Les solutés à l’échelle nanométrique présentant seulement de légères différences de taille peuvent être séparés par des membranes dotées de pores identiques – si elles ont suffisamment d’opportunités d’essayer. Crédit : Laboratoire National d'Argonne
Les scientifiques ont développé une nouvelle technique pour surmonter les limites perçues des membranes avec des pores de taille uniforme
Des recherches récentes sur les membranes isoporeuses, qui présentent des pores de taille uniforme, montrent un potentiel d’amélioration de la précision et de l’efficacité des processus de séparation industriels en permettant aux solutés de tenter plusieurs fois de traverser les pores.
Imaginez un match de basket serré qui se joue sur le tir final. La probabilité que le ballon passe à travers le panier est peut-être assez faible, mais elle augmenterait considérablement si le joueur avait la possibilité de tirer à plusieurs reprises.
Une idée similaire est en jeu dans le domaine scientifique des séparations membranaires, un processus clé au cœur des industries qui incluent tout, de la biotechnologie à la pétrochimie en passant par le traitement de l'eau et l'alimentation et les boissons.
« Les séparations sont au cœur de nombreux produits que nous utilisons dans notre vie quotidienne », a déclaré Seth Darling, directeur du Centre des matériaux avancés pour les systèmes d'eau et d'énergie (AMEWS) au Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE). « Les membranes sont la clé pour réaliser des séparations efficaces. «
Défis liés aux membranes commerciales
De nombreux procédés commerciaux utilisent des membranes pour séparer différentes tailles de solutés, qui sont des substances dissoutes dans l'eau ou d'autres fluides. Presque toutes les membranes commerciales sont polydisperses, ce qui signifie que leurs tailles de pores ne sont pas uniformes. Pour ces membranes, il est presque impossible de réaliser une séparation nette des matériaux, car différentes tailles de solutés peuvent passer à travers différents pores. « Essentiellement toutes les membranes commerciales, toutes les membranes qui sont réellement utilisées pour quoi que ce soit, ont une large gamme de tailles de pores : petits pores, pores moyens et gros pores », a déclaré Darling.
Darling et ses collègues d'Argonne et de la Pritzker School of Molecular Engineering du Université de Chicago se sont intéressés aux propriétés des membranes isoporeuses, qui sont des membranes dans lesquelles tous les pores ont la même taille. Auparavant, les scientifiques pensaient qu'il y avait une limite à la netteté des séparations qu'ils pouvaient réaliser au niveau à l'échelle nanométriquenon seulement en raison des variations de la taille des pores, mais aussi d’un phénomène appelé « transport entravé ».
Le transport entravé fait référence à la résistance interne du milieu fluide lorsque le soluté tente de traverser le pore.
Surmonter les obstacles au transport
« L'eau présente dans les pores créera une traînée sur une molécule ou une particule qui essaie de passer à travers, ce qui la ralentira », a déclaré Darling. « Ces solutés plus lents semblent être rejetés par la membrane. Contre-intuitivement, des objets même de la moitié de la taille des pores finiront par être rejetés environ la moitié du temps. Surmonter le rejet créé par les transports entravés permettrait une sélectivité sans précédent dans les séparations basées sur la taille, a-t-il expliqué.
« Le régime qui nous intéresse implique des pores d'environ 10 nanomètres de diamètre. Avec une membrane parfaite et une conception de processus appropriée, nous pensons pouvoir séparer les solutés avec une différence de taille d’à peine cinq pour cent. Les membranes actuelles n’ont aucune chance d’y parvenir », a déclaré Darling.
Dans une nouvelle étude, Darling et ses collègues ont découvert une dynamique qui ne pouvait être révélée que par l’étude des membranes isoporeuses, et qui donne l’espoir de surmonter les limitations du transport entravé. « Jusqu’à présent, les scientifiques avaient implicitement supposé que chaque soluté n’avait droit qu’à une seule tentative pour traverser un pore, et que le transport entravé produirait le rejet de nombreux solutés plus petits que la taille du pore, les obligeant à rester dans le flux d’alimentation plutôt que dans le flux de sortie », a ajouté Darling. « Bien que cela puisse paraître évident pour certains, les gens n’ont jamais vraiment envisagé une situation dans laquelle les solutés pourraient faire plusieurs tentatives pour traverser une membrane. »
Pour donner aux molécules de soluté plusieurs chances de traverser le pore, il a fallu faire tourner la solution d'alimentation pendant plusieurs semaines. « Même avec une période d'expérimentation prolongée, nous ne voyons toujours que des solutés individuels essayant de traverser un pore quelques fois en moyenne, mais cela fait une grande différence en déplaçant la courbe de séparation vers une fonction plus nette en forme d'étape », a déclaré Darling. « Avec un temps plus long, ou plus probablement une conception de processus améliorée, nous pensons que nous verrons une séparation claire et nette exactement là où la taille des pores correspond à la taille du soluté. »
Les connaissances acquises grâce aux membranes isoporeuses pourraient être appliquées aux matériaux membranaires existants, conçus pour augmenter le nombre de possibilités de passage des solutés à travers les pores. « Si ces études fondamentales peuvent être transférées avec succès aux séparations membranaires industrielles, cela pourrait avoir un impact considérable sur de nombreux secteurs de notre économie », a-t-il déclaré.
Le travail a été soutenu par le Bureau des sciences énergétiques fondamentales du DOE.
