L'industrie s'appuie depuis longtemps sur des processus à forte consommation d'énergie, tels que la distillation et la cristallisation, pour séparer les molécules qui servent finalement d'ingrédients dans les médicaments, les produits chimiques et d'autres produits.
Au cours des dernières décennies, on s’est efforcé de remplacer ces procédés par des membranes, qui constituent une alternative potentiellement moins coûteuse et plus respectueuse de l’environnement. Malheureusement, la plupart des membranes sont fabriquées à partir de polymères qui se dégradent lors de leur utilisation, ce qui les rend peu pratiques.
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche dirigée par l'Université de Buffalo a créé une nouvelle membrane plus robuste, capable de résister aux environnements difficiles (températures élevées, pressions élevées et solvants chimiques complexes) associés aux processus de séparation industriels.
Fabriqué à partir d'un matériau inorganique appelé oxyde métallique dopé au carbone, il est décrit dans une étude publiée le 7 septembre dans Science. .
"Les processus de séparation des molécules, que ce soit pour le dessalement de l'eau, la production de médicaments ou d'engrais, utilisent une quantité incroyable d'énergie", déclare l'auteur correspondant de l'étude, Miao Yu, Ph.D., professeur d'innovation SUNY Empire au Département de chimie. et génie biologique à l'Université de Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.
"Ce que nous avons développé est une technique permettant de fabriquer facilement des membranes solides et sans défauts dotées de nanopores rigides qui peuvent être contrôlés avec précision pour permettre le passage de molécules de différentes tailles", ajoute Yu, membre principal du corps professoral de l'Institut UB RENEW.
Les premiers auteurs de l'étude sont Bratin Sengupta, titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Yu, et Qiaobei Dong, Ph.D., qui a étudié avec Yu et travaille maintenant chez GTI Energy.
Pour créer la membrane, l'équipe de recherche s'est inspirée de deux techniques de fabrication courantes, mais indépendantes.
Le premier est le dépôt de couches moléculaires, qui implique la superposition de films minces de matériaux et est le plus souvent associé à la production de semi-conducteurs. La deuxième technique est la polymérisation interfaciale, qui est une méthode de combinaison de produits chimiques couramment utilisée pour créer des piles à combustible, des capteurs chimiques et d'autres appareils électroniques.
"Ces méthodes ne sont pas nouvelles", explique Sengupta, "mais la manière dont nous les appliquons l'est, et c'est la clé pour créer nos nouvelles membranes nanoporeuses."
Dans le cadre d'expériences, les chercheurs ont fusionné deux réactifs peu coûteux – l'éthylène glycol liquide et le tétrachlorure de titane gazeux – sur un support à base d'aluminium. En quelques minutes, la réaction a créé un film mince.
Pour créer les nanopores, ils ont appliqué de la chaleur au film. La chaleur brûle le carbone, créant de minuscules trous microscopiques pour le passage des molécules. La taille des nanopores peut aller de 0,6 à 1,2 nanomètres de diamètre, comme déterminé par l'environnement du gaz de calcination, ainsi que par la quantité et la durée de la chaleur.
La méthode permet aux chercheurs d'éviter un problème persistant :les petits trous fusionnent en de plus grands, les rendant ainsi plus poreux que prévu - en créant des membranes à base de polymère.
La nouvelle membrane peut résister à des températures allant jusqu'à 284°F (140°C) et à des pressions allant jusqu'à 30 atmosphères lorsqu'elle est exposée à des solvants organiques. Ces attributs sont essentiels car ils permettent à la membrane de séparer les molécules à haute température (pour que la plupart des membranes polymères fonctionnent, la température des solvants doit être abaissée, ce qui est coûteux d'un point de vue énergétique).
"De ce point de vue, notre membrane a le potentiel de réduire l'empreinte carbone de nombreux processus industriels", déclare Yu.
Pour démontrer l'efficacité de la membrane, l'équipe a montré qu'elle pouvait séparer le boscalid, un fongicide utilisé pour protéger les cultures, de son catalyseur et de son réactif de départ. L'ensemble du processus s'est déroulé à 194°F.
L'équipe prévoit des expériences supplémentaires pour prouver que la membrane peut être étendue à des produits commerciaux. De plus, Yu envisage de créer une entreprise pour renforcer la viabilité commerciale de la technologie.
Plus d'informations : Bratin Sengupta et al, Nanofilms interfaciaux d'oxyde métallique dopés au carbone pour une séparation ultrarapide et précise des molécules, Science (2023). DOI :10.1126/science.adh2404
Informations sur le journal : Sciences
Fourni par l'Université de Buffalo
