Dans l'expérience, les chercheurs ont d'abord trempé une membrane polymère hydrophobe dans de l'acide tannique (TA), un polyphénol commun. Puis, la membrane séchée revêtue par immersion de TA est chargée dans le réacteur de dépôt de couche atomique (ALD) pour être revêtue de dioxyde de titane en utilisant les précurseurs tétrachlorure de titane et de l'eau (TiCl4 et H2O). Les membranes enduites présentent un encrassement minimal lors du traitement huile-dans-eau. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
De nombreux procédés industriels reposent sur des membranes minces qui peuvent nettoyer l'eau, par exemple, en filtrant les impuretés. Dans les années récentes, une technique appelée dépôt de couche atomique (ALD) a été utilisée pour ajuster ces membranes pour de meilleures performances, mais il y a un hic :beaucoup d'entre eux sont fabriqués à partir de matériaux qui ne sont pas compatibles avec ALD, un processus utilisant des vapeurs chimiques alternées pour créer des couches très minces sur une surface.
Une nouvelle méthode développée par une équipe comprenant des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) rend l'ALD possible sur presque toutes les membranes. Les chercheurs ont découvert une solution étonnamment simple :tremper d'abord les membranes dans de l'acide tannique. Les molécules d'acide collent à la surface de la membrane, fournissant des sites de nucléation ou des points où un revêtement ALD peut s'installer et se développer.
La possibilité d'utiliser cette technique sur des matériaux de membrane généralement résistants permet une variété d'améliorations potentielles qui pourraient améliorer la fonctionnalité et la durabilité, ou créer de toutes nouvelles propriétés. Le travail est détaillé dans l'article "Polyphenol-Sensitized Atomic Layer Deposition for Membrane Interface Hydrophilization, " qui a été récemment publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .
De nombreuses membranes commerciales sont fabriquées à partir de plastiques courants tels que le polypropylène et le polyéthylène, qui sont bon marché et relativement robustes. Mais lorsqu'il est utilisé pour traiter l'eau, ces membranes à base de polymère ont tendance à poser des problèmes. Leurs surfaces sont sujettes à l'encrassement, où les contaminants s'accumulent dans leurs pores et réduisent l'efficacité.
Avec ALD, un processus courant dans l'industrie des semi-conducteurs, les membranes peuvent être modifiées pour résister à l'encrassement ou prendre d'autres propriétés souhaitables. Les molécules déposées à la surface peuvent se frayer un chemin à travers le réseau tortueux de pores d'une membrane pour trouver toutes les surfaces à l'intérieur, créant un revêtement exceptionnellement uniforme.
Une photo montre l'alimentation en pétrole brut dans l'eau dans son état initial et le perméat propre qui sort après avoir traversé la membrane traitée ALD, un processus qui a été effectué trois fois successives. La membrane a été simplement rincée à l'eau après chaque cycle de filtration. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
"ALD, en principe, c'est super, " dit Seth Darling, co-auteur de l'étude et directeur du Centre de recherche sur les matériaux avancés pour les systèmes énergie-eau (AMEWS) d'Argonne. "Le défi est que la plupart des polymères utilisés pour fabriquer des membranes ne se prêtent pas à un revêtement avec de l'ALD."
Dans l'étude, un prétraitement à l'acide tannique a permis de revêtir une membrane polymère résistante à l'eau de dioxyde de titane, transformer sa surface pour devenir hydrophile (aimant l'eau) à la place. La couche attirant l'eau crée un tampon protecteur contre l'encrassement.
Le centre AMEWS, qui est financé par le Bureau des sciences du DOE, a soutenu le travail dans le cadre d'un effort plus large pour comprendre et contrôler ce qui se passe à l'interface entre l'eau et les matériaux solides. Une telle compréhension est essentielle pour améliorer la façon dont nous traitons et utilisons l'eau.
Autrefois, Les chercheurs d'Argonne ont exploité le fait que certains polymères sont inhospitaliers à l'ALD en créant une membrane "Janus" à deux faces, avec un revêtement d'oxyde métallique complet sur le dessus de la membrane et aucun de l'autre côté. Cette dernière étude est la première fois que des scientifiques sont capables de sensibiliser complètement et uniformément une membrane à l'ALD à l'aide d'un prétraitement non destructif.
Argonne développe des méthodes de mise à l'échelle d'ALD et d'autres capacités d'ingénierie d'interface afin que ces méthodes puissent être évaluées à grande échelle, applications industrielles. « Nous utilisons actuellement des réacteurs à l'échelle du laboratoire pour ces études de recherche, mais nous construisons des outils pour un traitement ALD efficace des substrats de grande surface. Cela permettra de tester à l'échelle pilote nos matériaux ALD, " a déclaré Jeffrey Elam, chimiste senior à Argonne et co-auteur de l'étude.
La nouvelle méthode pourrait potentiellement fonctionner non seulement avec l'acide tannique, mais aussi avec n'importe quel polyphénol liquide et aussi avec n'importe quelle membrane polymère, ce qui ouvre un grand nombre de possibilités au-delà de la preuve de concept décrite dans l'article. En plus des revêtements attirant l'eau ou résistants à l'eau, L'ALD peut être utilisé pour créer des matériaux chimiquement réactifs ou électriquement conducteurs.
"Il existe toute une bibliothèque de choses que vous pouvez faire avec ALD, " Darling a déclaré. « Cette technique ouvre maintenant cette bibliothèque pour les membranes polymères. »
