La nouvelle technologie pourrait fournir moins cher, moins

Malgré les efforts pour se tourner vers les sources d'énergie renouvelables, le pétrole reste l'épine dorsale de la société moderne. Il fournit des carburants pour le chauffage et le transport, et des produits chimiques pour tout, des plastiques aux produits pharmaceutiques. Mais toutes ces utilisations nécessitent de séparer le pétrole brut en ses différents composants. Ce processus de séparation, qui repose traditionnellement sur la chaleur, consomme énormément d'énergie et représente environ 1 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre chaque année.

Maintenant, les chimistes disent qu'un matériau nouvellement développé pourrait un jour aider à alléger cette empreinte carbone importante, quoique largement invisible, qui consomme quelque 230 gigawatts par an, soit l'équivalent de la consommation totale d'énergie du Nevada. Des chercheurs rapportent cette semaine qu'une nouvelle membrane pourrait, si elle était mise à l'échelle, réduire de plus de moitié l'énergie nécessaire pour séparer le pétrole brut. De telles membranes rendraient non seulement l'utilisation du pétrole brut plus écologique, mais également moins chères à produire pour les raffineries, car cela leur permettrait d'économiser des milliards de dollars par an en coûts énergétiques.

"Les économies potentielles sont assez impressionnantes", déclare Ryan Lively, ingénieur chimiste au Georgia Institute of Technology qui n'a pas participé aux nouveaux travaux. Les nouvelles membranes, ajoute-t-il, doivent encore s'avérer durables pendant des mois, voire des années à la fois. Lui et d'autres préviennent également que les raffineries de pétrole conventionnelles pourraient être lentes à les adopter, car les entreprises ont déjà investi des coûts dans l'installation de systèmes de séparation conventionnels. Cependant, dit Lively, les nouvelles membranes pourraient être rapidement adoptées dans les nouvelles raffineries construites pour séparer les mélanges d'hydrocarbures créés à partir de biocarburants ou de carburants synthétiques fabriqués à partir d'électricité renouvelable. "C'est un territoire vraiment mûr", dit Lively.

Le pétrole brut est un mélange de dizaines de milliers de produits chimiques. La première étape du raffinage du pétrole consiste à séparer ce mélange par un processus de distillation. Le pétrole brut brut est chauffé jusqu'à environ 500°C. Les composants plus légers, tels que ceux qui composent l'essence, se vaporisent à des températures plus basses et sont capturés. Les composants plus lourds, tels que le mazout domestique, se vaporisent à des températures plus élevées.

Il y a deux ans, des chercheurs dirigés par Lively et Andrew Livingston, ingénieur chimiste à l'Université Queen Mary de Londres, ont rapporté dans Science qu'il était possible de séparer ces composants à l'aide de membranes plutôt que par distillation. Ils ont créé des membranes avec des pores intégrés qui permettent aux petits hydrocarbures légers de passer à travers et de garder les plus gros et les plus lourds à l'extérieur. Mais les hydrocarbures légers traversaient les membranes trop lentement pour les rendre pratiques pour une utilisation dans le monde réel.

Pour contourner ce problème, Livingston et ses collègues se sont tournés vers une approche industrielle pour la fabrication de membranes ultrafines de dessalement de l'eau appelée polymérisation interfaciale. Ils espéraient que des membranes plus fines permettraient aux hydrocarbures souhaités de passer plus rapidement. Cependant, note Livingston, bien que les membranes généralement utilisées pour le dessalement soient robustes dans un environnement à base d'eau, elles se désagrègent rapidement lorsqu'elles sont soumises à des hydrocarbures comprenant des solvants industriels.

Ainsi, lui et ses collègues ont reformé les polymères qui composent les membranes conventionnelles. Tout d'abord, ils ont fabriqué des polymères individuels, reliant une partie hydrophobe ou semblable à de l'huile à un brin hydrophile ou semblable à de l'eau. Lorsqu'ils ont ajouté ces molécules dans un mélange d'huile et d'eau, ils se sont spontanément assemblés en minuscules bulles, ou vésicules, avec la partie hydrophobe tournée vers l'intérieur. Ils ont ensuite utilisé la technique de polymérisation interfaciale pour étaler ces vésicules en une feuille ultrafine continue et relier toutes les unités polymères ensemble pour former une membrane robuste.

L'approche a fonctionné. Les noyaux hydrophobes des vésicules ont permis à des hydrocarbures sélectionnés (en fonction de leur taille et d'autres caractéristiques) de passer facilement, environ 10 fois plus rapidement que dans les membranes de séparation d'huile précédentes, ont rapporté Livingston et ses collègues hier dans Science. Les chercheurs ont également montré qu'en adaptant la composition chimique des polymères, ils pouvaient créer différentes membranes qui traversent sélectivement des hydrocarbures de différentes tailles.

Selon Neel Rangnekar, ingénieur chimiste chez Exxon et membre de l'équipe sur le nouveau document, le passage de la distillation à la séparation par membrane pourrait économiser jusqu'à 50 % du coût de chauffage du pétrole brut et 75 % du coût de l'électricité utilisée dans le raffinage, soit au moins 3,5 milliards de dollars par an.

"C'est un résultat très excitant", déclare David Sholl, un expert en séparations au Laboratoire national d'Oak Ridge qui n'a pas participé à l'étude. Cependant, note Sholl, les nouvelles membranes ne sont pas encore prêtes pour une utilisation industrielle. Ils doivent encore être étendus de la taille d'un morceau de papier à lettres à des centaines de mètres carrés et se révéler durables pendant des mois d'utilisation continue. Mais Sholl pense que ces découvertes encourageantes permettront aux compagnies pétrolières de continuer à explorer une technologie qui pourrait à la fois économiser de l'argent et réduire leurs émissions de carbone. "Toutes les entreprises chimiques sont extrêmement intéressées à essayer de faire cela", dit-il.