L'industrie pétrolière reconnaît l'importance du paraxylène, compte tenu de ses nombreuses utilisations dans les produits du quotidien, des bouteilles de soda en plastique à la fibre de polyester.

Le défi est que les xylènes voyagent par trois et sont pratiquement identiques, ce qui rend extrêmement difficile de séparer et de purifier efficacement le para-xylène de ses frères et sœurs moins utilisés tels que l'ortho-xylène. La taille de ces molécules diffère d'un dixième de nanomètre. Cependant, des membranes avec de minuscules pores conçues pour différencier ces molécules peuvent potentiellement permettre cette séparation importante.

S'appuyant sur une recherche à long terme avec ExxonMobil, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont découvert de nouvelles connaissances sur la fabrication de membranes en carbone qui pourraient potentiellement générer des économies de coûts significatives une fois que la solution de séparation par isolement du xylène sera mise à l'échelle pour une utilisation industrielle.

Les résultats ont été rapportés le 6 septembre numéro 2021 du Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les travaux portent sur les « tamis moléculaires à base de carbone, " réalisé en chauffant de fines couches de matériaux de manière à chasser tous les atomes autres que le carbone, résultant en une substance semblable au charbon de bois qui a des trous de la taille d'une molécule. En 2016, des chercheurs de Georgia Tech et d'Exxon Mobil ont démontré pour la première fois qu'une nouvelle membrane de tamis moléculaire à base de carbone pouvait séparer avec succès les molécules de xylène et extraire le para-xylène super utile du pack.

Maintenant, Georgia Tech a avancé ce travail, concevoir des barrières de carbone améliorées qui permettent au p-xylène plus fin de passer plus rapidement, tout en rejetant les molécules plus larges. Surtout, l'équipe a découvert une relation puissante entre la chimie de liaison des carbones et la mobilité des xylènes à travers les membranes de carbone.

Les performances des membranes de carbone, si elles sont réalisées à des échelles industrielles, pourraient réduire considérablement les coûts énergétiques par rapport aux procédés de raffinage tels que la méthode de cristallisation standard ou la méthode basée sur l'adsorption. La première approche consiste à congeler les molécules de xylène dans lesquelles seul le para-xylène forme des cristaux, facilitant l'isolement, mais nécessitant d'importants investissements énergétiques. Cette dernière approche réduit la consommation d'énergie par rapport à la cristallisation mais nécessite des équipements coûteux et complexes pour fonctionner. Le problème des membranes, selon les chercheurs de Georgia Tech, est-ce que l'approche n'a bien fonctionné que dans l'environnement de laboratoire, pas dans un environnement industriel.

"Nous avons fabriqué des matériaux plus stables en changeant le précurseur de polymère que nous utilisons. Puis en changeant la façon dont nous transformons le polymère en carbone, nous avons rendu les membranes plus productives, " a déclaré Ryan Lively, professeur agrégé à la School of Chemical &Biomolecular Engineering de Georgia Tech et auteur correspondant de l'article.

Juste combien plus productif? L'équipe a montré que les nouveaux matériaux peuvent conduire à des systèmes de purification qui sont estimés à "trois à six fois moins cher que d'autres méthodes de pointe, ", a déclaré Lively.

Lively estime que la séparation et la purification représentent environ la moitié de l'énergie consommée dans la production de produits chimiques et de carburants de base. Globalement, la quantité d'énergie utilisée dans les procédés classiques de séparation des aromatiques, par exemple, benzène toluène, est égale à celle produite par une vingtaine de centrales électriques de taille moyenne.

Cette avancée pourrait avoir un impact important sur la consommation d'énergie chimique du pétrole. La recherche a été financée par ExxonMobil et s'appuie sur plus de 15 ans d'efforts de recherche en collaboration entre Georgia Tech et le leader mondial du pétrole et du gaz.

"Grâce à une collaboration avec de solides institutions académiques comme Georgia Tech, nous explorons constamment de nouvelles, des moyens plus efficaces de produire de l'énergie, produits chimiques, et d'autres produits sur lesquels les consommateurs du monde entier comptent chaque jour, " a déclaré Vijay Swarup, vice-président de la recherche et du développement chez ExxonMobil Research and Engineering Company.

Les chercheurs de Georgia Tech ont également découvert de nouvelles informations concernant la structure du carbone elle-même. L'équipe a observé que des changements subtils dans le rapport des centres de carbone tridimensionnels et bidimensionnels dans la membrane entraînaient des changements impressionnants dans la mobilité des isothermes du xylène au sein de ce matériau. Ils ont observé qu'un changement de ce rapport (rapport carbone sp3/sp2) de 0,2 à 0,7 entraînait une augmentation d'un facteur 1000 de la productivité de la membrane. Étonnamment, la membrane a largement conservé sa sélectivité, ou sa capacité à faire la séparation des isomères du xylène, malgré ces changements dans la structure du carbone.

"Plus il y a de carbones tridimensionnels là-dedans, plus la productivité est élevée, " dit M.G. Finn, professeur et président de l'École de chimie et de biochimie de Georgia Tech et co-auteur de l'article. "Plus vous augmentez la productivité, tout en gardant la même sélectivité, moins vous avez besoin de membrane pour gérer la même quantité de xylène. Du point de vue de la conception, cela montre que vous avez cet énorme contrôle sur le fonctionnement de la membrane en apportant de très petits changements dans la chimie du carbone, " Finn conclut.