L'huile et l'eau sont notoirement réticentes à se mélanger complètement. Mais en les séparant complètement, par exemple, lors du nettoyage d'un déversement de pétrole ou de la purification de l'eau contaminée par la fracturation hydraulique - est un processus diablement difficile et inefficace qui repose souvent sur des membranes qui ont tendance à se boucher, ou "encrassé".

Une nouvelle technique d'imagerie développée au MIT pourrait fournir un outil pour développer de meilleurs matériaux de membrane capables de résister ou d'empêcher l'encrassement. Le nouveau travail est décrit dans la revue Matériaux appliqués et interfaces , dans un article des étudiants diplômés du MIT Yi-Min Lin et Chen Song et du professeur de génie chimique Gregory Rutledge.

Le nettoyage des eaux usées huileuses est nécessaire dans de nombreuses industries, y compris le raffinage du pétrole, préparation des aliments, et finitions métalliques, et les déchets non traités peuvent être dommageables pour les écosystèmes aquatiques. Les méthodes d'élimination des contaminants huileux varient, en fonction des quantités relatives d'huile et d'eau et de la taille des gouttelettes d'huile. Lorsque l'huile est émulsionnée, la méthode de nettoyage la plus efficace est l'utilisation de membranes qui filtrent les minuscules gouttelettes d'huile, mais ces membranes sont rapidement encrassées par les gouttelettes et nécessitent un nettoyage fastidieux.

Mais le processus d'encrassement est très difficile à observer, rendant difficile l'évaluation des avantages relatifs des différents matériaux et architectures pour les membranes elles-mêmes. La nouvelle technique développée par l'équipe du MIT pourrait rendre de telles évaluations beaucoup plus faciles à réaliser, disent les chercheurs.

Ces membranes de filtration "ont tendance à être très difficiles à regarder à l'intérieur, " Rutledge dit. " Il y a beaucoup d'efforts pour développer de nouveaux types de membranes, mais quand ils sont mis en service, vous voulez voir comment ils interagissent avec l'eau contaminée, et ils ne se prêtent pas à un examen facile. Ils sont généralement conçus pour occuper autant de surface de membrane que possible, et pouvoir regarder à l'intérieur est très difficile."

La solution qu'ils ont développée utilise la microscopie confocale à balayage laser, une technique dans laquelle deux lasers sont balayés à travers le matériau, et au point de croisement des deux faisceaux, un matériau marqué d'un colorant fluorescent brillera. Dans leur approche, l'équipe a introduit deux colorants fluorescents, un pour marquer la matière huileuse dans le fluide, l'autre pour marquer les fibres dans la membrane de filtration. La technique permet au matériau d'être balayé non seulement à travers la zone de la membrane, mais aussi dans la profondeur de la matière, couche par couche, pour construire une image 3D complète de la façon dont les gouttelettes d'huile sont dispersées dans la membrane, qui dans ce cas est composé d'un réseau de fibres microscopiques.

La méthode de base a été utilisée dans la recherche biologique, observer des cellules et des protéines dans un échantillon, Rutledge explique, mais il n'a pas été beaucoup appliqué à l'étude des matériaux membranaires, et jamais avec l'huile et les fibres étiquetées. Dans ce cas, les chercheurs observent des gouttelettes dont la taille varie d'environ 10 à 20 microns (millionièmes de mètre), jusqu'à quelques centaines de nanomètres (milliardièmes de mètre).

Jusqu'à maintenant, il dit, "les méthodes d'imagerie des espaces poreux dans les membranes étaient assez grossières." Pour la plupart, les caractéristiques des pores ont été déduites en mesurant les débits et les changements de pression à travers le matériau, ne donnant aucune information directe sur la façon dont la matière huileuse s'accumule réellement dans les pores. Avec le nouveau processus, il dit, "maintenant vous pouvez réellement mesurer la géométrie, et construire un modèle tridimensionnel et caractériser le matériau en détail. Donc, ce qui est nouveau maintenant, c'est que nous pouvons vraiment regarder comment la séparation a lieu dans ces membranes."

En faisant cela, et en testant les effets en utilisant différents matériaux et différentes dispositions des fibres, « cela devrait nous permettre de mieux comprendre ce qu'est réellement l'encrassement, " dit Rutledge.

L'équipe a déjà démontré que l'interaction entre l'huile et la membrane peut être très différente selon le matériau utilisé. Dans certains cas, l'huile forme de minuscules gouttelettes qui fusionnent progressivement pour former des gouttes plus grosses, tandis que dans d'autres cas, l'huile s'étale en une couche le long des fibres, un processus appelé mouillage. "L'espoir est qu'avec une meilleure compréhension du mécanisme de l'encrassement, les gens pourront passer plus de temps sur les techniques qui ont le plus de chances de réussir" à limiter cet encrassement, dit Rutledge.

La nouvelle méthode d'observation a des applications claires pour les ingénieurs essayant de concevoir de meilleurs systèmes de filtration, il dit, mais il peut également être utilisé pour la recherche sur la science fondamentale de la façon dont les fluides mélangés interagissent. "Maintenant, nous pouvons commencer à réfléchir à une science fondamentale sur l'interaction entre les écoulements liquides diphasiques et les milieux poreux, " dit-il. " Maintenant, vous pouvez développer des modèles détaillés" du processus.

Et les informations détaillées sur les performances de différentes structures ou chimies pourraient faciliter la conception de types spécifiques de membranes pour différentes applications, selon les types de contaminants à éliminer, les tailles typiques des gouttelettes dans ces contaminants, etc. « Dans la conception des membranes, ce n'est pas une taille unique, " dit-il. " Potentiellement, vous pouvez avoir différents types de membranes pour différents effluents. "

La méthode pourrait également être utilisée pour observer la séparation de différents types de mélanges, telles que des particules solides dans un liquide, ou une situation inverse où l'huile est dominante et la membrane est utilisée pour filtrer les gouttelettes d'eau, comme dans un système de filtration de carburant, dit Rutledge.

"Quand j'ai lu son article en profondeur, J'ai été impressionné par la façon dont Greg utilise l'imagerie 3D pour comprendre le processus complexe d'encrassement des membranes utilisées pour les émulsions huile-eau, " dit William J. Koros, la chaire Roberto C. Goizueta pour l'excellence en génie chimique et l'éminent chercheur GRA en membranes au Georgia Institute of Technology, qui n'a pas participé à cette recherche.

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.