Un article récemment publié dans Science "Membranes en polytriazole avec couche sélective accordable ultrafine pour le fractionnement du pétrole brut", offre une solution innovante de développement de membranes pour gérer des conditions industrielles uniques, telles que le fractionnement des hydrocarbures.

Rédigé par un groupe de scientifiques sous la direction du Dr Suzana Nunes, professeur KAUST de sciences et d'ingénierie chimiques et environnementales, et vice-recteur aux affaires universitaires et du corps professoral, l'article met en évidence une stratégie polyvalente pour fabriquer des membranes de polytriazole pour le pétrole brut économe en énergie fractionnement. Les membranes sont également avantageuses pour leurs propriétés à faible empreinte carbone et leur aptitude à promouvoir l'économie circulaire du carbone (ECC).

"Je travaille sur les membranes de polytriazole depuis plus de vingt ans", a déclaré Nunes. "Dans cet article, l'approche a été proposée par le Dr Stefan Chisca, chercheur scientifique dans notre laboratoire. Je suis toujours à la recherche de polymères capables de relever des défis qui ne sont pas possibles avec une membrane très simple."

Chisca se spécialise dans le développement de polymères pour les applications membranaires, en mettant l'accent sur les procédés de séparation qui impliquent une consommation d'énergie minimale. Avant de rejoindre KAUST, Nunes a dirigé la recherche sur les membranes en tant que chef du département des membranes pour l'énergie durable à l'association allemande Helmholtz.

Alors que la plupart des membranes disponibles dans le commerce sont conçues pour les environnements aquatiques et à température ambiante, le développement de membranes stables pour des conditions plus difficiles caractérisées par des températures élevées et une large gamme de solvants organiques et de pH, comme dans le cas du fractionnement de l'huile, représente un défi unique.

Relever le défi de la séparation grâce à la réticulation thermique

Un élément crucial mais très énergivore et coûteux commun aux industries chimiques, pharmaceutiques et pétrochimiques est le processus de séparation nécessaire pour purifier les solvants et les produits chimiques, réguler l'échange de solvants et gérer les catalyseurs. Les techniques de séparation les plus courantes comprennent la distillation, l'adsorption, l'évaporation et l'extraction.

La technologie membranaire offre une alternative à faible empreinte carbone considérée comme plus durable. Cependant, ces industries ont du mal à remplacer les méthodes de séparation conventionnelles car elles auraient besoin de membranes pour répondre aux exigences strictes de stabilité mécanique et thermique afin d'éviter un vieillissement physique et une détérioration rapides.

"L'environnement est rude à des températures supérieures à 100 degrés, et ce que vous fractionnez pourrait dissoudre votre membrane", a déclaré Nunes.

Elle a souligné la méthodologie de réticulation cruciale utilisant un traitement thermique, nécessaire pour préparer la membrane à interagir avec le pétrole brut sans se dissoudre complètement. Les membranes en polytriazole se sont avérées mieux adaptées à la séparation de mélanges non aqueux complexes. L'équipe KAUST a fabriqué des membranes de polytriazole avec des couches sélectives de 10 nanomètres d'épaisseur contenant des canaux sub-nanométriques pour la séparation des hydrocarbures.

En utilisant la combinaison de la réticulation thermique en tandem avec la séparation de phase induite par un non-solvant (NIPS) conventionnelle, les membranes polymères traitées se sont avérées adaptées aux processus de séparation chimique très difficiles. Les couches sélectives ultrafines et les propriétés ajustables des membranes de polytriazole, telles que les perméances, leur permettent de s'adapter à une vaste gamme d'alimentations liquides difficiles, d'acides forts et de mélanges complexes comme ceux que l'on trouve dans le pétrole brut.

Caractérisation analytique avec les Core Labs

Afin de mieux comprendre les interactions entre la membrane et le solvant, ainsi que le processus de modification chimique par traitement thermique, l'équipe de Nunes a travaillé avec des scientifiques des KAUST Core Labs pour caractériser complètement la membrane et l'huile elle-même. Différentes méthodes spectroscopiques et microscopiques ont été utilisées pour étudier la morphologie des membranes avant et après la réticulation et suivre le fractionnement de l'huile, ce qui a permis la caractérisation complète des propriétés.

"Notre travail avec les Core Labs a été remarquable dès le premier jour", a déclaré Nunes. "Cette science le papier en est un excellent exemple. Toutes les personnes impliquées viennent de KAUST, de notre groupe aux scientifiques de Core Labs. Je pense qu'il est important de souligner qu'il s'agit de scientifiques formés à la frontière de ces techniques. Nous ne pourrions pas faire cela seuls."

Nunes attribue la publication de la recherche à cet effort de collaboration.

Applications pour le Royaume

Nunes pense que la technologie des membranes pourrait aider l'Arabie saoudite à économiser beaucoup d'énergie.

"L'objectif et le rêve sont de faire en sorte que les grandes entreprises pétrochimiques régionales utilisent la technologie membranaire comme substitut à une partie de leurs processus de séparation thermique", a expliqué Nunes. "C'est la raison pour laquelle nous le faisons. C'est la motivation."

Une grande partie du travail de son groupe consiste à promouvoir la vision de développer des membranes suffisamment stables pour être utilisées dans les industries chimiques et pétrochimiques. L'objectif est de fournir une alternative viable aux méthodes de séparation classiques, qui nécessitent une multitude d'étapes et de ressources. Nunes espère également s'engager dans des interactions plus directes avec les acteurs de l'industrie chimique du Royaume afin de mieux comprendre leurs besoins et d'obtenir plus de retours sur les technologies de séparation hautes performances réalisées dans des solvants organiques et des températures élevées.

"C'est la première étape d'une longue histoire", a-t-elle déclaré. "Il reste encore du travail à faire pour augmenter la production de membranes et faire en sorte que la technologie soit largement acceptée pour une utilisation industrielle non aqueuse à grande échelle."

À l'horizon, Nunes voit également la technologie des membranes comme une solution viable pour soutenir les efforts actuels de réduction des émissions de dioxyde de carbone en s'attaquant au problème au début de la chaîne de valeur industrielle.

"Je pense qu'il est beaucoup plus efficace de substituer une partie du processus utilisé dans l'industrie chimique, qui représente une empreinte carbone très élevée", a-t-elle déclaré. "Si de nouvelles usines en cours de construction en Arabie saoudite peuvent intégrer dès le départ des procédés de séparation à base de membranes nouveaux et plus durables, cela contribuera grandement à l'économie circulaire du carbone." + Explorer plus loin

Membranes pour la séparation industrielle de mélanges chimiques