Une équipe de chercheurs du CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), de l’Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), de l’Université technologique de Nanyang à Singapour et du SN Bose National Center for Basic Sciences a développé un nouveau type de membrane de filtration de haute précision. L’étude, publiée dans le Journal de l’American Chemical Societydécrit une technologie qui pourrait aider les industries à réduire leur consommation d’énergie et à augmenter considérablement la réutilisation de l’eau.
De nombreuses activités industrielles dépendent de la séparation de différentes substances les unes des autres. Ces processus de séparation sont essentiels pour des tâches telles que la purification des médicaments, le traitement des teintures textiles et la production alimentaire. Pourtant, elles comptent également parmi les activités manufacturières les plus gourmandes en énergie, représentant environ 40 à 50 % de la consommation énergétique industrielle mondiale.
La plupart des installations s’appuient encore sur des approches traditionnelles telles que la distillation et l’évaporation. Bien qu’efficaces, ces méthodes nécessitent de grandes quantités d’énergie et contribuent de manière significative aux émissions de carbone. La filtration sur membrane est généralement considérée comme une alternative plus propre, mais les membranes polymères conventionnelles contiennent souvent des pores de taille inégale. Au fil du temps, ces pores peuvent changer de forme ou se dégrader, réduisant ainsi les performances et limitant leur utilité dans des environnements industriels exigeants.
POMbranes inspirées de la nature avec des pores d’un nanomètre
« Pour remédier à ces limitations, nous avons conçu une nouvelle classe de membranes cristallines ultra-sélectives appelées « POMbranes », qui contiennent des pores d’environ un nanomètre de large, des milliers de fois plus fins qu’un cheveu humain », a déclaré le Dr Shilpi Kushwaha, scientifique principal au CSMCRI.
Les nouvelles membranes s’inspirent de systèmes biologiques tels que les aquaporines, qui régulent le mouvement des molécules à travers des canaux de taille précise. Pour atteindre ce niveau de contrôle, les chercheurs ont utilisé des clusters de polyoxométalate (POM). Chaque amas contient une ouverture naturelle d’exactement 1 nanomètre de large et qui reste stable en permanence.
Selon Mme Priyanka Dobariya, chercheuse au CSMCRI et co-premier auteur de l’article, “Ces POM sont de minuscules amas métalliques en forme de couronne qui ont un trou permanent et parfait en leur centre qui ne change ni ne perd sa forme, ce qui est le plus gros obstacle avec les filtres en plastique traditionnels.”
Construire un tamis moléculaire ultrafin
La création d’une membrane pratique nécessitait de disposer des milliards de ces minuscules structures annulaires en une couche continue et sans défauts. Pour ce faire, les chercheurs ont attaché des chaînes chimiques flexibles aux clusters POM.
Lorsque les amas modifiés ont été placés sur l’eau, ils se sont naturellement étalés et organisés en un film ultra-mince de grande surface. En modifiant la longueur des chaînes attachées, l’équipe a pu contrôler le degré de rapprochement des grappes.
“Cela a obligé les molécules à traverser la membrane par le seul chemin ouvert, à savoir les trous d’un nanomètre intégrés dans chaque groupe, permettant à la membrane d’agir comme un tamis de haute technologie”, a ajouté le Dr Raghavan Ranganathan, professeur agrégé au département de génie des matériaux de l’IITGN.
Le Dr Ranganathan et M. Vinay Thakur, doctorant à l’IITGN et co-premier auteur de l’article, ont également effectué des simulations au niveau moléculaire qui ont révélé comment les membranes remplissent leur fonction de filtrage.
Performances de séparation près de dix fois supérieures
Les tests ont montré que les membranes pouvaient distinguer des molécules qui ne diffèrent que de 100 à 200 Daltons, un niveau de précision extrêmement difficile à atteindre avec les membranes polymères conventionnelles.
Selon le Dr Ketan Patel, scientifique principal au CSMCRI, cette capacité pourrait créer de nouvelles opportunités pour des processus de fabrication plus durables.
« Nos membranes affichent des performances de séparation presque dix fois supérieures à celles des technologies existantes, tout en restant flexibles, stables et évolutives », a-t-il déclaré.
“De plus, ces membranes sont flexibles, stables à différents niveaux d’acidité (plages de pH) et peuvent être fabriquées en grandes feuilles. Cette combinaison est essentielle si les membranes doivent être largement adoptées dans l’industrie.”
Avantages potentiels pour les textiles et le recyclage de l’eau
Cette technologie pourrait être particulièrement précieuse pour les industries textile et pharmaceutique indiennes, qui jouent toutes deux un rôle majeur dans l’économie du pays.
Le secteur indien du textile et de l’habillement contribue à plus de 2,3 % du PIB et représente environ 13 % de la production industrielle. Le marché intérieur est actuellement évalué entre 160 et 225 milliards de dollars et devrait atteindre 250 à 350 milliards de dollars d’ici 2030.
Les opérations de teinture et de finissage des textiles génèrent de grandes quantités d’eaux usées contaminées, ce qui rend l’élimination des colorants et la réutilisation de l’eau des défis permanents. Les nouvelles membranes pourraient éliminer sélectivement les molécules de colorant tout en permettant le recyclage de l’eau, réduisant ainsi la demande en eau douce et les déchets chimiques. Cet avantage est particulièrement important à l’heure où le marché indien du traitement des eaux usées continue de croître.
Applications dans la fabrication pharmaceutique
Les membranes pourraient également bénéficier à la production pharmaceutique, où des séparations très précises sont essentielles à la qualité des produits et à l’efficacité de la fabrication.
“Les processus tels que la purification des médicaments et la récupération des solvants sont à la fois énergivores et sensibles à la qualité”, a souligné M. Vinay Thakur. “Des membranes hautement sélectives comme celles-ci peuvent réduire la consommation d’énergie tout en respectant les normes strictes requises dans la production pharmaceutique.”
Une plateforme technologique pour une fabrication durable
Les chercheurs décrivent les nouveaux POMbranes comme une plateforme technologique polyvalente. Leur structure réglable, leur sélectivité élevée et leur capacité à résister aux environnements chimiques difficiles les rendent adaptés à un large éventail de tâches de séparation industrielle, du traitement des eaux usées à la fabrication chimique avancée.
Alors que les industries recherchent de plus en plus de technologies alliant efficacité, durabilité et durabilité, les membranes moléculaires pourraient devenir un élément important des systèmes de fabrication de nouvelle génération. En appliquant un principe couramment utilisé en biologie, à savoir un contrôle précis à l’échelle moléculaire, et en l’adaptant à une technologie de matériaux évolutive, les chercheurs ont démontré comment une conception inspirée de la nature peut aider à résoudre des défis industriels majeurs.
