atteint son double comportement avec une combinaison d'une chimie de surface cireuse et d'une texture nanostructurée sur la surface. La surface texturée emprisonne l'air dans de minuscules poches, rendant difficile le contact de l'eau avec la feuille en raison de la tension superficielle élevée de l'eau, formant des gouttelettes. La création d'une membrane filtrante pourrait utiliser une combinaison similaire de chimie de surface et de texture pour séparer l'huile de l'eau.

Rejoint par le professeur Peggy Cebe et l'étudiante diplômée Nelaka Govinna au département de physique et d'astronomie de Tufts, l'équipe de recherche a créé un matériau qui combinait une chimie hydrofuge et une texture à l'aide d'une technique appelée électrofilage.

Govinna, qui a fabriqué les membranes de filtration, explique l'électrofilage comme une technique qui crée un flux liquide de polymère chargé électriquement émergeant d'une aiguille très étroite. Comme il s'écoule de l'aiguille, le polymère sèche en fil fin et se dépose de manière aléatoire sur la surface cible, créer un non-tissé, nappe poreuse de fibres.

Le polymère qu'ils utilisaient était une chaîne chimique entourée d'atomes de fluor, qui lui confèrent des propriétés hydrofuges, tandis que le tissage aléatoire emprisonne l'air comme la feuille de lotus pour aider à minimiser la pénétration de l'eau. Par contre, des substances huileuses et organiques s'écoulent sur le polymère fluoré et à travers la membrane.

« Nous avons créé ce matériau de membrane en mélangeant une matrice polymère commune utilisée dans les filtres – le fluorure de polyvinylidène ou PVDF – avec un polymère fonctionnel ; nous l'appelons PFDMA, " a déclaré Cebe. "Nous pouvons changer le comportement de la membrane filtrante en changeant le polymère fonctionnel."

Dans ce cas, le type de polymère fonctionnel a fourni aux membranes des propriétés idéales :l'huile et les produits chimiques organiques traversent rapidement la membrane, jusqu'à dix-sept fois plus rapide que la membrane PVDF sans additif, tandis que l'eau est retenue.

Les membranes dégraissantes PVDF-PFDMA, qui laissent passer l'huile et les solvants organiques, ne s'encrassent pas comme les membranes d'élimination d'eau ont tendance à le faire, et pourrait donc être appliqué à long terme, applications à l'échelle industrielle. L'utilisation de différents polymères additifs pourrait ajuster les propriétés du filtre pour différentes applications, du nettoyage des déversements de pétrole à la purification de l'eau.