Une nouvelle classe de membranes promet des applications intéressantes dans la séparation des matériaux


Une nouvelle classe de membranes promet des applications intéressantes dans la séparation des matériaux

La nouvelle classe de membranes pourrait être utilisée avec succès dans la séparation. Crédit photo: auteurs de l’étude

Une nouvelle classe de membranes applications très intéressantes dans la séparation des , que ce soit en biotechnologie ou dans le traitement de l’eau. Cependant, la compréhension théorique de ces membranes polymères est encore incomplète. Deux chercheurs du Helmholtz Center Hereon et de l’Université de Göttingen présentent maintenant une étude qui a été publiée dans la célèbre scientifique Évaluations chimiquesqui identifie ces lacunes dans les connaissances et montre des solutions prometteuses.

Que ce soit dans le dessalement, le traitement de l’eau ou le CO2 Les membranes de séparation jouent un rôle central dans la technologie. Le Helmholtz Center Hereon travaille depuis plusieurs années sur une nouvelle variante : il s’agit de polymères spéciaux qui forment des pores de taille égale dans la plage du nanomètre. Les substances à séparer, telles que certaines protéines, peuvent littéralement glisser à travers ces pores. Ces couches de séparation étant très fines et donc très fragiles, elles sont liées à une structure spongieuse aux pores beaucoup plus grossiers, ce qui confère à la structure la stabilité mécanique requise.

« Un aspect particulier est que ces structures se forment dans un acte d’auto-organisation », explique le professeur Volker Abetz, directeur de l’Institut Hereon pour la recherche sur les membranes et professeur de chimie à l’Université de Hambourg. « Contrairement aux membranes comparables, dont certaines sont laborieusement fabriquées avec des accélérateurs de particules, cela promet une fabrication relativement peu coûteuse. » Traitement des eaux usées, par exemple pour filtrer les colorants indésirables.

Progresser grâce à des simulations informatiques

Les experts ont fait des progrès significatifs dans le développement de ces nouvelles membranes ces dernières années. Cependant, afin de les adapter à des applications spécifiques, une compréhension théorique complète fait encore défaut. « Jusqu’à présent, il y a eu beaucoup d’essais et d’erreurs, ainsi que des sentiments instinctifs », dit Abetz. « Maintenant, il devrait être question de comprendre au mieux ces systèmes. » Pour cette raison, Marcus Müller, professeur de physique théorique à l’Université de Göttingen, et Volker Abetz ont publié un article de synthèse dans la revue Évaluations chimiques. Le travail résume l’état actuel des connaissances dans le domaine des membranes polymères et identifie les approches de recherche les plus prometteuses qui peuvent combler les lacunes existantes dans les connaissances.

Les simulations informatiques jouent ici un rôle important: elles peuvent être utilisées pour modéliser numériquement en détail ce qui se passe pendant le processus de fabrication. «Le problème est que ces processus sont extrêmement complexes et que la durée et les échelles de temps sont complètement différentes», explique Müller. « Et nous n’avons pas été en mesure de couvrir toutes ces échelles avec une seule description. » Cependant, il existe des modèles informatiques qui peuvent simuler des aspects individuels. Alors que certains de ces modèles décrivent le comportement de molécules de polymère individuelles, d’autres reproduisent la membrane sur une grille beaucoup plus grossière. Ces différentes approches ne sont jusqu’ici que faiblement liées et la description du calendrier des différents processus est un défi. Pour une compréhension plus approfondie, il serait avantageux que les modèles soient mieux liés qu’aujourd’hui.

Membranes en polymère de la planche à dessin

«La production de membranes polymères est comparable à la production d’un soufflé», explique Müller. « Les deux consistent à stabiliser les minuscules pores avant que tout ne s’effondre à nouveau. » On ne sait pas, entre autres, comment et si la formation simultanée de la couche de séparation et de la couche de support s’influencent mutuellement et comment cela peut être contrôlé. Une autre question concerne la manière dont les pores peuvent être agencés et orientés de telle manière qu’ils permettent le débit le plus élevé possible à travers la membrane – un critère crucial pour la rentabilité de la membrane. « Heureusement, les ordinateurs et les modèles s’améliorent de plus en plus, et cela devrait permettre des avancées significatives », a ajouté Müller. « A Jülich, nous pouvons accéder au supercalculateur JUWELS, qui est l’un des plus rapides au monde. » Les algorithmes d’apprentissage automatique pourraient également aider à l’avenir; Il pourrait y avoir un potentiel non découvert ici.

Ce n’est cependant pas que de la théorie. Il y a aussi du travail à faire dans les expériences. «Une grande inconnue est l’humidité, par exemple», explique Abetz. « Nous savons qu’il peut avoir une influence décisive sur la formation d’une membrane polymère. Afin de mieux comprendre cette influence, nous avons besoin de tests systématiques. » Si de tels obstacles peuvent être surmontés, cela rapprochera un peu l’objectif de recherche à long terme: «Notre rêve est d’abord de concevoir et d’optimiser une membrane polymère pour une application spécifique en tant que« jumeau numérique »sur l’ordinateur, de sorte que ce soit plus tard possible de manière ciblée fabriqué en laboratoire », explique Abetz. « Et peut-être pourrions-nous même découvrir des structures complètement nouvelles sur l’ordinateur que nous n’aurions jamais rencontrées dans l’expérience.


La membrane en L à ossature imidazolate zéolithique améliore l’efficacité de séparation du dioxyde de carbone


Plus d’information:
Marcus Müller et al., Processus de non-équilibre dans la formation de la membrane polymère: théorie et expérience, Cotes chimiques (2021). DOI : 10.1021 / acs.chemrev.1c00029

Fourni par le Centre Helmholtz Hereon

Citation: Une nouvelle classe de membranes promet des applications intéressantes dans la séparation des matériaux (2021, 26 mai), consulté le 26 mai 2021 à https://phys.org/news/2021-05-class-membranes-applications-material.html

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