L’élimination sélective des gaz nocifs, par exemple le sulfure d’hydrogène (H2S) et le dioxyde de carbone (CO2) du gaz naturel (CH4) pourrait devenir plus simple et très efficace en utilisant une nouvelle classe de membranes métallo-organiques à matrice mixte orientée (MMMOF) développées à KAUST qui peut permettre une meilleure utilisation de ce combustible fossile plus propre.
Les avantages de la technologie membranaire par rapport à la séparation traditionnelle (par exemple, la distillation cryogénique et la séparation par adsorption) sont qu’elle est économe en énergie et plus simple à utiliser. Les membranes à matrice mixte (MMM) formées par un adsorbant sélectif intégré dans une matrice polymère continue représentent une combinaison attrayante des adsorbants et un traitement facile des polymères.
« Notre réalisation, l’alignement dans le plan des nanofeuilles MOF à l’intérieur de la matrice polymère et la traduction réussie des propriétés de séparation distinctes de l’adsorbant dans une matrice transformable sont révolutionnaires », déclare Shuvo Datta.
Les MOF sont des matériaux hybrides organiques-inorganiques qui contiennent des ions métalliques ou des clusters maintenus en place par des molécules organiques appelées lieurs. La variation de ces parties permet aux chercheurs de créer une ouverture de pore appropriée qui permet la sorption et/ou la diffusion sélective d’un gaz sur un autre en fonction de leur taille.
« Ces matériaux cristallins sont difficiles à transformer en une membrane continue orientée sans défaut, mais nous avons développé une méthode simple de coulée en solution pour les transformer », explique Mohamed Eddaoudi.
Les MMM conventionnels subissent souvent une incompatibilité d’interface nanoparticule-polymère, et les canaux ou les pores des adsorbants sont orientés de manière aléatoire, ce qui entrave la séparation des gaz. Pour éviter ces limitations, les membranes MMMOF ont été conçues et construites sur la base de trois critères interdépendants : (i) un MOF fluoré (KAUST-8), en tant qu’adsorbant à tamis moléculaire qui améliore sélectivement la diffusion de H2S et de CO2 tout en excluant le CH4 ; (ii) adapter la morphologie cristalline MOF en nanofeuilles avec un canal 1D exposé au maximum et favoriser une interaction nanofeuille-polymère ; et (iii) alignement dans le plan des nanofeuilles dans la matrice polymère et réalisation de la membrane MMMOF uniformément orientée.
La membrane MMMOF a démontré une bien meilleure séparation du H2S et du CO2 du gaz naturel dans des conditions de travail pratiques (par exemple, haute pression, haute température, durée prolongée de 30 jours, etc.) par rapport aux MMM conventionnels.
« En fait, cette membrane orientée flexible à l’échelle centimétrique peut être considérée comme une seule pièce d’un cristal flexible dans lequel des milliers de nanofeuilles MOF sont uniformément alignées dans une direction cristallographique prédéfinie et les espaces entre les nanofeuilles alignées sont remplis de polymère. C’est la première du genre », déclare Shuvo Datta.
« Je ne doute pas que cette découverte inspirera les scientifiques du milieu universitaire et de l’industrie à explorer diverses membranes pratiques pour traiter de nombreuses séparations industrielles à forte intensité énergétique », déclare Mohamed Eddaoudi.
L’étude est publiée dans La science, et l’équipe souhaite maintenant étendre sa procédure pour démontrer son potentiel commercial. Ils chercheront également à l’appliquer à d’autres procédés industriels importants de séparation des gaz.
Shuvo Jit Datta et al, Conception rationnelle de membranes métallo-organiques à matrice mixte pour les séparations moléculaires, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abe0192. www.science.org/doi/10.1126/science.abe0192