Dans de nombreuses industries liées à la chimie, telles que les produits pharmaceutiques, les raffineries de pétrole et les usines agroalimentaires, la séparation des mélanges liquides organiques est une étape essentielle. Une méthode de base pour y parvenir est la distillation, qui consiste à chauffer un mélange à une température spécifique afin qu'un seul de ses composants se vaporise.
Bien que largement utilisée, la distillation ne parvient pas à séparer les mélanges liquides organiques dans lesquels les deux composants ont le même point d’ébullition. De plus, il s'agit d'un processus gourmand en énergie et en ressources, ce qui a motivé les chercheurs à rechercher des alternatives plus durables.
Au cours des dernières années, les techniques de séparation par membrane ont gagné du terrain car elles peuvent être plus économes en énergie et offrir une meilleure sélectivité que les méthodes conventionnelles. Bien qu'il existe de nombreux types de membranes de séparation, les membranes produites à partir de liquides ioniques (LI) sont rarement utilisées pour séparer des mélanges de liquides organiques, principalement en raison de problèmes de stabilité et d'une mauvaise compréhension de leurs propriétés.
Pour remédier à ces limitations, une équipe de recherche japonaise a entrepris d'étudier les performances et les mécanismes d'un nouveau type de membrane organosilice à base d'IL pour la séparation des liquides organiques. L'équipe comprenait le professeur agrégé Yuichiro Hirota de l'Institut de technologie de Nagoya, le Dr Ayumi Ikeda de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées et le professeur agrégé Sadao Araki de l'Université du Kansai.
Leur étude a été publiée dans le Journal of Membrane Science. .
La technique de séparation utilisée par les chercheurs est appelée pervaporation (PV). "La méthode PV concerne la vaporisation partielle d'un mélange liquide à travers une membrane dont le côté aval est sous vide, ce qui permet d'obtenir une perméabilité plus élevée", explique le Dr Hirota. Sur la base de résultats antérieurs utilisant des membranes à base d'IL pour séparer les vapeurs organiques, l'équipe s'attendait à ce que le PV soit adapté à la séparation de mélanges de liquides organiques.
Premièrement, les chercheurs ont produit une IL de type imidazolium en remplaçant les ions chlorure du chlorure de 1-méthyl-3-(1-triéthoxysilylpropyl)imidazolium (SipmimCl) par des ions bis(trifluorométhylsulfonyl)imide (Tf2 N − ) pour obtenir SipmimTf2 N. Après lavage du SipmimTf2 N avec de l'eau et en laissant décanter le produit visqueux, l'équipe a obtenu par séchage un polymère chimiquement stabilisé, appelé polySipmimTf2 N, qui contient des silsesquioxanes.
Enfin, pour créer les membranes, les chercheurs ont enduit la surface externe de tubes creux en oxyde d'aluminium nanoporeux avec une solution de méthanol et de polySipmimTf2. N.
Plusieurs expériences ont ensuite été menées pour analyser les propriétés et les performances de ces membranes dans la méthode PV. Premièrement, grâce à des tests PV unaires (c’est-à-dire impliquant un seul composé organique plutôt qu’un mélange), les chercheurs ont mesuré la perméabilité de différents alcools, hydrocarbures aromatiques et alcanes. Ils ont également exploré comment les valeurs de perméabilité étaient liées aux paramètres de solubilité Hansen (HSP) de chaque composé et à ceux de la membrane elle-même.
Ensuite, ils ont effectué des tests PV binaires, dans lesquels ils ont séparé le toluène, le méthanol et le 1-hexanol du n-hexane. Comme l'explique le Dr Hirota, chacun de ces tests répondait à un défi particulier dans la séparation des liquides organiques :« Le mélange toluène/n-hexane était un mélange aromatique/alcane avec des différences de volatilité et de taille moléculaire. -Le mélange d'hexane était un mélange azéotropique et les deux composants avaient donc des points d'ébullition égaux."
"Enfin, le mélange 1-hexanol/n-hexane a été sélectionné car il serait difficile à séparer à l'aide de membranes de tamisage moléculaire."
Il est intéressant de noter que les membranes ont exceptionnellement bien fonctionné lors de la séparation du toluène du n. -hexane, atteignant un rapport de perméance élevé de 11. De plus, les membranes étaient très sélectives lors de la séparation du 1-hexanol du n -hexane. Comme l’ont confirmé les données des analyses basées sur HSP, les performances de séparation des membranes proposées étaient étroitement liées à l’affinité entre le composé cible et la membrane elle-même. Cela implique que les ions formant le liquide ionique pourraient être remplacés en fonction du mélange liquide organique cible pour obtenir une séparation efficace.
Pris ensemble, les résultats de cette étude mettent en évidence le potentiel des membranes chimiquement stabilisées à base d’IL pour la séparation par affinité des liquides organiques. Puisque le photovoltaïque pourrait un jour remplacer les processus de distillation énergivores, ces découvertes contribueront à rendre les industries chimiques plus durables. Avec un peu de chance, cela devrait ouvrir la voie à la neutralité carbone et, à terme, atténuer le réchauffement climatique.
Plus d'informations : Yuichiro Hirota et al, Propriétés de pervaporation de la membrane organosilique dérivée d'un liquide ionique silylé, Journal of Membrane Science (2023). DOI :10.1016/j.memsci.2023.122392
Fourni par l'Institut de technologie de Nagoya
