Les procédés industriels de séparation chimique, y compris la purification du gaz naturel et la production d'oxygène et d'azote à des fins médicales ou industrielles, sont collectivement responsables d'environ 15 % de la consommation mondiale d'énergie. Ils contribuent également d'un montant correspondant aux émissions mondiales de gaz à effet de serre. Maintenant, des chercheurs du MIT et de l'Université de Stanford ont développé un nouveau type de membrane pour effectuer ces processus de séparation avec environ 1/10 de la consommation d'énergie et des émissions.

L'utilisation de membranes pour la séparation des produits chimiques est connue pour être beaucoup plus efficace que des processus tels que la distillation ou l'absorption, mais il y a toujours eu un compromis entre la perméabilité - la vitesse à laquelle les gaz peuvent pénétrer à travers le matériau - et la sélectivité - la capacité de laisser les molécules souhaitées traverser tout en bloquant tous les autres. La nouvelle famille de matériaux membranaires, basée sur des polymères "en échelle d'hydrocarbures", surmonte ce compromis, offrant à la fois une perméabilité élevée et une très bonne sélectivité, selon les chercheurs.

Les résultats sont rapportés dans la revue Science , dans un article de Yan Xia, professeur agrégé de chimie à Stanford ; Zachary Smith, professeur adjoint de génie chimique au MIT ; Ingo Pinnau, professeur à l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah, et cinq autres personnes.

La séparation des gaz est un processus industriel important et répandu dont les utilisations comprennent l'élimination des impuretés et des composés indésirables du gaz naturel ou du biogaz, la séparation de l'oxygène et de l'azote de l'air à des fins médicales et industrielles, la séparation du dioxyde de carbone des autres gaz pour la capture du carbone et la production d'hydrogène à utiliser comme carburant de transport sans carbone. Les nouvelles membranes polymères en échelle sont prometteuses pour améliorer considérablement les performances de ces processus de séparation. Par exemple, séparant le dioxyde de carbone du méthane, ces nouvelles membranes ont cinq fois la sélectivité et 100 fois la perméabilité des membranes cellulosiques existantes à cet effet. De même, ils sont 100 fois plus perméables et trois fois plus sélectifs pour séparer l'hydrogène gazeux du méthane.

Le nouveau type de polymères, développé au cours des dernières années par le laboratoire Xia, est appelé polymères en échelle car ils sont formés de doubles brins reliés par des liaisons en forme d'échelon, et ces liaisons offrent un degré élevé de rigidité et de stabilité au matériau polymère. Ces polymères en échelle sont synthétisés via une chimie efficace et sélective développée par le laboratoire Xia et appelée CANAL, un acronyme pour l'annulation catalytique de l'arène-norbornène, qui assemble des produits chimiques facilement disponibles dans des structures en échelle avec des centaines, voire des milliers d'échelons. Les polymères sont synthétisés dans une solution, où ils forment des brins rigides et enroulés en forme de ruban qui peuvent facilement être transformés en une feuille mince avec des pores à l'échelle inférieure au nanomètre en utilisant des procédés de coulée de polymères disponibles dans l'industrie. Les tailles des pores résultants peuvent être ajustées par le choix des composés de départ hydrocarbonés spécifiques. "Cette chimie et le choix des blocs de construction chimiques nous ont permis de fabriquer des polymères en échelle très rigides avec différentes configurations", explique Xia.

Pour appliquer les polymères CANAL en tant que membranes sélectives, la collaboration a fait appel à l'expertise de Xia dans les polymères et à la spécialisation de Smith dans la recherche sur les membranes. Holden Lai, un ancien doctorant de Stanford, a réalisé une grande partie du développement et de l'exploration de l'impact de leurs structures sur les propriétés de perméation des gaz. "Il nous a fallu huit ans pour développer la nouvelle chimie et trouver les bonnes structures polymères qui confèrent des performances de séparation élevées", déclare Xia.

Le laboratoire Xia a passé ces dernières années à faire varier les structures des polymères CANAL pour comprendre comment leurs structures affectent leurs performances de séparation. Étonnamment, ils ont découvert que l'ajout de plis supplémentaires à leurs polymères CANAL d'origine améliorait considérablement la robustesse mécanique de leurs membranes et augmentait leur sélectivité pour des molécules de tailles similaires, telles que l'oxygène et l'azote gazeux, sans perdre la perméabilité du gaz le plus perméable. La sélectivité s'améliore en fait à mesure que le matériau vieillit. Selon les chercheurs, la combinaison d'une sélectivité élevée et d'une perméabilité élevée fait que ces matériaux surpassent tous les autres matériaux polymères dans de nombreuses séparations de gaz.

Aujourd'hui, 15 % de la consommation mondiale d'énergie est consacrée aux séparations chimiques, et ces processus de séparation sont "souvent basés sur des technologies centenaires", explique Smith. "Ils fonctionnent bien, mais ils ont une empreinte carbone énorme et consomment des quantités massives d'énergie. Le principal défi aujourd'hui est d'essayer de remplacer ces processus non durables." La plupart de ces processus nécessitent des températures élevées pour faire bouillir et rebouillir les solutions, et ce sont souvent les processus les plus difficiles à électrifier, ajoute-t-il.

Pour la séparation de l'oxygène et de l'azote de l'air, les deux molécules ne diffèrent en taille que d'environ 0,18 angströms (dix-milliardièmes de mètre), dit-il. Faire un filtre capable de les séparer efficacement "est incroyablement difficile à faire sans diminuer le débit". Mais les nouveaux polymères en échelle, lorsqu'ils sont fabriqués dans des membranes, produisent de minuscules pores qui atteignent une sélectivité élevée, dit-il. Dans certains cas, 10 molécules d'oxygène imprègnent pour chaque azote, malgré le tamis extrêmement fin nécessaire pour accéder à ce type de sélectivité de taille. Ces nouveaux matériaux membranaires présentent "la combinaison la plus élevée de perméabilité et de sélectivité de tous les matériaux polymères connus pour de nombreuses applications", déclare Smith.

"Parce que les polymères CANAL sont solides et ductiles, et parce qu'ils sont solubles dans certains solvants, ils pourraient être mis à l'échelle pour un déploiement industriel d'ici quelques années", ajoute-t-il. Une entreprise dérivée du MIT appelée Osmoses, dirigée par les auteurs de cette étude, a récemment remporté le concours d'entrepreneuriat de 100 000 $ du MIT et a été en partie financée par The Engine pour commercialiser la technologie.

Il existe une variété d'applications potentielles pour ces matériaux dans l'industrie de traitement chimique, dit Smith, y compris la séparation du dioxyde de carbone des autres mélanges de gaz comme une forme de réduction des émissions. Une autre possibilité est la purification du carburant biogaz fabriqué à partir de déchets agricoles afin de fournir un carburant de transport sans carbone. La séparation de l'hydrogène pour la production d'un carburant ou d'une matière première chimique pourrait également être réalisée de manière efficace, contribuant ainsi à la transition vers une économie basée sur l'hydrogène.

L'équipe soudée de chercheurs continue d'affiner le processus pour faciliter le développement du laboratoire à l'échelle industrielle et pour mieux comprendre les détails sur la façon dont les structures macromoléculaires et l'emballage entraînent une sélectivité ultra élevée. Smith dit qu'il s'attend à ce que cette technologie de plate-forme joue un rôle dans de multiples voies de décarbonisation, à commencer par la séparation de l'hydrogène et la capture du carbone, car il y a un besoin si pressant pour ces technologies afin de passer à une économie sans carbone.

L'équipe de recherche comprenait également Jun Myun Ahn et Ashley Robinson de Stanford, Francesco Benedetti du MIT, aujourd'hui directeur général d'Osmoses, et Yingge Wang de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah en Arabie saoudite. + Explorer plus loin

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