Dans le cadre d’un projet de recherche de six ans, des chercheurs ont réussi à développer une membrane qui capte le CO2 d’une manière tout à fait innovante. Leurs travaux ont donné lieu à un article publié dans le prestigieux périodique de recherche Science Magazine.
Lars Erik Parnas et Marius Sandru (à droite) dans leur laboratoire. La membrane qu’ils ont développée ici peut être utilisée pour éliminer le CO2 des gaz de combustion et du biogaz, ainsi que pour capturer les gaz à effet de serre des processus de fermentation. Et il est fait de matériaux que l’on retrouve dans la plupart des maisons. Crédit image : Thor Nielsen / SINTE
L’idée de recherche est née dans l’industrie SINTEF laboratoire à Trondheim.
Les membranes de séparation du CO2 ne représentent pas une nouveauté en soi. Cependant, la nouvelle membrane sépare le CO2 plus rapidement et de manière beaucoup plus sélective que celles actuellement sur le marché – grâce à une approche entièrement innovante de la fabrication de la membrane. Cela signifie en pratique que la membrane est capable de séparer et de concentrer les mélanges de gaz CO2 de manière beaucoup plus efficace.
La technique consiste à combiner la nanotechnologie et la lumière UV, et l’équipe de recherche a été récompensée par l’attention internationale et la publication dans le prestigieux périodique à comité de lecture La science magazine.
Haute perméabilité et précision récompensées
Mais qu’est-ce qui rend cette membrane si spéciale ?
C’est la combinaison d’un travail rapide et sélectif en même temps. La membrane ne permet de traverser exactement que ce qu’elle est censée faire.
Les membranes de séparation du CO2 fonctionnent en laissant passer le CO2 plus rapide que d’autres gaz provenant des gaz de combustion, qui sont toujours constitués de mélanges gazeux. Cependant, jusqu’à présent, un dilemme récurrent auquel étaient confrontés les scientifiques était de savoir comment équilibrer l’exigence de haute perméabilité de la membrane (ndlr ; sa capacité à laisser passer le gaz) avec sa sélectivitéc’est-à-dire la concentration du CO2 dans le gaz après il a traversé la membrane.
L’apport d’énergie à la surface de la membrane sous forme de lumière UV est l’une des techniques utilisées pour rendre le matériau réactif. De gauche à droite : les chercheurs Lars Eric Molland Parnas, Per Martin Stenstad et Eugenia Mariana Sandru. Photo : Thor Nielsen / SINTEF
« Normalement, les membranes à haute perméabilité ont une faible sélectivité », explique Marius Sandru, chercheur au SINTEF. Cela signifie de faibles concentrations de CO2 dans le perméat, car d’autres gaz peuvent s’infiltrer – tout comme un tamis qui laisse passer des grains de sable trop gros. Si, au contraire, la membrane n’est pas assez perméable, trop peu Le CO2 passera et, pour continuer notre analogie, nous ne capterons pas les plus petits grains de sable que nous recherchons », dit-il.
C’est le problème que l’équipe de recherche a réussi à résoudre à l’aide d’une combinaison de nanotechnologie et d’une membrane plastique peu coûteuse.
« Notre membrane augmente la sélectivité sans affecter son efficacité », explique Sandru.
Fait de matériaux trouvés dans la plupart des maisons
« Nous avons basé nos recherches sur des membranes en plastique facilement disponibles et peu coûteuses », explique Sandru. « Elles sont faites par exemple du même polymère (PDMS) utilisé pour fabriquer les lentilles de contact, et d’un autre polymère qui s’apparente au Téflon, que nous connaissons de nos casseroles ménagères. C’est un grand avantage en termes de disponibilité des matériaux », dit-il.
De plus, le prix de cette solution ne sera jamais plus élevé que celui des membranes déjà existantes. Les membranes capables de capter efficacement le CO2 représentent une technologie attractive. Ils occupent peu d’espace et peuvent être adaptés pour une utilisation dans de nombreuses applications, de la purification de l’air dans les vaisseaux spatiaux à l’élimination du CO2 du biogaz, du gaz naturel et des gaz de combustion. Les membranes sont également faciles à remplacer.
Magie en surface
Cependant, le polymère standard auquel Sandru fait référence n’est utilisé que comme base pour la membrane active. La magie opère à la surface de la membrane, où se trouve une nouvelle couche de polymère d’une épaisseur nanométrique développée par l’équipe de recherche. Grâce à sa structure chimique spécifique, la membrane est capable de séparer et de concentrer le CO2 de tout type de gaz de combustion, en particulier les mélanges gazeux où la concentration en CO2 est très faible.
La couche supérieure est intégrée au reste de la membrane dans le cadre d’un concept appelé « technologie de membrane intégrée hybride », qui a récemment attiré l’attention internationale pour l’équipe de recherche composée de scientifiques de SINTEF, NTNU et North Carolina State University. SINTEF a obtenu les droits de brevet.
De nombreux tests et de multiples combinaisons
De multiples combinaisons de différents produits chimiques, amines et procédures pour ce que l’on appelle le « greffage » ont également été testées avant que les chercheurs n’atteignent les résultats qu’ils recherchaient.
Sandru poursuit en expliquant :
« Dans ce contexte, le processus de greffage implique la création de courtes chaînes de polymères sur la membrane qui s’élèvent à partir de sa surface comme des mèches de cheveux à l’échelle nanométrique. Ces mèches de cheveux possèdent des groupes réactifs situés le long de la chaîne polymère, tels que des groupes époxy qui se lient aux amines, qui constituent elles-mêmes le composant actif clé de la membrane. Amines représentent un groupe de produits chimiques couramment utilisés dans diverses technologies de capture du carbone car ils ont la capacité de réagir ou de se lier avec des gaz acides tels que le CO2 », dit-il.
« Le processus de greffage est réalisé en fournissant de l’énergie à la membrane polymère. Dans ce projet, nous avons constaté que la meilleure approche était d’utiliser l’irradiation UV », explique Per Stenstad, collègue de Sandru chez SINTEF.
Eugenia Sandru ajoute : « Cela provoque ce que l’on appelle radicaux se former à la surface de la membrane. Ces radicaux sont très réactifs, et lorsque nous ajoutons certains monomères (blocs de construction chimiques), ils réagissent avec les points actifs provoquant la croissance des « cheveux » à partir de la surface de la membrane », dit-il.
Tout cela se déroule dans un environnement clos et contrôlé.
Une fois que les mèches de cheveux ont capté et concentré le CO2 à l’aide des amines en présence de vapeur d’eau, la pression dans les gaz de combustion ou le vide de l’autre côté de la membrane forcera les gaz à travers celle-ci. De cette manière, le CO2 est séparé du reste des gaz et est prêt pour la séquestration dans le cadre d’un système CCS (Carbon Capture and Sequestration) ou pour être réutilisé dans un autre procédé chimique (Carbon Capture and Utilisation/CCU).
L’épaisseur d’une membrane se mesure en micromètres ou en nanomètres. Cette figure montre la différence entre deux concepts de membrane standard (autoportante et supportée) et la membrane intégrée développée au cours de ce projet (la plus basse). Elle est construite à l’échelle du nanomètre et est appelée «membrane intégrée hybride». Les molécules bleues sur la figure (NH2) sont les agents actifs, ou amines, qui captent le CO2. Ceux-ci sont situés sur les « poils » qui rendent cette membrane si distinctive. Figure reproduite avec l’aimable autorisation de SINTEF adaptée de Sandru et al., SCIENCE 2022
Les chercheurs ont maintenant testé la membrane en utilisant un mélange de gaz de combustion contenant 10 % de CO2 et 90 % d’azote. Ce mélange est représentatif de la composition des gaz de combustion produits dans de nombreux processus industriels qui brûlent des combustibles fossiles. Le résultat a été que la membrane a réussi à atteindre une perméabilité au CO2 extrêmement élevée, ainsi qu’une sélectivité élevée en CO2 par rapport à l’azote, avec des valeurs allant jusqu’à 1000 selon les conditions de test.
Cependant, une membrane doit également être suffisamment robuste pour fonctionner efficacement en milieu industriel. Pour cette raison, les chercheurs ont testé son efficacité pendant des milliers d’heures en utilisant une variété de pressions de gaz, de températures et de teneurs en vapeur d’eau. La membrane est restée intacte et a bien fonctionné.
« Mais, bien sûr, il reste à voir si la membrane est aussi robuste dans des environnements industriels en dehors du laboratoire », explique Marius Sandru.
– Cette technologie peut-elle être utilisée pour séparer des gaz autres que le CO2 des gaz d’échappement et de combustion ?
« Nous avons commencé par nous concentrer sur le CO2 capture à partir des gaz de combustion », explique Sandru. « Mais nous avons également obtenu des données prometteuses sur l’élimination du CO2 à partir de biogaz et de gaz naturel et ont atteint le niveau de CO2/méthane jusqu’à 500. Nous pensons également qu’une membrane similaire nous permettra de séparer le CO2 à partir de mélanges gazeux contenant de l’hydrogène et compte tenu de l’intérêt actuel pour l’hydrogène, c’est une idée que nous souhaitons poursuivre. Nous envisageons également d’autres applications intéressantes, telles que l’élimination du CO2 provenant des processus de fermentation, de la gazéification et peut-être aussi du CO direct2 capturer depuis les airs », dit-il. Le projet est financé dans le cadre du programme CLIMIT du Conseil norvégien de la recherche.
La source: Sintef
