Les solutés à l’échelle nanométrique présentant seulement de légères différences de taille peuvent être séparés par des membranes dotées de pores identiques – si elles ont suffisamment d’opportunités d’essayer. Crédit : Laboratoire National d'Argonne.
Imaginez un match de basket serré qui se résume au coup final. La probabilité que le ballon traverse le cerceau peut être assez faible, mais elle augmenterait considérablement si le joueur avait la possibilité de tirer dessus encore et encore.
Une idée similaire est en jeu dans le domaine scientifique des séparations membranaires, un processus clé au cœur des industries qui incluent tout, de la biotechnologie à la pétrochimie en passant par le traitement de l'eau et l'alimentation et les boissons.
“Les séparations sont au cœur de nombreux produits que nous utilisons dans notre vie quotidienne”, a déclaré Seth Darling, directeur du Centre des matériaux avancés pour les systèmes d'eau et d'énergie (AMEWS) au Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE). “Les membranes sont la clé pour réaliser des séparations efficaces.”
De nombreux processus commerciaux utilisent des membranes pour séparer différentes tailles de solutés, qui sont des substances dissoutes dans l'eau ou d'autres fluides. Presque toutes les membranes commerciales sont polydispersées, ce qui signifie que leurs tailles de pores ne sont pas cohérentes. Pour ces membranes, il est presque impossible de procéder à une séparation nette des matériaux, car des solutés de différentes tailles peuvent passer à travers différents pores.
“Essentiellement, toutes les membranes commerciales, toutes les membranes qui sont réellement utilisées pour quoi que ce soit, ont une large gamme de tailles de pores : petits pores, pores moyens et grands pores”, a déclaré Darling.
Darling et ses collègues d'Argonne et de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago se sont intéressés aux propriétés des membranes isoporeuses, qui sont des membranes dans lesquelles tous les pores ont la même taille.
Auparavant, les scientifiques pensaient qu'il y avait une limite à la netteté des séparations qu'ils pouvaient réaliser à l'échelle nanométrique, non seulement en raison des variations dans la taille des pores, mais également d'un phénomène appelé « transport entravé ».
Le transport entravé fait référence à la résistance interne du milieu fluide lorsque le soluté tente de traverser le pore.
“L'eau dans les pores créera une traînée sur une molécule ou une particule qui essaie de passer à travers, ce qui la ralentira”, a déclaré Darling.
“Ces solutés plus lents semblent être rejetés par la membrane. Contre-intuitivement, des objets même de la moitié de la taille des pores finiront par être rejetés environ la moitié du temps.” Surmonter le rejet créé par les transports entravés permettrait une sélectivité sans précédent dans les séparations basées sur la taille, a-t-il expliqué.
“Le régime qui nous intéresse implique des pores d'environ 10 nanomètres de diamètre. Avec une membrane parfaite et une conception de processus appropriée, nous pensons que nous pourrions séparer les solutés avec une différence de taille aussi petite que 5 %. Les membranes actuelles n'ont aucune chance de tirer cela. “, a déclaré Darling.
Dans une nouvelle étude, Darling et ses collègues ont découvert une dynamique qui ne pouvait être révélée qu'en étudiant les membranes isoporeuses, et qui donne l'espoir de surmonter les limitations de transport entravées. Un article basé sur l'étude paraît dans l'édition en ligne du 20 juin de Eau naturelle.
“Jusqu'à présent, les scientifiques avaient implicitement supposé que chaque soluté n'avait qu'une seule tentative pour traverser un pore, et qu'un transport entravé produirait le rejet de nombreux solutés plus petits que la taille des pores, les obligeant à rester dans le flux d'alimentation plutôt que dans le flux de sortie”, a ajouté Darling.
“Bien que cela puisse paraître évident à certains, les gens n'ont jamais vraiment envisagé une situation dans laquelle les solutés pourraient faire plusieurs tentatives pour traverser une membrane.”
Pour donner aux molécules de soluté plusieurs chances de traverser les pores, il fallait faire circuler la solution d'alimentation pendant plusieurs semaines.
“Même avec une période d'expérimentation prolongée, nous ne voyons encore que des solutés individuels essayant de traverser un pore plusieurs fois en moyenne, mais cela fait une grande différence en déplaçant la courbe de séparation vers une fonction semblable à une étape plus nette.” dit chérie.
“Avec un temps plus long, ou plus probablement une conception améliorée du processus, nous pensons que nous verrons une séparation claire et nette là où la taille des pores correspond à la taille du soluté.”
Les connaissances acquises grâce aux membranes isoporeuses pourraient être applicables aux matériaux de membrane existants conçus pour augmenter le nombre de possibilités pour les solutés de passer à travers les pores.
“Si ces études fondamentales peuvent être transférées avec succès aux séparations industrielles par membrane, cela pourrait avoir un impact considérable sur de nombreux secteurs de notre économie”, a-t-il déclaré.
Plus d'information:
Repousser les limites de la sélectivité de taille dans les séparations de solutés à l'échelle nanométrique, Eau naturelle (2024). DOI : 10.1038/s44221-024-00252-3. www.nature.com/articles/s44221-024-00252-3
Fourni par le Laboratoire National d'Argonne
Citation: Des scientifiques découvrent un nouveau comportement des membranes qui pourrait conduire à des séparations sans précédent (21 juin 2024) récupéré le 21 juin 2024 sur
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