Une stratégie pour fabriquer du métal

Reportage du 8 septembre 2021

par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

La séparation des mélanges d'hydrocarbures légers fait partie des procédés pétrochimiques et industriels les plus importants. Ce procédé est actuellement considéré comme très énergivore, car il a jusqu'à présent été réalisé à l'aide de techniques conventionnelles, telles que la distillation cryogénique.

Une autre manière de séparer les hydrocarbures légers pourrait être d'utiliser des procédés de séparation à base de membranes. Contrairement à la distillation cryogénique et à d'autres procédés traditionnels, la séparation à base de membranes n'est pas entraînée par la chaleur, elle pourrait donc contribuer à réduire les besoins énergétiques globaux de la séparation des hydrocarbures légers. Depuis quelques années, les scientifiques du monde entier tentent ainsi de développer et d'identifier de nouveaux matériaux qui pourraient être utilisés pour fabriquer des membranes permettant de réaliser de telles séparations énergivores.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST) ont récemment introduit une stratégie polyvalente d'assemblage dirigé électrochimique pour fabriquer des membranes pour la séparation des hydrocarbures. Cette stratégie, présentée dans un article publié dans Nature Energy, leur a permis de fabriquer une structure métallo-organique sous forme de films minces continus et de les déployer sous forme de membranes qui pourraient réduire l'apport d'énergie dans les procédés de séparation des hydrocarbures de près de 90 % par rapport aux procédés conventionnels de distillation unique.

"Nos explorations précédentes sur la conception, la découverte et le développement de structures organométalliques (MOF) ont dévoilé une nouvelle plate-forme basée sur les MOF cubiques à face cantée (fcu), qui se sont avérées modifiables pour un réglage ultra-fin de leurs ouvertures de pores, positionnant les fcu-MOF comme des sorbants appropriés pour diverses séparations clés ", a déclaré à TechXplore Mohamed Eddaoudi, l'un des chercheurs qui a mené l'étude. « L'objectif principal de notre étude était de les amener au niveau supérieur et de transformer ces matériaux adsorbants sélectionnés en membranes pratiques qui offrent une permsélectivité élevée à des pressions élevées pertinentes sur le plan industriel et dans des conditions agressives. En plus de cela, ils peuvent être faciles à fabriquer de manière évolutive et robuste.

La fabrication de membranes MOF polycristallines sans défaut est très difficile, car elle nécessite un processus de croissance hautement contrôlable. Pour fabriquer leurs membranes, Eddaoudi et ses collègues ont utilisé une approche électrochimique qui fonctionne en appliquant un courant externe contrôlé pour favoriser la cristallisation et l'intercroissance d'un film mince polycristallin fcu-MOF sur un support poreux.

« Par rapport à la croissance solvothermique conventionnelle, cette approche électrochimique est hautement contrôlable, ce qui permet d'obtenir des films minces de haute qualité », a expliqué Sheng Zhou (étudiant au doctorat et premier auteur). « En outre, les conditions de fabrication sont beaucoup plus douces et plus rapides que celles utilisant d'autres méthodes, ne nécessitant que la température ambiante, la pression atmosphérique et un temps de croissance court (deux heures). En conséquence, cette stratégie est plus pratique et plus conviviale.

En combinant avec succès la chimie réticulaire avec une approche de synthèse électrochimique, Eddaoudi et ses collègues ont pu fabriquer des membranes fcu-MOF continues et sans défaut avec des propriétés de tamisage moléculaire intrinsèques et stables. Ces propriétés rendent les membranes qu'ils ont créées particulièrement prometteuses pour la séparation des hydrocarbures légers.

De plus, les chercheurs ont été les premiers à développer une méthodologie qui peut être utilisée pour déterminer les bonnes conditions de fabrication de membranes à couches minces fermées basées sur une série de MOF avec différents types de lieurs. À l'avenir, les membranes créées à l'aide de la stratégie qu'ils ont développée pourraient améliorer considérablement les processus de séparation des hydrocarbures.

« Le déploiement de nos membranes Zr-fum-fcu-MOF dans un système hybride membrane-distillation offre la possibilité de réduire l'apport d'énergie de près de 90 % par rapport à un procédé de distillation unique conventionnel pour la séparation propylène/propane », a déclaré le Dr Osama Shekhah (chercheur principal). « Nous essayons actuellement d'étendre la conception et la fabrication de nos membranes à d'autres systèmes, afin de traiter des séparations plus difficiles mais importantes. En même temps, nous travaillons sur différentes voies pour intensifier la fabrication de nos membranes, y compris la préparation de membranes à fibres creuses à grande échelle. » dit Eddaoudi.

Plus d'information: Sheng Zhou et al, Synthèse électrochimique de membranes à ossature métal-organique continue pour la séparation des hydrocarbures, Nature Energy (2021). DOI : 10.1038/s41560-021-00881-y

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