Des membranes ultra-fines conçues pour séparer des molécules spécifiques des liquides pourraient améliorer l'efficacité du raffinage du pétrole et de la fabrication pharmaceutique.

Filtrage des solvants organiques—liquides à base de carbone, comme les huiles et les alcools, qui dissolvent d'autres substances - est crucial pour le pétrole, entreprises chimiques et pharmaceutiques qui doivent constamment créer le produit le plus pur.

Techniques d'extraction traditionnelles, comme la distillation, utiliser de grandes quantités d'énergie, et alternatives vertes émergentes, comme les membranes, faire face à d'autres défis. Par exemple, les matériaux poreux doivent résister à des solvants souvent très réactifs tout en filtrant les molécules cibles d'une taille et d'une forme particulières. Certaines membranes très efficaces sont disponibles pour séparer le sel de l'eau dans le dessalement de l'eau de mer, mais ils ne sont pas aussi efficaces pour séparer les plus petits, molécules très similaires dans les solvants organiques.

Une équipe dirigée par des chercheurs de KAUST a créé une membrane poreuse ultrafine à l'aide de blocs de construction moléculaires soigneusement conçus, connu sous le nom de trianglamines. "Vous pouvez l'imaginer comme LEGO, " explique Suzana Nunes, professeur de sciences et d'ingénierie chimiques et environnementales, "où vous prenez des triangles creux préformés et les assemblez ensemble dans un film plat." En définissant d'abord la taille des pores et la charge électrique de ces molécules triangulaires, ils ont ensuite créé une membrane capable de séparer des molécules de différentes tailles et formes.

L'épaisseur de la membrane est également critique pour l'efficacité de filtrage. "Pour une filtration plus rapide, le film doit être le plus fin possible pour éviter une résistance inutile au passage du solvant, " dit Nunes. Pour y parvenir, ils ont séparé les deux ingrédients principaux (le chlorure de téréphtaloyle et les trianglamines préformées) en deux fluides différents qui ne se mélangent pas (huile et eau, respectivement), forçant la réaction à se produire uniquement à l'interface où les fluides se sont rencontrés. "Nous avons trouvé que cela formait une couche extrêmement mince de quelques nanomètres, " dit Tiefan Huang, l'auteur principal, "beaucoup plus minces que les membranes commerciales courantes préparées de cette manière." Chaque film mesurait entre 3,5 et 10 nanomètres, en fonction de la durée de la réaction.

L'équipe a testé leurs membranes sur des colorants colorés avec des tailles moléculaires similaires mais distinctes. Toutes leurs membranes ont filtré au moins 90 pour cent des molécules de couleur pesant plus de 450 grammes par mole, surpassant de loin certaines des autres membranes testées. « Les performances des membranes ne se sont pas dégradées après 48 heures de filtration continue, " ajoute Huang. Et ils ont même résisté à l'exposition à des substances plus dures, y compris l'acétone et le méthanol.

"La purification moléculaire pour les produits pharmaceutiques peut impliquer de nombreuses étapes, " explique Nunes. " Des membranes plus sélectives et robustes comme la nôtre peuvent simplifier le processus, le rendant plus rentable. Les machines que nous avons utilisées sont déjà largement utilisées dans l'industrie des membranes, " Elle ajoute, « donc il peut être facilement mis à l'échelle pour la fabrication. »

Les membranes de cette étude ont été spécialement conçues pour des molécules d'environ 400 grammes par mole. « Nous travaillerons ensuite sur un portefeuille de blocs de construction afin de pouvoir fabriquer des membranes permettant de sélectionner des molécules de formes et de tailles différentes, " dit Nunes, « et en fin de compte, contribuer à rendre la séparation des solvants organiques plus durable. »