Une membrane plus efficace pour purifier le gaz naturel

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Le gaz naturel et le biogaz sont devenus des sources d’énergie de plus en plus populaires dans le monde entier ces dernières années, grâce à leur processus de combustion plus propre et plus efficace par rapport au charbon et au pétrole.

Une membrane pour purifier le gaz naturel

Cependant, la présence de contaminants tels que le dioxyde de carbone dans le gaz signifie que celui-ci doit d’abord être purifié avant de pouvoir être brûlé comme combustible.

Les procédés traditionnels de purification du gaz naturel impliquent généralement l’utilisation de solvants toxiques et sont extrêmement énergivores. En conséquence, des chercheurs ont étudié l’utilisation de membranes comme moyen d’éliminer les impuretés du gaz naturel de manière plus économique et écologique, mais trouver un matériau en polymère capable de séparer les gaz rapidement et efficacement s’est avéré un défi.

Aujourd’hui, dans un article publié aujourd’hui dans la revue Advanced Materials, des chercheurs du MIT décrivent un nouveau type de membrane en polymère capable d’améliorer considérablement l’efficacité de la purification du gaz naturel tout en réduisant son impact sur l’environnement.

Cette membrane, qui a été conçue par une équipe de recherche interdisciplinaire du MIT, est capable de traiter le gaz naturel beaucoup plus rapidement que les matériaux conventionnels, selon l’auteur principal, Yuan He, étudiant de troisième cycle au département de chimie du MIT.

«Notre conception peut traiter beaucoup plus de gaz naturel – en éliminant beaucoup plus de dioxyde de carbone – en moins de temps», explique-t-il.

Les membranes existantes sont généralement fabriquées à partir de brins linéaires de polymère, explique Zachary Smith, professeur de développement de carrière en ingénierie chimique Joseph R. Mares au MIT, qui a dirigé cet effort de recherche.

«Ce sont des polymères à longue chaîne, qui ressemblent à des molécules de nouilles cuites au four, au niveau moléculaire», dit-il. «Vous pouvez rendre ces nouilles spaghettis cuites plus rigides et, ce faisant, vous créez des espaces entre les nouilles qui modifient la structure de la garniture et l’espace entre lequel les molécules peuvent pénétrer.»

Cependant, ces matériaux ne sont pas suffisamment poreux pour permettre aux molécules de dioxyde de carbone de les traverser à une vitesse suffisamment rapide pour concurrencer les procédés de purification existants. Au lieu d’utiliser de longues chaînes de polymères, les chercheurs ont conçu des membranes dans lesquelles les mèches ressemblent à des brosses à cheveux, avec de minuscules soies sur chaque mèche. Ces poils permettent aux polymères de séparer les gaz beaucoup plus efficacement.

«Nous avons une nouvelle stratégie de conception, dans laquelle nous pouvons ajuster les poils de la brosse à cheveux, ce qui nous permet d’ajuster précisément et systématiquement ce matériau», explique Smith. «Ce faisant, nous pouvons créer des espacements sous-nanométriques précis et permettre aux types d’interactions dont nous avons besoin de créer des membranes sélectives et hautement perméables.»

Elle peut résister à de très fortes pressions 

Des expériences ont montré que cette membrane était capable de résister à des pressions d’alimentation sans précédent de dioxyde de carbone allant jusqu’à 51 bars sans subir de plastification, ont rapporté les chercheurs. Cela se compare à environ 34 bars pour les matériaux les plus performants. La membrane est également 2 000 à 7 000 fois plus perméable que les membranes traditionnelles, selon l’équipe.

Comme les chaînes latérales, ou «soies», peuvent être préconçues avant d’être polymérisées, il est beaucoup plus facile d’intégrer une gamme de fonctions au polymère, selon Francesco Benedetti, étudiant diplômé invité du laboratoire de recherche de Smith au département de chimie d’ingénierie au MIT.

Cette recherche comprenait également Timothy Swager, professeur de chimie John D. MacArthur, et Troy Van Voorhis, professeur de chimie Haslam et Dewey, étudiants du MIT Hong-Zhou Ye et Sharon Lin, M. Grazia DeAngelis de l’Université de Bologne, et Chao Liu et Yanchuan Zhao de l’Académie chinoise des sciences.

«Les performances du matériau peuvent être optimisées en apportant des modifications très subtiles aux chaînes latérales, ou brosses, que nous avons préconçues», explique Benedetti. «C’est très important, car cela signifie que nous pouvons cibler des applications très différentes, simplement en effectuant des changements très subtils.»

De plus, les chercheurs ont découvert que les polymères de leur brosse à cheveux sont mieux à même de résister à des conditions susceptibles de provoquer la défaillance d’autres membranes. Dans les membranes existantes, les brins de polymère à longue chaîne se chevauchent, se collent pour former des films à l’état solide. Mais avec le temps, les brins de polymère glissent les uns sur les autres, créant une instabilité physique et chimique.

Dans cette nouvelle conception en revanche, les poils en polymères sont tous reliés par un brin à longue chaîne, qui sert de squelette. En conséquence, les poils individuels sont incapables de bouger, ce qui crée un matériau membranaire plus stable. Cette stabilité confère à ce matériau une résistance sans précédent à un processus appelé plastification, dans lequel les polymères gonflent en présence de matières premières agressives telles que le dioxyde de carbone, explique Smith.

Une une stabilité sans précédent

«Nous avons constaté une stabilité sans précédent dans les polymères traditionnels», déclare-t-il.

L’utilisation de membranes polymères pour la séparation des gaz offre une efficacité énergétique élevée, un impact minimal sur l’environnement et un fonctionnement simple et continu, mais les matériaux commerciaux existants ont une perméance faible et une sélectivité modérée, ce qui les rend moins compétitifs que d’autres procédés à plus forte intensité énergétique, explique Yan Xia, assistant. professeur de chimie à l’université de Stanford, qui n’a pas participé à la recherche.

«Les membranes de ces polymères présentent une très grande perméance à plusieurs gaz importants sur le plan industriel», déclare Xia. « En outre, ces polymères présentent peu de plastification indésirable lorsque la pression du gaz augmente, malgré leur colonne relativement flexible, ce qui en fait des matériaux de choix pour les séparations liées au dioxyde de carbone. »

Les chercheurs envisagent maintenant de mener une étude systématique de la chimie et de la structure des brosses afin d’évaluer en quoi cela affecte leurs performances, a-t-il déclaré. « Nous recherchons la chimie et la structure les plus efficaces pour aider le processus de séparation. »

L’équipe espère également étudier l’utilisation de cette conception de leurs membranes dans d’autres applications, notamment le captage et le stockage du carbone, et même dans la séparation de liquides.

Source : MIT
Crédit photo sur Unsplash : Will

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