Technologie des membranes : une étude approfondie des petites


Minh Nhat Nguyen, doctorant à l'IAMT, a testé une membrane de nanotubes de carbone alignés verticalement.  (Photo : IAMT, KIT)

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Minh Nhat Nguyen, doctorant à l'IAMT, a testé une membrane de nanotubes de carbone alignés verticalement. (Photo : IAMT, KIT)

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Crédit : IAMT, KIT

L’eau potable est d’une importance vitale pour tous les peuples du monde. Les membranes permettent d’éliminer efficacement les micropolluants, comme les hormones stéroïdes, nocifs pour la santé et l’environnement. Un matériau membranaire très prometteur est constitué de nanotubes de carbone alignés verticalement (VaCNT). « Ce matériau est étonnant – avec de petits pores de 1,7 à 3,3 nanomètres de diamètre, une forme cylindrique presque parfaite et une faible torsion », explique le professeur Andrea Iris Schäfer, qui dirige l'Institut de technologie avancée des membranes (IAMT) du KIT. «Les nanotubes devraient avoir un effet hautement adsorbant, mais seulement un très faible frottement.» Actuellement, les pores sont trop grands pour une rétention efficace, mais des pores plus petits ne sont pas encore techniquement réalisables.

Interaction des forces

Lors d'expériences avec des micropolluants stéroïdes, les chercheurs de l'IAMT ont étudié pourquoi les membranes VaCNT sont de parfaits filtres à eau. Ils ont utilisé des membranes produites par le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) à Livermore (Californie, USA). Le résultat : la faible adsorption du VaCNT, c'est-à-dire son dépôt en surface, est souhaitable pour les membranes hautement sélectives ciblant des substances spéciales.

L'étude révèle que l'adsorption dans les nanopores membranaires ne dépend pas seulement de la surface d'adsorption et du transfert de masse limité, mais également de l'interaction des forces hydrodynamiques, du frottement et des forces d'attraction et de répulsion à l'interface liquide-paroi. Les nanopores hautement perméables à l'eau présentent une faible interaction en raison du faible frottement et du débit élevé. « Lorsque les molécules ne sont pas retenues en raison de leur taille, l’interaction avec le matériau déterminera souvent ce qui se passe. Les molécules rebondiront à travers la membrane comme un grimpeur escaladant un mur. C'est beaucoup plus facile lorsqu'il y a beaucoup de bonnes prises d'escalade », explique Schäfer. Des études comme celle réalisée par l’IAMT aident à concevoir spécifiquement la géométrie et la structure de la surface des pores.

Dix ans pour transformer l'idée en expérimentation
Les membranes ont été développées par le Dr Francesco Fornasiero et son équipe du LLNL. Les expériences avec les micropolluants ont été réalisées et évaluées à l'aide des derniers instruments analytiques de l'IAMT. «Il a fallu environ dix ans pour transformer l'idée en une expérience réussie qui a suscité un large intérêt dans la communauté des technologies membranaires», explique Schäfer. La production de membranes aussi presque parfaites est extrêmement difficile. Sur des surfaces plus grandes de quelques centimètres carrés, la probabilité de défauts est très élevée. Et les défauts influenceraient les résultats. Ces dernières années, LLNL a réussi à produire des membranes sur de plus grandes surfaces. En parallèle, les chercheurs de l'IAMT ont construit de très petits systèmes de filtration pour des expériences visant à retenir les traces de polluants sur deux centimètres carrés. « La réduction d’échelle est extrêmement difficile. Avoir réussi cela ensemble est une grande réussite », déclare Schäfer. « Maintenant, nous attendons le développement de membranes avec des pores encore plus petits. »

L'étude a été la première à se concentrer sur l'interaction des forces hydrodynamiques, de friction et des forces d'attraction et de répulsion. Il fournit des conclusions de base concernant le traitement de l’eau. Ceux-ci pourraient bénéficier aux processus d’ultrafiltration et de nanofiltration contrôlés par les nanopores.

Publication originale (accès libre)
Minh N. Nguyen, Melinda L. Jue, Steven F. Buchsbaum, Sei Jin Park, Florian Vollnhals, Silke Christiansen, Francesco Fornasiero, Andrea I. Schäfer : Interaction des forces régissant l'adsorption des micropolluants d'hormones stéroïdes dans les nanopores membranaires de nanotubes de carbone alignés verticalement . Communications sur la nature, 2024. DOI : 10.1038/s41467-024-44883-2

https://www.nature.com/articles/s41467-024-44883-2

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