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Un nouveau matériau de membrane, illustré ici, pourrait rendre la purification des gaz beaucoup plus efficace, ce qui pourrait contribuer à réduire les émissions de carbone. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
Un nouveau matériau membranaire pourrait rendre la purification des gaz beaucoup plus efficace, ce qui pourrait contribuer à réduire les émissions de carbone.
Les procédés industriels de séparation chimique, notamment 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 à une quantité correspondante d’émissions de gaz à effet de serre dans le monde. Aujourd’hui, des chercheurs de MIT et de l’université de Stanford ont mis au point un nouveau type de membrane permettant d’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 procédés 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 à laisser passer les molécules souhaitées tout en bloquant toutes les autres. La nouvelle famille de matériaux membranaires, basée sur des polymères en “échelle d’hydrocarbures”, permet de surmonter ce compromis en offrant à la fois une perméabilité élevée et une très bonne sélectivité, expliquent les chercheurs.
Les résultats ont été rapportés le 24 mars 2022 dans le journal ScienceYan Xia, professeur agrégé de chimie à Stanford, Zachary Smith, professeur agrégé de génie chimique au MIT, Ingo Pinnau, professeur à l’Université des sciences et de la technologie du roi Abdullah, et cinq autres auteurs ont publié un article sur ces découvertes.
La séparation des gaz est un procédé industriel important et très répandu qui permet notamment d’éliminer les impuretés et les composés indésirables du gaz naturel ou du biogaz, de séparer l’oxygène et l’azote de l’air à des fins médicales et industrielles, de séparer le dioxyde de carbone d’autres gaz pour le captage du carbone et de produire de l’hydrogène comme carburant sans carbone pour les transports. Les nouvelles membranes polymères en échelle sont prometteuses pour améliorer considérablement les performances de ces procédés de séparation. Par exemple, pour séparer le dioxyde de carbone du méthane, ces nouvelles membranes ont une sélectivité cinq fois supérieure et une perméabilité cent fois supérieure à celles des membranes cellulosiques existantes. De même, elles sont 100 fois plus perméables et trois fois plus sélectives pour séparer l’hydrogène du méthane.
Le nouveau type de polymères, mis au point au cours des dernières années par le laboratoire Xia, est appelé polymère en échelle car il est formé de doubles brins reliés par des liaisons en forme d’échelons, et ces liaisons confèrent un haut degré de rigidité et de stabilité au matériau polymère. Ces polymères en échelle sont synthétisés à l’aide d’une chimie efficace et sélective mise au point par le laboratoire Xia, appelée CANAL (acronyme de “catalytic arene-norbornene annulation”), qui assemble des produits chimiques facilement disponibles en structures en échelle comportant des centaines, voire des milliers d’échelons. Les polymères sont synthétisés dans une solution, où ils forment des brins rigides et tordus semblables à des rubans qui peuvent facilement être transformés en une feuille mince avec des pores d’une taille inférieure au nanomètre en utilisant des procédés de coulée de polymères disponibles dans l’industrie. La taille des pores obtenus peut être ajustée par le choix des composés hydrocarbonés de départ 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 comme membranes sélectives, la collaboration a fait appel à l’expertise de Xia en matière de 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 entre le développement de la nouvelle chimie et la découverte des bonnes structures de polymère qui confèrent les hautes performances de séparation”, explique Xia.
Le laboratoire de Xia a passé les 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 originaux améliorait considérablement la robustesse mécanique de leurs membranes et augmentait leur sélectivité pour les molécules de taille similaire, comme l’oxygène et l’azote, sans perdre la perméabilité du gaz le plus perméable. La sélectivité s’améliore réellementà mesure que le matériau vieillit. Selon les chercheurs, la combinaison d’une haute sélectivité et d’une haute perméabilité permet à ces matériaux de surpasser tous les autres matériaux polymères dans de nombreuses séparations de gaz.
Aujourd’hui, 15 % de la consommation énergétique mondiale est consacrée aux séparations chimiques, et ces processus de séparation sont “souvent basés sur des technologies centenaires”, explique M. Smith. “Ils fonctionnent bien, mais ils ont une énorme empreinte carbone et consomment des quantités massives d’énergie. Le principal défi aujourd’hui est d’essayer de remplacer ces procédés non durables.” La plupart de ces procédés nécessitent des températures élevées pour faire bouillir et rebouillir les solutions, et ce sont souvent les procédés 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. Fabriquer 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 sous forme de membranes, produisent des pores minuscules qui permettent d’obtenir une grande sélectivité, explique-t-il. Dans certains cas, 10 molécules d’oxygène passent pour chaque azote, malgré la finesse du tamis nécessaire pour obtenir ce type de sélectivité. Ces nouveaux matériaux membranaires présentent “la meilleure combinaison de perméabilité et de sélectivité de tous les matériaux polymères connus pour de nombreuses applications”, affirme M. Smith.
“Comme les polymères CANAL sont solides et ductiles, et 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, Osmoses, dirigée par les auteurs de cette étude, a récemment remporté le prix de l’innovation de l’Union européenne. Concours d’entrepreneuriat du MIT (100 000 dollars) et a été partiellement financée par Le moteur pour commercialiser la technologie.
Selon M. Smith, il existe une variété d’applications potentielles pour ces matériaux dans l’industrie du traitement chimique, notamment la séparation du dioxyde de carbone d’autres mélanges gazeux comme forme de réduction des émissions. Une autre possibilité est la purification du biogaz produit à partir de déchets agricoles afin de fournir un carburant sans carbone pour les transports. La séparation de l’hydrogène pour la production d’un carburant ou d’une matière première chimique pourrait également être réalisée efficacement, ce qui faciliterait la transition vers une économie basée sur l’hydrogène.
L’équipe soudée de chercheurs continue d’affiner le processus afin de faciliter le passage du laboratoire à l’échelle industrielle et de mieux comprendre les détails de la structure macromoléculaire et de l’emballage qui permettent d’obtenir une sélectivité très élevée. M. Smith s’attend à ce que cette plate-forme technologique joue un rôle dans de multiples voies de décarbonisation, à commencer par la séparation de l’hydrogène et la capture du carbone, car il existe un besoin urgent de ces technologies pour assurer la transition vers une économie sans carbone.
“Ce sont de nouvelles structures impressionnantes qui présentent des performances exceptionnelles en matière de séparation des gaz”, explique Ryan Lively, professeur associé de génie chimique et biomoléculaire à Georgia Tech, qui n’a pas participé à ces travaux. “Il est important de noter que ces performances s’améliorent au cours du vieillissement de la membrane et lorsque les membranes sont soumises à des mélanges de gaz concentrés. … S’ils parviennent à mettre ces matériaux à l’échelle et à fabriquer des modules de membranes, l’impact pratique potentiel est important.”
Référence : “Hydrocarbon ladder polymers with ultrahigh permselectivity for membrane gas separations” par Holden W. H. Lai, Francesco M. Benedetti, Jun Myun Ahn, Ashley M. Robinson, Yingge Wang, Ingo Pinnau, Zachary P. Smith et Yan Xia, 24 mars 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abl7163
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 Abdullah en Arabie saoudite. Ces travaux ont été soutenus par la Stanford Natural Gas Initiative, la Sloan Research Fellowship, le U.S. Department of Energy Office of Basic Energy Sciences et la National Science Foundation.
