Membranes brûlantes pour le tamisage moléculaire

18 août 2022

par l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah

Une membrane de nanofiltration robuste qui agit comme un tamis moléculaire hautement efficace peut éviter de nombreux problèmes avec les membranes polymères actuelles.

La filtration joue un rôle crucial dans de nombreuses industries, allant de la purification de l'eau à la production pharmaceutique. La nanofiltration de solvants organiques, par exemple, utilise des membranes avec de minuscules pores pour éliminer les molécules qui sont dissoutes dans des solvants organiques (à base de carbone).

La nanofiltration est plus économe en énergie que les méthodes de séparation alternatives telles que la distillation. Mais pour résister aux rigueurs d'une utilisation industrielle, les membranes de nanofiltration doivent être stables contre les solvants, les acides et les bases agressifs.

"Malheureusement, la majorité des membranes à base de polymères présentent une faible stabilité chimique", explique le postdoc Rifan Hardian. Ces membranes ont généralement besoin d'agents de réticulation chimiques supplémentaires pour améliorer leur stabilité, ce qui complique leur fabrication. De nombreuses membranes, à mesure qu'elles gonflent et vieillissent, ont également tendance à perdre de leur performance et peuvent même se décomposer pour libérer des traces de contaminants.

Hardian et ses collègues de KAUST Mahmoud A. Abdulhamid et Gyorgy Szekely ont maintenant surmonté ces inconvénients en créant un nouveau type de membrane de tamis moléculaire de carbone (CMS) qui ne nécessite pas d'agents de réticulation supplémentaires.

La membrane est basée sur un polymère appelé 6FDA-DMN, qui peut être formé en une membrane plate et poreuse avec une bonne stabilité thermique. La cuisson de la membrane polymère à 400–600 degrés Celsius pendant plusieurs heures a progressivement brûlé certains de ses groupes chimiques pour laisser une membrane résistante entièrement en carbone. Des images au microscope électronique ont montré qu'aux températures les plus élevées, ce processus de carbonisation rétrécissait également considérablement les pores de la membrane.

Après avoir affiné les conditions de fabrication de la membrane CMS, les chercheurs ont testé ses capacités de filtration en utilisant des solutions contenant des molécules de différentes tailles. Le profil des molécules retenues par la membrane, comparé à celles qui traversaient ses pores, a révélé l'efficacité de la membrane à tamiser différentes molécules.

Les membranes préparées à 600 degrés Celsius ont obtenu les meilleurs résultats, retenant la plupart des plus petites molécules tout en permettant aux molécules de solvant de s'écouler. L'équipe a également découvert que la structure poreuse du polymère initial était essentielle pour produire une membrane CMS à haute perméance aux solvants.

"Une combinaison de rejet élevé de petites molécules et de perméabilité élevée aux solvants indique une meilleure performance de la membrane", explique Hardian. "Les membranes ont également présenté une stabilité exceptionnelle dans divers solvants organiques, y compris les acides et les bases, pendant une longue période."

Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer la perméance de la membrane et prévoient d'incorporer divers nanomatériaux dans la membrane pour contrôler ses propriétés.

La recherche a été publiée dans Applied Materials Today.

Plus d'information: Mahmoud A. Abdulhamid et al, Membranes de tamis moléculaires en carbone à structure asymétrique à peau intégrale pour la nanofiltration de solvant organique (OSN) et l'osmose inverse de solvant organique (OSRO), Applied Materials Today (2022). DOI : 10.1016/j.apmt.2022.101541

Fourni par l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah