Les chercheurs ont développé une nouvelle technologie de membrane qui permet une élimination plus efficace du dioxyde de carbone (CO2) des gaz mixtes, tels que les émissions des centrales électriques.
« Pour démontrer la capacité de nos nouvelles membranes, nous avons examiné les mélanges de CO2 et d’azote, car les mélanges CO2/dioxyde d’azote sont particulièrement pertinents dans le contexte de la réduction des émissions de gaz à effet de serre des centrales électriques », explique Rich Spontak, co-auteur correspondant de un article sur le travail. « Et nous avons démontré que nous pouvons considérablement améliorer la sélectivité des membranes pour éliminer le CO2 tout en conservant une perméabilité au CO2 relativement élevée. »
« Nous avons également examiné les mélanges de CO2 et de méthane, qui sont importants pour l’industrie du gaz naturel », explique Spontak, qui est professeur émérite de génie chimique et biomoléculaire et professeur de science et génie des matériaux à la North Carolina State University. « De plus, ces membranes filtrant le CO2 peuvent être utilisées dans toutes les situations où l’on a besoin d’éliminer le CO2 des gaz mixtes, qu’il s’agisse d’une application biomédicale ou de l’épuration du CO2 de l’air dans un sous-marin. »
Les membranes sont une technologie attrayante pour éliminer le CO2 des gaz mélangés car elles n’occupent pas beaucoup d’espace physique, elles peuvent être fabriquées dans une grande variété de tailles et elles peuvent être facilement remplacées. L’autre technologie souvent utilisée pour l’élimination du CO2 est l’absorption chimique, qui consiste à faire barboter des gaz mélangés dans une colonne contenant une amine liquide, qui élimine le CO2 du gaz. Cependant, les technologies d’absorption ont une empreinte beaucoup plus importante et les amines liquides ont tendance à être toxiques et corrosives.
Ces filtres à membrane fonctionnent en permettant au CO2 de traverser la membrane plus rapidement que les autres constituants du mélange gazeux. En conséquence, le gaz sortant de l’autre côté de la membrane a une proportion de CO2 plus élevée que le gaz entrant dans la membrane. En captant le gaz qui sort de la membrane, vous captez plus de CO2 que les autres gaz constitutifs.
Un défi de longue date pour ces membranes a été un compromis entre la perméabilité et la sélectivité. Plus la perméabilité est élevée, plus vous pouvez déplacer rapidement le gaz à travers la membrane. Mais lorsque la perméabilité augmente, la sélectivité diminue, ce qui signifie que l’azote, ou d’autres constituants, traversent également rapidement la membrane, ce qui réduit le rapport du CO2 aux autres gaz dans le mélange. En d’autres termes, lorsque la sélectivité diminue, vous capturez relativement moins de CO2.
L’équipe de recherche, des États-Unis et de la Norvège, a résolu ce problème en développant des chaînes polymères chimiquement actives qui sont à la fois hydrophiles et CO2-philes à la surface des membranes existantes. Cela augmente la sélectivité du CO2 et entraîne relativement peu de réduction de la perméabilité.
« En bref, avec peu de changement dans la perméabilité, nous avons démontré que nous pouvons augmenter la sélectivité jusqu’à environ 150 fois », déclare Marius Sandru, co-auteur correspondant de l’article et chercheur principal chez SINTEF Industry, une société de recherche indépendante organisation en Norvège. « Nous capturons donc beaucoup plus de CO2, par rapport aux autres espèces dans les mélanges gazeux. »
Un autre défi auquel sont confrontés les filtres à CO2 à membrane a été le coût. Plus les technologies membranaires précédentes étaient efficaces, plus elles étaient coûteuses.
« Parce que nous voulions créer une technologie commercialement viable, notre technologie a commencé avec des membranes qui sont déjà largement utilisées », explique Spontak. « Nous avons ensuite conçu la surface de ces membranes pour améliorer la sélectivité. Et bien que cela augmente le coût, nous pensons que les membranes modifiées seront toujours rentables. »
« Nos prochaines étapes consistent à voir dans quelle mesure les techniques que nous avons développées ici pourraient être appliquées à d’autres polymères pour obtenir des résultats comparables, voire supérieurs ; et à mettre à l’échelle le processus de nanofabrication », déclare Sandru. « Honnêtement, même si les résultats ici ont été tout simplement passionnants, nous n’avons pas encore essayé d’optimiser ce processus de modification. Notre article rapporte des résultats de preuve de concept. »
Les chercheurs souhaitent également explorer d’autres applications, par exemple si la nouvelle technologie membranaire pourrait être utilisée dans des dispositifs de ventilation biomédicale ou des dispositifs de filtration dans le secteur de l’aquaculture.
Les chercheurs se disent ouverts à travailler avec des partenaires de l’industrie pour explorer l’une de ces questions ou opportunités afin d’aider à atténuer le changement climatique mondial et à améliorer le fonctionnement des appareils.
L’article est publié dans la revue La science.
Marius Sandru et al, Une approche intégrée des matériaux pour les membranes polymères CO2 ultraperméables et ultrasélectives, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abj9351