Des chercheurs du MIT ont développé une nouvelle membrane qui sépare différents types de carburant par taille moléculaire, éliminant potentiellement le besoin du processus énergivore de distillation du pétrole brut.
Transformer le pétrole brut en carburants courants comme l’essence, le diesel et le fioul de chauffage nécessite une énorme quantité d’énergie. En fait, ce processus est responsable d’environ 6 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. La majeure partie de cette énergie est consacrée au chauffage du pétrole pour séparer ses composants en fonction de leur point d’ébullition.
Aujourd’hui, dans le cadre d’une avancée passionnante, les ingénieurs du MIT ont créé un nouveau type de membrane qui pourrait changer la donne. Au lieu d’utiliser la chaleur, cette membrane innovante sépare le pétrole brut en filtrant ses composants en fonction de leur taille moléculaire.
“Il s’agit d’une toute nouvelle façon d’envisager un processus de séparation. Au lieu de faire bouillir des mélanges pour les purifier, pourquoi ne pas séparer les composants en fonction de leur forme et de leur taille ? L’innovation clé est que les filtres que nous avons développés peuvent séparer de très petites molécules à une échelle de longueur atomistique”, explique Zachary P. Smith, professeur associé de génie chimique au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
La nouvelle membrane de filtration peut séparer efficacement les composants lourds et légers de l’huile et résiste au gonflement qui a tendance à se produire avec d’autres types de membranes de séparation d’huile. La membrane est un film mince qui peut être fabriqué à l’aide d’une technique déjà largement utilisée dans les processus industriels, ce qui permet potentiellement de l’étendre à une utilisation généralisée.
Taehoon Lee, ancien postdoctorant du MIT et aujourd’hui professeur adjoint à l’Université Sungkyunkwan en Corée du Sud, est l’auteur principal de l’article, qui paraît aujourd’hui dans Science.
1-Le fractionnement de l’huile
Les procédés conventionnels thermiques de fractionnement du pétrole brut représentent environ 1 % de la consommation énergétique mondiale, et on estime que l’utilisation de membranes pour la séparation du pétrole brut pourrait réduire la quantité d’énergie nécessaire d’environ 90 %. Pour que cela réussisse, une membrane de séparation doit permettre aux hydrocarbures de passer rapidement et filtrer sélectivement les composés de différentes tailles.
Jusqu’à présent, la plupart des efforts visant à développer une membrane de filtration pour les hydrocarbures se sont concentrés sur les polymères de microporosité intrinsèque (PIM), dont un connu sous le nom de PIM-1. Bien que ce matériau poreux permette le transport rapide des hydrocarbures, il a tendance à absorber excessivement certains composés organiques lors de leur passage à travers la membrane, ce qui entraîne un gonflement du film, ce qui altère sa capacité de tamisage granulométrique.
Pour trouver une meilleure alternative, l’équipe du MIT a décidé d’essayer de modifier les polymères utilisés pour le dessalement de l’eau par osmose inverse. Depuis leur adoption dans les années 1970, les membranes d’osmose inverse ont réduit la consommation énergétique du dessalement d’environ 90 pour cent — une réussite industrielle remarquable.
La membrane la plus couramment utilisée pour le dessalement de l’eau est un polyamide fabriqué selon une méthode connue sous le nom de polymérisation interfaciale. Au cours de ce processus, un mince film polymère se forme à l’interface entre l’eau et un solvant organique tel que l’hexane. L’eau et l’hexane ne se mélangent normalement pas, mais à l’interface entre eux, une petite quantité des composés qui y sont dissous peuvent réagir entre eux.
Dans ce cas, un monomère hydrophile appelé MPD, qui est dissous dans l’eau, réagit avec un monomère hydrophobe appelé TMC, qui est dissous dans l’hexane. Les deux monomères sont reliés entre eux par une connexion appelée liaison amide, formant un film mince de polyamide (nommé MPD-TMC) à l’interface eau-hexane.
Bien que très efficace pour le dessalement de l’eau, le MPD-TMC n’a pas les bonnes tailles de pores ni la bonne résistance au gonflement qui lui permettraient de séparer les hydrocarbures.
Pour adapter le matériau afin de séparer les hydrocarbures présents dans le pétrole brut, les chercheurs ont d’abord modifié le film en changeant la liaison qui relie les monomères d’une liaison amide à une liaison imine. Cette liaison est plus rigide et hydrophobe, ce qui permet aux hydrocarbures de se déplacer rapidement à travers la membrane sans provoquer de gonflement notable du film par rapport à son homologue polyamide.
Le matériau polyimine a une porosité qui se forme à l’interface, et grâce à la chimie de réticulation que nous avons ajoutée, vous avez maintenant quelque chose qui ne gonfle pas”, explique Smith. “Vous le faites en phase huileuse, vous le faites réagir à l’interface eau, et avec les réticulations, il est maintenant immobilisé. Ainsi, ces pores, même lorsqu’ils sont exposés aux hydrocarbures, ne gonflent plus comme les autres matériaux.
Les chercheurs ont également introduit un monomère appelé triptycène. Cette molécule moléculaire sélective et persistante aide en outre les polyimines résultantes à former des pores de la bonne taille pour que les hydrocarbures puissent passer.
2-La séparation efficace
Lorsque les chercheurs ont utilisé la nouvelle membrane pour filtrer un mélange de toluène et de triisopropylbenzène (TIPB) comme référence pour évaluer les performances de séparation, elle a pu atteindre une concentration de toluène 20 fois supérieure à sa concentration dans le mélange d’origine. Ils ont également testé la membrane avec un mélange industriellement pertinent composé de naphta, de kérosène et de diesel, et ont découvert qu’elle pouvait séparer efficacement les composés plus lourds et plus légers par leur taille moléculaire.
S’ils sont adaptés à un usage industriel, une série de ces filtres pourraient être utilisés pour générer une concentration plus élevée des produits souhaités à chaque étape, affirment les chercheurs.
“Vous pouvez imaginer qu’avec une membrane comme celle-ci, vous pourriez avoir une étape initiale qui remplace une colonne de fractionnement du pétrole brut. Vous pourriez répartir les molécules lourdes et légères, puis utiliser différentes membranes en cascade pour purifier des mélanges complexes afin d’isoler les produits chimiques dont vous avez besoin”, explique Smith.
La polymérisation interfaciale est déjà largement utilisée pour créer des membranes pour le dessalement de l’eau, et les chercheurs pensent qu’il devrait être possible d’adapter ces processus pour produire en masse les films qu’ils ont conçus dans cette étude.
“Le principal avantage de la polymérisation interfaciale est qu’il s’agit déjà d’une méthode bien établie pour préparer des membranes pour la purification de l’eau, vous pouvez donc imaginer simplement adopter ces produits chimiques à l’échelle existante des lignes de fabrication, explique” Lee.
