Les mélanges chimiques impurs peuvent désormais être séparés en fonction des différences de silhouette moléculaire. Des membranes ont été développées avec des pores à l’échelle nanométrique qui correspondent à la forme des impuretés dans le mélange afin que seule l’impureté puisse passer à travers. Les chercheurs de KAUST ont suggéré que la première application de ces membranes sélectives de forme à base de structure organométallique (MOF) pourrait être une purification du gaz naturel économe en énergie et à faible coût.
Les MOF sont des matériaux poreux cristallins hybrides organiques-inorganiques qui peuvent présenter différents types de pores à travers leur structure. En construisant des MOF à partir de différents blocs de construction organiques et inorganiques, les chercheurs peuvent affiner la structure et l’ouverture des pores. Les membranes MOF ont déjà montré un grand potentiel pour séparer des mélanges de molécules en fonction des différences de taille ou de polarisabilité.
Le gaz naturel, également connu sous le nom de méthane, devrait jouer un rôle de plus en plus important dans l’approvisionnement énergétique mondial pendant la transition vers les énergies renouvelables. Presque tous les réservoirs de gaz naturel sont contaminés par l’azote. « L’azote dilue le pouvoir calorifique du gaz naturel, il doit donc être éliminé », explique Sheng Zhou, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Mohamed Eddaoudi, qui a dirigé la recherche.
Les chercheurs de KAUST ont développé une membrane MOF capable de purifier le gaz naturel. Crédit : KAUST.
L’azote est chimiquement inerte et similaire à la fois en forme cinétique et en polarisabilité au méthane, il ne peut donc pas être éliminé par les membranes existantes. « Pour la purification industrielle du gaz naturel, il doit y avoir des unités de rejet d’azote basées sur la distillation cryogénique », explique Zhou. Cette technique de séparation à ultra-basse température est coûteuse et énergivore.
Eddauodi, Zhou et leurs collègues ont développé une méthode très efficace à base de MOF pour purifier le méthane. « Nous avons conçu une membrane poreuse qui sépare l’azote du méthane en exploitant une différence significative entre les molécules : leur forme », explique Zhou.
Alors que l’azote a une structure linéaire en forme de bâtonnet, le méthane a un profil triangulaire de type trèfle. L’équipe a créé un nouveau matériau de membrane, nommé Zr-fum67-mes33-fcu-MOF, avec des pores asymétriques formés avec précision pour bloquer le méthane mais permettre à l’azote de passer à travers.
L’équipe a maintenant montré que, par rapport à la séparation cryogénique, le MOF à sélection de forme réduisait les coûts de purification de 66 % pour un flux de méthane contenant 15 % d’azote.
D’autres impuretés potentielles pourraient également être éliminées. Pour le méthane contaminé par 35 % de dioxyde de carbone et 15 % d’azote, le coût de purification a été réduit d’environ 73 %. « Nous avons constaté une réduction massive du coût total de purification lorsque la membrane a été utilisée », explique Osama Shekhah, chercheur principal au laboratoire d’Eddaoudi.
Jusqu’à présent, la différence de forme dans les mélanges moléculaires a été largement ignorée, dit Eddaoudi. « La séparation induite par l’inadéquation de la forme est un mécanisme de séparation totalement nouveau », dit-il. « Une fois que les gens se sont concentrés sur la séparation par mésappariement de forme, ils peuvent trouver de nombreux mélanges chimiques, tels que des hydrocarbures linéaires et ramifiés ou des produits chimiques aromatiques, qui pourraient être efficacement séparés à l’aide de ce concept. »
La recherche a été publiée dans La nature.
Mohamed Eddaoudi, Fenêtres à pores asymétriques dans les membranes MOF pour la valorisation du gaz naturel, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04763-5