Carte élémentaire collectée par microscopie électronique d'une section transversale fracturée d'une membrane hybride à fibres creuses d'un rayon d'environ 500 m. Les points verts indiquent les emplacements de l'oxyde métallique à l'intérieur de la membrane. Cette image montre que l'oxyde métallique s'infiltre dans toute la membrane. Crédit :Fengyi Zhang
Les fabricants de produits chimiques consomment une énorme quantité d'énergie chaque année pour séparer et raffiner les matières premières pour fabriquer une grande variété de produits, notamment de l'essence, plastiques et aliments.
Afin de réduire la quantité d'énergie utilisée dans les séparations chimiques, des chercheurs du Georgia Institute of Technology travaillent sur des membranes qui pourraient séparer les produits chimiques sans utiliser de processus de distillation énergivores.
"La grande majorité des séparations sur le terrain dans une variété d'industries sont des systèmes thermiques tels que la distillation, et à cause de cela, nous dépensons une quantité excessive d'énergie sur ces processus de séparation - quelque chose comme 10 à 15 pour cent du budget énergétique mondial est consacré aux séparations chimiques, " a déclaré Ryan Lively, professeur agrégé à la School of Chemical &Biomolecular Engineering de Georgia Tech. "Les séparations qui évitent l'utilisation de la chaleur et un changement de phase chimique sont beaucoup moins intenses en énergie. En pratique, les utiliser pourrait produire une réduction de 90 pour cent des coûts énergétiques. »
Les membranes en plastique sont déjà capables de séparer certaines molécules en fonction de la taille et d'autres différences, comme dans le dessalement de l'eau de mer. Mais jusqu'à maintenant, la plupart des membranes ont été incapables de résister à des flux chimiques agressifs riches en solvants tout en effectuant des tâches de séparation difficiles.
Dans une étude publiée le 18 juillet dans Chimie des Matériaux et parrainé par le ministère de la Défense et la National Science Foundation, les chercheurs décrivent un processus pour prendre une membrane à base de polymère et l'infuser avec un réseau d'oxyde métallique. La membrane résultante est beaucoup plus efficace pour résister aux produits chimiques agressifs sans se dégrader.
"Après avoir placé la membrane préfabriquée à l'intérieur de notre réacteur, nous l'exposons simplement à des vapeurs contenant du métal qui s'infusent à l'intérieur du matériau de la membrane, " a déclaré Mark Losego, professeur adjoint à l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux. "Ce processus est appelé infiltration en phase vapeur, et il crée un réseau uniforme d'oxyde métallique à travers la membrane polymère. Nous l'appelons une membrane « hybride ».
Ryan Lively, professeur agrégé à la Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering et Mark Losego, professeur adjoint à la School of Materials Science and Engineering Crédit :Rob Felt
Non seulement la membrane hybride était-elle mieux à même de résister aux solvants, ses capacités de séparation chimique se sont également améliorées.
"Certains produits chimiques qui doivent être séparés sont très similaires en termes de taille, forme et autres propriétés, ce qui les rend encore plus difficiles à traiter à l'aide de membranes, " Lively a déclaré. " Ces nouvelles membranes hybrides sont beaucoup plus sélectives. Ils peuvent séparer les produits chimiques qui sont plus similaires les uns aux autres. »
L'équipe de recherche, qui comprenait des étudiants diplômés Fengyi Zhang, Emily McGuinness et Yao Ma, testé les nouvelles membranes hybrides dans des produits chimiques agressifs tels que le tétrahydrofurane, dichlorométhane et chloroforme, des solvants organiques qui dissolvent la membrane polymère pure en quelques minutes. Les membranes hybrides sont restées stables pendant plusieurs mois lors des tests.
Les chercheurs ont également testé la séparation de deux produits chimiques de taille très proche. Les membranes hybrides étaient capables de différencier des molécules aromatiques dont la taille différait d'aussi peu que 0,2 nanomètre.
"L'une des choses les plus excitantes à propos de ce travail était la simplicité de ce processus du point de vue de la fabrication, " a déclaré Losego. "Nous prenons essentiellement des membranes préfabriquées et leur appliquons un traitement. C'est quelque chose qui serait très simple à traduire à l'échelle industrielle."
Les futures recherches sur les membranes consisteront à examiner comment affiner les infusions d'oxyde et créer de nouveaux types de membranes hybrides capables de séparer une variété d'autres produits chimiques.
