La séparation des molécules est essentielle à la production de nombreux produits essentiels. Par exemple, dans raffinement pétrolier, les hydrocarbures (composés chimiques composés d’hydrogène et de carbone) contenus dans le pétrole brut sont séparés en essence, diesel et lubrifiants en les triant en fonction de leur taille moléculaire, de leur forme et de leur poids. Dans le industrie pharmaceutiqueles ingrédients actifs des médicaments sont purifiés en séparant les molécules médicamenteuses des enzymes, des solutions et des autres composants utilisés pour les fabriquer.
Ces processus de séparation nécessitent une quantité d’énergie considérable, représentant environ la moitié de la consommation énergétique industrielle des États-Unis. Traditionnellement, les séparations moléculaires reposaient sur des méthodes nécessitant un chauffage et un refroidissement intensifs, ce qui les rendait très inefficaces sur le plan énergétique.
Nous sommes chimique et ingénieurs en biologie. Dans notre recherche récemment publiée dans Sciencenous avons conçu un nouveau type de membrane avec nanopores capable de séparer rapidement et précisément une large gamme de molécules dans des conditions industrielles difficiles.
Technologie membranaire
Les membranes sont des barrières physiques qui peut séparer les molécules dans un mélange comme un tamis en fonction de leur taille ou de leur affinité (telle que la charge ou la polarité) avec le matériau de la membrane. Par exemple, vos cellules sont entourés d’une membrane qui transporte les nutriments à l’intérieur et en évacue les toxines. Technologie membranaire inclure des barrières synthétiques capables de séparer les molécules dans des mélanges d’importance industrielle à un coût énergétique inférieur à celui des méthodes traditionnelles.
Membranes actuellement disponibles, y compris celles utilisées à grande échelle dessalement de l’eau de mersouffrent d’instabilité à des températures élevées et lorsqu’ils sont exposés à solvants organiques—des produits chimiques à base de carbone qui dissolvent d’autres substances. Cela a limité l’utilisation de membranes dans de nombreuses séparations industrielles.
Les membranes sont une méthode pour dessaler l’eau.
Matériaux inorganiques sont plus stables et mieux à même de survivre aux conditions industrielles. Des études antérieures se sont concentrées sur la fabrication de membranes inorganiques ultrafines afin de permettre le passage de molécules spécifiques. Mais la minceur augmente le risque de créer des défauts et des trous d’épingle dans la membrane, et serait difficile à réaliser à l’échelle industrielle.
Améliorer la séparation membranaire
Nous avons développé une technique pour fabriquer un nouveau matériau inorganique appelé oxyde métallique dopé au carbone capable de séparer des molécules organiques inférieures à un nanomètre (pour l’échelle, un atome d’or est un tiers de nanomètre de diamètre).
S’inspirant d’une technologie existante que les fabricants utilisent pour fabriquer des semi-conducteurs, appelée dépôt de couche moléculaire, nous avons travaillé avec deux réactifs peu coûteux issus de ce procédé et généré des films minces. Ces films contiennent des nanopores qui peuvent être réglés avec précision pour contrôler la séparation de molécules allant de 0,6 à 1,2 nanomètres de diamètre.
L’une des principales caractéristiques de notre membrane est qu’elle peut résister à des conditions difficiles. Ces membranes sont stables jusqu’à 284° Fahrenheit (140° Celsius) et des pressions jusqu’à 30 atmosphères (environ 441 livres par pouce carré) en présence de solvants organiques. Cette stabilité est essentielle, car de nombreux processus de séparation industriels peuvent économiser d’énormes quantités d’énergie lorsqu’ils sont effectués à des températures élevées.
À titre de démonstration, nous avons utilisé notre membrane dans l’étape de séparation des molécules lors de la fabrication du pesticide boscalid. En adaptant la taille des pores de nos membranes aux tailles des molécules du mélange, nous avons pu séparer chaque composant individuel du réactif, du produit et du catalyseur.
Grâce à la stabilité de notre membrane, nous avons pu réaliser l’ensemble du processus à 194°F (90°C), température à laquelle la réaction a lieu, éliminant ainsi le besoin de réduire la température pendant le processus de séparation. Cela peut réduire considérablement la consommation d’énergie et, par conséquent, réduire l’empreinte carbone du processus industriel.
Nous pensons que notre membrane peut être utilisée dans de nombreux processus industriels similaires, y compris ceux impliquant des conditions difficiles dans lesquelles les membranes traditionnelles échoueraient, et nous sommes convaincus qu’elle peut être rapidement étendue. Cela peut ouvrir la porte aux chercheurs et aux fabricants pour utiliser des membranes dans des applications jusqu’alors inexplorées.
Plus d’information:
Bratin Sengupta et al, Nanofilms interfaciaux d’oxyde métallique dopés au carbone pour une séparation ultrarapide et précise des molécules, Science (2023). DOI : 10.1126/science.adh2404
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