Des membranes de nanotubes de carbone alignés verticalement (VaCNT) peuvent être utilisées pour nettoyer ou dessaler l'eau à haut débit et basse pression. Récemment, des chercheurs de l'Institut technologique de Karlsruhe (KIT) et leurs partenaires ont mené des expériences d'adsorption d'hormones stéroïdes pour étudier l'interaction des forces dans les petits pores.
Ils ont découvert que les VaCNT ayant une géométrie de pores et une structure de surface de pores spécifiques étaient adaptés à une utilisation en tant que membranes hautement sélectives. Leur étude est publiée dans Nature Communications .
L’eau potable est d’une importance vitale pour tous les peuples du monde. Les membranes permettent d’éliminer efficacement les micropolluants, comme les hormones stéroïdes, nocifs pour la santé et l’environnement. Un matériau de membrane très prometteur est constitué de nanotubes de carbone alignés verticalement (VaCNT).
"Ce matériau est étonnant :avec de petits pores de 1,7 à 3,3 nanomètres de diamètre, une forme cylindrique presque parfaite et une faible torsion", déclare le professeur Andrea Iris Schäfer, qui dirige l'Institut de technologie avancée des membranes (IAMT) du KIT. "Les nanotubes devraient avoir un effet hautement adsorbant, mais seulement un très faible frottement." Actuellement, les pores sont trop grands pour une rétention efficace, mais des pores plus petits ne sont pas encore techniquement réalisables.
Lors d'expériences avec des micropolluants stéroïdes, les chercheurs de l'IAMT ont étudié pourquoi les membranes VaCNT sont de parfaits filtres à eau. Ils ont utilisé des membranes produites par le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) à Livermore (Californie). Résultat :la faible adsorption du VaCNT, c'est-à-dire son dépôt en surface, est souhaitable pour les membranes hautement sélectives ciblant des substances spéciales.
L'étude révèle que l'adsorption dans les nanopores membranaires ne dépend pas seulement de la surface d'adsorption et du transfert de masse limité, mais également de l'interaction des forces hydrodynamiques, du frottement et des forces d'attraction et de répulsion à l'interface liquide-paroi. Les nanopores hautement perméables à l'eau présentent une faible interaction en raison du faible frottement et du débit élevé.
"Lorsque les molécules ne sont pas retenues en raison de leur taille, l'interaction avec le matériau détermine souvent ce qui se passe. Les molécules rebondissent à travers la membrane, comme un grimpeur escaladant un mur. C'est beaucoup plus facile lorsqu'il existe de nombreuses bonnes prises d'escalade." Schäfer explique. Des études comme celle réalisée par l'IAMT aident à concevoir spécifiquement la géométrie et la structure de la surface des pores.
Dix ans pour transformer l'idée en expérimentation
Les membranes ont été développées par le Dr Francesco Fornasiero et son équipe du LLNL. Les expériences avec les micropolluants ont été réalisées et évaluées à l'aide des derniers instruments d'analyse de l'IAMT. "Il a fallu environ 10 ans pour transformer l'idée en une expérience réussie qui a suscité un large intérêt dans la communauté des technologies membranaires", explique Schäfer.
La production de membranes aussi presque parfaites est extrêmement difficile. Sur des surfaces plus grandes de quelques centimètres carrés, la probabilité de défauts est très élevée. Et les défauts influenceraient les résultats. Ces dernières années, LLNL a réussi à produire des membranes sur de plus grandes surfaces. En parallèle, les chercheurs de l'IAMT ont construit de très petits systèmes de filtration pour des expériences visant à retenir les traces de polluants sur deux centimètres carrés.
"La réduction d'échelle est extrêmement difficile. Le fait d'avoir réussi ensemble est un grand succès", déclare Schäfer. "Maintenant, nous attendons le développement de membranes avec des pores encore plus petits."
L'étude a été la première à se concentrer sur l'interaction des forces hydrodynamiques, de friction et des forces d'attraction et de répulsion. Il fournit des conclusions de base concernant le traitement de l’eau. Ceux-ci pourraient bénéficier aux processus d'ultrafiltration et de nanofiltration contrôlés par des nanopores.
Plus d'informations : Minh N. Nguyen et al, Interaction des forces régissant l'adsorption des micropolluants d'hormones stéroïdes dans les nanopores membranaires de nanotubes de carbone alignés verticalement, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-44883-2
Fourni par l'Institut de technologie de Karlsruhe
