Destinés à la décharge, les déchets agricoles contiennent des sources de carbone qui peuvent être utilisées pour produire des composés de grande valeur, tels que l’acide p-coumarique, qui est utilisé dans la fabrication de produits pharmaceutiques. L’électrodéionisation, une méthode de séparation qui utilise des membranes échangeuses d’ions, est un moyen de capturer les acides et d’autres composants utiles. Cependant, pour capturer de grandes quantités à grande échelle, des améliorations de la méthode doivent être apportées.
Une équipe de recherche dirigée par Penn State a inventé une nouvelle classe d’assemblages de tranches de membrane échangeuse d’ions qui améliore considérablement la capacité de l’électrodéionisation à capturer l’acide p-coumarique à partir de mélanges liquides tout en utilisant moins d’énergie et en économisant de l’argent. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans ACS Génie Chimique Durable. Leur article a également été sélectionné pour la couverture du journal le 23 janvier.
D’abord commercialisée pour purifier l’eau, l’électrodésionisation a été utilisée ces dernières années pour capturer des composants précieux des flux de déchets. Dans le processus, un flux de mélange liquide est alimenté à travers un empilement de plusieurs membranes échangeuses d’ions et de plaquettes de résine, qui ressemblent à une éponge et sont maintenues ensemble avec un adhésif polymère. Lorsque l’électricité est appliquée, les ions dans le liquide se déplacent à travers la pile et l’acide p-coumarique se sépare en un flux de traitement concentré, où il peut ensuite être collecté.
« Pour améliorer le processus, nous avons dû améliorer la plaquette de résine », a déclaré l’auteur correspondant Chris Arges, professeur agrégé de génie chimique à Penn State. « Auparavant, les membranes prenaient en sandwich l’éponge de plaquette de résine avec un adhésif en polyéthylène, qui est actuellement utilisé dans l’industrie comme « colle » de résine, mais cela entraînait un mauvais contact entre la membrane et la plaquette de résine. Nous avons remplacé le polyéthylène par un ionomère d’imidazolium, un type de polymère, et collé une membrane d’imidazolium sur le dessus de la plaquette de résine. »
En collant la membrane à la plaquette, les chercheurs ont réduit la quantité de membrane nécessaire de 30 %, réduisant ainsi le coût de l’unité d’électrodéionisation. La nouvelle conception a également réduit la résistance interfaciale entre la membrane et la plaquette, car les mêmes chimies de membrane et de liant ont été collées ensemble plutôt que de s’asseoir sur et sous l’éponge avec des espaces d’air. La réduction de la résistance a entraîné une augmentation du taux de capture de l’acide p-coumarique, permettant aux chercheurs d’utiliser une unité plus petite.
« Nous savions que le nouveau matériau capturait plus d’acide p-coumarique, mais nous ne savions pas pourquoi », a déclaré Arges. « Notre collaborateur Revati Kumar a effectué des simulations pour savoir pourquoi cela fonctionnait mieux. »
Kumar, professeur agrégé de chimie à la Louisiana State University, a découvert que l’imidazolium augmentait la solubilité de l’acide p-coumarique et stimulait une diffusion plus rapide dans le matériau.
« Multipliées ensemble, la solubilité et la diffusion sont égales à la perméabilité, ou à quelle vitesse nous éliminons l’acide lorsqu’il se déplace à travers le réseau de plaquettes de résine membranaire dans le compartiment du concentré », a déclaré Arges.
Arges a comparé la perméabilité au taux de voyageurs passant par une ligne de sécurité dans les aéroports. Au fur et à mesure que de nouveaux points de contrôle de sécurité sont ajoutés, davantage de personnes peuvent se déplacer sur la ligne, ce qui augmente la perméabilité de la ligne.
Par conséquent, une perméabilité accrue diminue les chances que l’acide p-coumarique se lie aux matériaux de la plaquette de membrane-résine, connue sous le nom d’encrassement, au lieu de se déplacer à travers la membrane.
« L’assemblage de plaquettes de résine à membrane d’imidazolium favorise le flux d’acide p-coumarique à travers la membrane, ce qui pose un problème lorsque d’autres matériaux, comme le polyéthylène, sont utilisés », a déclaré Arges.
Comparées à la configuration actuelle des tranches de résine, la nouvelle configuration de la membrane et les nouveaux matériaux entraînent une multiplication par sept de la capture de l’acide p-courmarique tout en utilisant 70 % d’énergie en moins, selon les chercheurs. Les nouveaux assemblages réduisent également la quantité de membrane utilisée dans le processus, ce qui entraîne des économies de coûts importantes.
Les collaborateurs d’Arges au Laboratoire national d’Argonne ont déposé un brevet pour la nouvelle technologie d’assemblage membrane-wafer.
Outre Arges et Kumar, les co-auteurs incluent Matthew Jordan, Hishara Keshani Gallage Dona et Dodangodage Ishara Senadheera, Louisiana State University; et Grzegorz Kokoszka et Yupo J. Lin, Laboratoire national d’Argonne.
Plus d’information:
Matthew L. Jordan et al, Integrated Ion-Exchange Membrane Resin Wafer Assemblies for Aromatic Organic Acid Separations Using Electrodeionization, ACS Chimie & Ingénierie Durables (2023). DOI : 10.1021/acssuschemeng.2c05255