Le gaz naturel et le biogaz sont devenus des sources d'énergie de plus en plus populaires dans le monde ces dernières années, grâce à leur processus de combustion plus propre et plus efficace par rapport au charbon et au pétrole.

Cependant, la présence de contaminants tels que le dioxyde de carbone dans le gaz signifie qu'il doit d'abord être purifié avant de pouvoir être brûlé comme combustible.

Les procédés traditionnels de purification du gaz naturel impliquent généralement l'utilisation de solvants toxiques et sont extrêmement énergivores.

Par conséquent, les chercheurs ont étudié l'utilisation de membranes comme moyen d'éliminer les impuretés du gaz naturel d'une manière plus rentable et plus respectueuse de l'environnement, mais trouver un matériau polymère capable de séparer les gaz rapidement et efficacement s'est jusqu'à présent avéré un défi.

Maintenant, dans un article publié aujourd'hui dans la revue Matériaux avancés , des chercheurs du MIT décrivent un nouveau type de membrane polymère qui peut considérablement améliorer l'efficacité de la purification du gaz naturel tout en réduisant son impact environnemental.

La membrane, qui a été conçu par une équipe de recherche interdisciplinaire au MIT, est capable de traiter le gaz naturel beaucoup plus rapidement que les matériaux conventionnels, selon l'auteur principal Yuan He, un étudiant diplômé du département de chimie du MIT.

"Notre conception peut traiter beaucoup plus de gaz naturel - en éliminant beaucoup plus de dioxyde de carbone - en moins de temps, " Il dit.

Les membranes existantes sont généralement fabriquées à l'aide de brins linéaires de polymère, dit Zachary Smith, le Joseph R. Mares Career Development Professor of Chemical Engineering au MIT, qui a dirigé cet effort de recherche.

"Ce sont des polymères à longue chaîne, qui ressemblent à des nouilles spaghetti cuites au niveau moléculaire, " dit-il. " Vous pouvez rendre ces nouilles spaghetti cuites plus rigides, et ce faisant, vous créez des espaces entre les nouilles qui modifient la structure de l'emballage et l'espacement à travers lequel les molécules peuvent s'infiltrer. »

Cependant, ces matériaux ne sont pas suffisamment poreux pour permettre aux molécules de dioxyde de carbone de les traverser à une vitesse suffisamment rapide pour rivaliser avec les procédés de purification existants.

Au lieu d'utiliser de longues chaînes de polymères, les chercheurs ont conçu des membranes dont les mèches ressemblent à des brosses à cheveux, avec de minuscules poils sur chaque brin. Ces poils permettent aux polymères de séparer les gaz beaucoup plus efficacement.

"Nous avons une nouvelle stratégie de conception, où l'on peut régler les poils de la brosse à cheveux, ce qui nous permet d'accorder précisément et systématiquement le matériel, " Smith dit. " Ce faisant, nous pouvons créer des espacements subnanométriques précis, et permettre les types d'interactions dont nous avons besoin, pour créer des membranes sélectives et hautement perméables."

Dans les expériences, la membrane a pu résister à des pressions d'alimentation en dioxyde de carbone sans précédent jusqu'à 51 bars sans subir de plastification, rapportent les chercheurs. Cela se compare à environ 34 bars pour les matériaux les plus performants. La membrane est également 2, 000 -7, 000 fois plus perméable que les membranes traditionnelles, selon l'équipe.

Depuis les chaînes latérales, ou "soies, " peut être préconçu avant d'être polymérisé, il est beaucoup plus facile d'incorporer une gamme de fonctions dans le polymère, selon Francesco Benedetti, un étudiant diplômé invité au sein du laboratoire de recherche de Smith au Département de génie chimique du MIT.

La recherche comprenait également Timothy Swager, le professeur de chimie John D. MacArthur, et Troy Van Voorhis, le professeur de chimie Haslam et Dewey, Hong-Zhou Ye et Sharon Lin, étudiants diplômés du MIT, M. Grazia DeAngelis à l'Université de Bologne, et Chao Liu et Yanchuan Zhao à l'Académie chinoise des sciences.

"Les performances du matériau peuvent être ajustées en apportant des modifications très subtiles aux chaînes latérales, ou des pinceaux, que nous préconçuons, " dit Benedetti. " C'est très important, car cela nous permet de cibler des applications très différentes, juste en faisant des changements très subtils."

Quoi de plus, les chercheurs ont découvert que leurs polymères pour brosses à cheveux sont mieux à même de résister à des conditions qui entraîneraient la défaillance d'autres membranes.

Dans les membranes existantes, les brins de polymère à longue chaîne se chevauchent, coller ensemble pour former des films à l'état solide. Mais avec le temps, les brins de polymère glissent les uns sur les autres, créant une instabilité physique et chimique.

Dans la nouvelle conception de la membrane, en revanche, les poils en polymère sont tous reliés par un brin à longue chaîne, qui fait office de colonne vertébrale. Par conséquent, les poils individuels sont incapables de bouger, créant un matériau de membrane plus stable.

Cette stabilité confère au matériau une résistance sans précédent à un processus appelé plastification, dans lequel les polymères gonflent en présence de charges agressives telles que le dioxyde de carbone, dit Smith.

"Nous avons vu une stabilité que nous n'avons jamais vue auparavant dans les polymères traditionnels, " il dit.

L'utilisation de membranes polymères pour la séparation des gaz offre une efficacité énergétique élevée, impact environnemental minimal, et un fonctionnement simple et continu, mais les matériaux commerciaux existants ont une faible perméance et une sélectivité modérée, les rendant moins compétitifs que d'autres procédés plus énergivores, dit Yan Xia, professeur assistant de chimie à l'Université de Stanford, qui n'a pas participé à la recherche.

"Les membranes de ces polymères présentent une perméance très élevée pour plusieurs gaz industriellement importants, " dit Xia. " Plus loin, ces polymères présentent peu de plastification indésirable lorsque la pression du gaz augmente, malgré leur épine dorsale relativement flexible, ce qui en fait des matériaux souhaités pour les séparations liées au dioxyde de carbone. »

Les chercheurs envisagent maintenant de mener une étude systématique de la chimie et de la structure des brosses, pour étudier comment cela affecte leur performance, Il dit.

"Nous recherchons la chimie et la structure les plus efficaces pour aider le processus de séparation."

L'équipe espère également étudier l'utilisation de leurs conceptions de membranes dans d'autres applications, y compris le captage et le stockage du carbone, et même dans la séparation des liquides.