Le point idéal pour l’épaisseur de la membrane offre des séparations durables


Le point idéal pour l'épaisseur de la membrane offre des séparations durables

: Les membranes de tamis moléculaire en carbone sont largement utilisées dans les procédés industriels pour les produits chimiques et les , mais ces procédés sont énergivores. Crédits photos : KAUST ; Anastasia Serin

Les membranes de tamis moléculaire en carbone (CMS) super minces ne sont peut-être pas les meilleures pour séparer les mélanges chimiques d’importance industrielle. Cependant, garantir la bonne épaisseur de couche de CMS pourrait permettre un nettoyage plus économe en énergie produits chimiques, comme l’ont montré les chercheurs de la KAUST.

Comme leur nom l’indique, les membranes CMS peuvent purifier des mélanges de liquides ou de gaz en ne laissant passer à travers leurs pores que certaines molécules dans la plage sub-nanométrique. Actuellement, l’industrie chimique utilise principalement des procédés thermiques tels que la distillation pour séparer les mélanges de produits, qui consomment cependant environ 10 % de la production mondiale d’énergie. « Cette situation est extrêmement intenable », déclare Wojciech Ogieglo, chercheur à la KAUST. « Nous pensons qu’une grande partie de ces séparations énergivores pourraient être remplacées par des séparations membranaires beaucoup plus respectueuses de l’environnement. »

Les membranes CMS sont fabriquées en appliquant une couche de polymère à haute teneur en carbone sur un support approprié, puis en appliquant de la chaleur pour convertir le polymère en un film CMS microporeux. « Les matériaux CMS présentent de loin les meilleures performances pour un grand nombre d’applications de séparation de gaz à base de membranes très énergivores », déclare le chef du groupe Ingo Pinnau.

« De plus, ces matériaux sont particulièrement robustes chimiquement », précise Ogieglo. « Ils sont très prometteurs pour des situations telles que la production de plastique ou la capture des gaz à effet de serre, car ils fonctionnent de manière fiable même dans des environnements chimiques très difficiles et à des températures élevées », dit-il.

L’un des aspects de la recherche sur les membranes CMS consiste à optimiser l’épaisseur du film CMS afin de minimiser l’énergie requise pour séparer un mélange chimique. « Intuitivement, on pourrait penser que plus la membrane est fine, mieux c’est », explique Ogieglo. On s’attend à ce qu’une couche de CMS plus mince fournisse la moindre résistance au transport aux molécules passant à travers ses pores. Cependant, l’équipe a découvert que lors de la fabrication de films CMS en dessous de 50 nanomètres, la couche CMS était très compacte avec une faible microporosité. « De tels films extrêmement minces représentent une résistance au transport beaucoup plus élevée que prévu », explique Ogieglo. Les films CMS plus épais de 300 nanomètres avaient une microporosité significativement plus élevée, a montré l’équipe.

« Nous pensons qu’il doit y avoir un point idéal dans la plage d’épaisseur – ni trop fin, ni trop épais – où la performance de la membrane est optimale », explique Ogieglo. « Nous essayons actuellement de découvrir où se situe ce point idéal pour différents types de matériaux membranaires. »

« Les résultats alimenteront les efforts plus larges de l’équipe pour développer des membranes de séparation CMS évolutives et de qualité industrielle », a déclaré Pinnau. « Nous augmentons actuellement la production de membranes composites CMS afin de tester leurs performances et leur stabilité à long terme dans les modules membranaires », ajoute-t-il.


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Plus d’information:
Wojciech Ogieglo et al., Effets du nano-confinement sur le développement de la structure et le gonflement induit par les solvants organiques des films de tamis moléculaires en carbone ultra-mince, Matériaux et interfaces appliqués ACS (2021). DOI : 10.1021 / acsami.1c03392

Fourni par l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah

Citation: Le point idéal pour l’épaisseur de la membrane des séparations durables (2021, 14 juillet), consulté le 14 juillet 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-07-sweet-membrane-thickness-sustainable.html

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