Les procédés de séparation chimique sont essentiels dans la fabrication de nombreux produits, de l'essence au whisky. Ces processus sont énergétiquement coûteux, représentant environ 10 à 15 % de la consommation énergétique mondiale. En particulier, l'utilisation de ce que l'on appelle les "procédés de séparation thermique", tels que la distillation pour séparer les hydrocarbures à base de pétrole, est profondément enracinée dans l'industrie chimique et a une empreinte énergétique associée très importante. Les procédés de séparation à base de membranes ont le potentiel de réduire considérablement cette consommation d'énergie.

Les procédés de filtration membranaire qui séparent les contaminants de l'air que nous respirons et de l'eau que nous buvons sont devenus monnaie courante. Cependant, les technologies membranaires pour séparer les hydrocarbures et autres matières organiques sont beaucoup moins développées.

Les ingénieurs de Penn développent de nouvelles membranes pour des séparations organiques économes en énergie en repensant leur structure physique à l'échelle nanométrique.

La nanofiltration à l'aide de membranes auto-assemblées a été un domaine de recherche majeur pour Chinedum Osuji, professeur présidentiel Eduardo D. Glandt au Département de génie chimique et biomoléculaire, et son laboratoire. Les performances de ces membranes ont été mises en évidence dans une étude précédente décrivant comment la structure de la membrane elle-même a contribué à minimiser le compromis limitant entre sélectivité et perméabilité rencontré dans les membranes de nanofiltration traditionnelles. Cette technologie a également été incluse dans le concours Y-Prize de l'année dernière, et les gagnants ont plaidé en faveur de son utilisation pour produire de la bière et du vin sans alcool dans une startup appelée LiberTech.

Aujourd'hui, la dernière étude d'Osuji adapte la membrane pour la filtration dans des solutions organiques telles que l'éthanol et l'alcool isopropylique, et ses molécules auto-assemblées la rendent plus efficace que la nanofiltration de solvants organiques (OSN) traditionnelle.

L'étude, publiée dans Science Advances , décrit comment les pores uniformes de cette membrane peuvent être affinés en modifiant la taille ou la concentration des molécules d'auto-assemblage qui forment finalement le matériau. Cette adaptabilité ouvre désormais des portes à l'utilisation de cette technologie membranaire pour résoudre des problèmes de filtration organique plus divers dans le monde réel. Des chercheurs du laboratoire d'Osuji, dont le premier auteur et ancien chercheur postdoctoral, Yizhou Zhang, le chercheur postdoctoral, Dahin Kim et l'étudiant diplômé, Ruiqi Dong, ainsi que Xunda Feng de l'Université de Donghua, ont contribué à ce travail.

L'un des défis auxquels l'équipe a été confrontée était la difficulté de maintenir la stabilité de la membrane dans des solvants organiques de polarités différentes. Ils ont sélectionné des espèces moléculaires, des tensioactifs, qui présentaient une faible solubilité dans les fluides organiques et qui pouvaient être efficacement liées ensemble chimiquement pour fournir la stabilité requise. Les tensioactifs s'auto-assemblent dans l'eau lorsqu'ils dépassent une certaine concentration et forment un gel mou. Un tel auto-assemblage - la formation d'un état ordonné - en fonction de la concentration est appelé comportement lyotrope :"lyo-" se référant à la solution et "-tropique" se référant à l'ordre. Les gels ainsi formés sont appelés mésophases lyotropes.

Les membranes développées dans cette étude ont été créées en formant d'abord des mésophases lyotropes du tensioactif dans l'eau, en étalant le gel mou sous forme de film mince, puis en utilisant une réaction chimique pour lier les tensioactifs ensemble pour former un polymère nanoporeux. La taille des pores dans le polymère est définie par la structure auto-assemblée de la mésophase lyotrope.

"A une certaine concentration dans une solution aqueuse, les molécules de surfactant s'agrègent et forment des tiges cylindriques, puis ces tiges s'auto-assembleront en une structure hexagonale, donnant un matériau semblable à un gel", explique Osuji. "L'une des façons dont nous pouvons manipuler la perméabilité, ou la taille des pores de nos membranes, consiste à modifier la concentration et la taille des molécules de surfactant utilisées pour créer la membrane elle-même. Dans cette étude, nous avons manipulé ces deux variables pour régler nos tailles de pores de 1,2 nanomètre à 0,6 nanomètre."

Ces membranes sont compatibles avec les solvants organiques et peuvent être adaptées pour relever différents défis de séparation. La nanofiltration de solvants organiques peut réduire l'empreinte des procédés traditionnels de séparation thermique. La taille uniforme des pores des membranes développées ici offre des avantages convaincants en termes de sélectivité de la membrane et, en fin de compte, d'efficacité énergétique également.

"Une application spécifique de cette technologie est la production de biocarburants", explique Osuji. "L'isolement des alcools miscibles à l'eau des bioréacteurs est une étape clé dans la fabrication de biocarburants à base d'éthanol et de butanol. Les séparations membranaires peuvent réduire l'énergie utilisée pour séparer les alcools ou carburants produits du milieu aqueux dans le réacteur. L'utilisation de membranes est particulièrement avantageux dans les opérations à petite échelle telles que celle-ci, où la distillation n'est pas rentable."

"De plus, la fabrication de nombreux produits pharmaceutiques implique souvent plusieurs étapes de synthèse dans différents environnements de solvants. Ces étapes nécessitent le transfert d'un intermédiaire chimique d'un solvant à un autre solvant miscible, faisant de cette nouvelle membrane une solution parfaite aux besoins de filtration du développement de médicaments. "

Les prochaines étapes de leur recherche impliquent à la fois la théorie et la pratique. L'équipe prévoit de développer de nouveaux modèles de rejet et de perméabilité des membranes qui traitent du schéma d'écoulement unique des solutions à travers leurs membranes, ainsi que d'identifier d'autres applications futures pour leur technologie accordable. + Explorer plus loin

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