Des chercheurs trouvent une solution flexible pour séparer les gaz

Pour un large éventail d’industries, la séparation des gaz constitue une partie importante du processus et du produit : depuis la séparation de l’azote et de l’oxygène de l’air à des fins médicales jusqu’à la séparation du dioxyde de carbone des autres gaz dans le processus de captage du carbone ou d’élimination des impuretés du gaz naturel.

Cependant, la séparation des gaz peut être à la fois gourmande en énergie et coûteuse.

“Par exemple, lors de la séparation de l’oxygène et de l’azote, vous devez refroidir l’air à des températures très basses jusqu’à ce qu’ils se liquéfient. Ensuite, en augmentant lentement la température, les gaz s’évaporent à différents points, permettant à chacun de redevenir un gaz et de se séparer. “, explique Wei Zhang, professeur de chimie à l’Université du Colorado à Boulder et directeur du département de chimie. “C’est très énergivore et coûteux.”

La séparation des gaz repose en grande partie sur des matériaux poreux à travers lesquels les gaz passent et sont séparés. Cela aussi pose depuis longtemps problème, car ces matériaux poreux sont généralement spécifiques aux types de gaz séparés. Essayez d’envoyer d’autres types de gaz à travers eux et ils ne fonctionnent pas.

Cependant, dans une recherche publiée aujourd’hui dans la revue ScienceZhang et ses collègues chercheurs ont décrit un nouveau type de matériau poreux capable d’accueillir et de séparer de nombreux gaz différents et fabriqué à partir de matériaux courants et facilement disponibles. De plus, il combine rigidité et flexibilité de manière à permettre la séparation des gaz en fonction de leur taille, à un coût énergétique considérablement réduit.

“Nous essayons d’améliorer la technologie”, explique Zhang, “et de l’améliorer de manière évolutive et durable”.

Ajouter de la flexibilité

Pendant longtemps, les matériaux poreux utilisés dans la séparation des gaz étaient rigides et basés sur l’affinité, c’est-à-dire spécifiques aux types de gaz séparés. La rigidité permet aux pores d’être bien définis et aide à diriger les gaz lors de la séparation, mais limite également le nombre de gaz qui peuvent passer à travers en raison des tailles de molécules variables.

Pendant plusieurs années, Zhang et son groupe de recherche ont travaillé au développement d’un matériau poreux qui introduit un élément de flexibilité à un nœud de liaison dans un matériau poreux autrement rigide. Cette flexibilité permet aux lieurs moléculaires d’osciller ou de se déplacer d’avant en arrière à une vitesse régulière, modifiant ainsi la taille des pores accessibles dans le matériau et lui permettant de s’adapter à plusieurs gaz.

“Nous avons constaté qu’à température ambiante, les pores sont relativement plus grands et que le lieur flexible bouge à peine, de sorte que la plupart des gaz peuvent pénétrer”, explique Zhang. “Lorsque nous augmentons la température de la température ambiante à environ 50 degrés (Celsius), l’oscillation du lieur devient plus importante, ce qui entraîne une diminution de la taille effective des pores, de sorte que les gaz plus gros ne peuvent pas entrer. Si nous continuons à augmenter la température, davantage de gaz sont libérés.” détourné en raison d’une oscillation accrue et d’une taille de pores encore réduite. Finalement, à 100 degrés, seul le plus petit gaz, l’hydrogène, peut passer à travers.

Le matériau développé par Zhang et ses collègues est composé de petites molécules organiques et s’apparente le plus à la zéolite, une famille de matériaux poreux et cristallins principalement composés de silicium, d’aluminium et d’oxygène.

« C’est un matériau poreux qui possède de nombreux pores très ordonnés », explique-t-il. « On peut l’imaginer comme un nid d’abeilles. La majeure partie est constituée de matière organique solide avec ces pores de taille régulière qui s’alignent et forment des canaux. »

Les chercheurs ont utilisé un type relativement nouveau de chimie covalente dynamique axée sur la liaison bore-oxygène. En utilisant un atome de bore entouré de quatre atomes d’oxygène, ils ont tiré parti de la réversibilité de la liaison entre le bore et l’oxygène, qui peut se briser et se reformer encore et encore, permettant ainsi un comportement auto-correctif et sans erreur et conduisant à la formation de cadres structurellement ordonnés.

“Nous voulions construire quelque chose avec une adaptabilité, une réactivité et une adaptabilité, et nous avons pensé que la liaison bore-oxygène pourrait être un bon composant à intégrer dans le cadre que nous développions, en raison de sa réversibilité et de sa flexibilité”, explique Zhang.

Des solutions durables

Le développement de ce nouveau matériau poreux a pris du temps.

Zhang explique : « Fabriquer ce matériau est facile et simple. La difficulté est apparue au tout début, lorsque nous avons obtenu le matériau pour la première fois et que nous avons dû comprendre ou élucider sa structure : comment se forment les liaisons, comment se forment les angles au sein de ce matériau, s’il est bidimensionnel ou tridimensionnel. Nous avons rencontré quelques difficultés car les données semblaient prometteuses, mais nous ne savions pas comment les expliquer. Elles montraient certains pics (diffraction des rayons X), mais nous ne pouvions pas immédiatement déterminer à quel type de structure ces pics correspondaient. »

Ainsi, lui et ses collègues chercheurs ont pris du recul, ce qui peut constituer une partie importante mais peu discutée du processus scientifique. Ils se sont concentrés sur le système modèle de petites molécules contenant les mêmes sites réactifs que ceux de leur matériau pour comprendre comment les éléments constitutifs moléculaires sont emballés à l’état solide, ce qui a contribué à expliquer les données.

Zhang ajoute que lui et ses co-chercheurs ont envisagé l’évolutivité lors du développement de ce matériau, car ses utilisations industrielles potentielles nécessiteraient de grandes quantités, « et nous pensons que cette méthode est hautement évolutive. Les éléments de base sont disponibles dans le commerce et ne sont pas chers, ils pourraient donc être adopté par l’industrie lorsque le moment sera venu.

Ils ont déposé une demande de brevet sur le matériau et poursuivent leurs recherches avec d’autres matériaux de base pour connaître la portée de cette approche en matière de substrat. Zhang dit également qu’il voit le potentiel de s’associer avec des chercheurs en ingénierie pour intégrer le matériau dans des applications basées sur la membrane.

“Les séparations membranaires nécessitent généralement beaucoup moins d’énergie, elles pourraient donc constituer des solutions plus durables à long terme”, explique Zhang. “Notre objectif est d’améliorer la technologie pour répondre aux besoins de l’industrie de manière durable.”