Une nouvelle technologie membranaire pourrait révolutionner le traitement des hydrocarbures en réduisant considérablement la consommation d'énergie

L’étude, intitulée « Membranes polymères ultrafines à microporosité intrinsèque verrouillée pour le fractionnement des hydrocarbures », a ouvert une nouvelle voie pour la formation des couches de séparation dans les membranes polymères destinées aux séparations moléculaires. Cette avancée repose sur la manière dont l’agent de réticulation du film polymère est ajouté au polymère lors de la fabrication de la membrane. Il en résulte une technologie de membrane évolutive, capable de séparer des mélanges organiques complexes en fractions de valeur avec une efficacité sans précédent. Ces membranes allient une sélectivité moléculaire extrêmement élevée à un transport rapide des liquides — une combinaison qui a longtemps échappé aux scientifiques et ingénieurs travaillant dans ce domaine.

Repenser un procédé centenaire

Le raffinage conventionnel du pétrole brut repose sur la distillation thermique, un procédé qui consomme d’énormes quantités d’énergie et représente environ 1 % de la consommation énergétique mondiale. Bien que les technologies membranaires promettent depuis longtemps une alternative bien plus économe en énergie, leur adoption industrielle a été limitée par des défis fondamentaux liés aux matériaux.

« Les membranes peuvent, en principe, remplir la même fonction que la distillation ou l’évaporation, tout en consommant bien moins d’énergie », explique le chercheur principal, Andrew Livingston, professeur de génie chimique, vice-président chargé de la recherche et de l’innovation à l’université Queen Mary de Londres, et PDG d’Exactmer. « Le problème a consisté à trouver des matériaux à la fois rapides et sélectifs lorsqu’ils sont exposés à de véritables mélanges d’hydrocarbures. »

Verrouiller les pores à l’échelle nanométrique

La percée rapportée dans cette étude réside dans une nouvelle méthode de fabrication des membranes polymères permettant de « verrouiller » leurs pores à l’échelle nanométrique lors de leur formation.

Les chercheurs se sont intéressés aux polymères à microporosité intrinsèque, des matériaux connus pour leur structure spongieuse comportant des pores de taille inférieure au nanomètre. Si ces pores sont idéaux pour séparer les molécules en fonction de leur taille et de leur type, les polymères gonflent généralement lorsqu’ils sont exposés à des hydrocarbures, ce qui provoque l’élargissement des pores et une perte de sélectivité.

Pour remédier à ce problème, l’équipe a mis au point une approche de réticulation in situ qui stabilise la structure du polymère pendant la formation de la membrane. Ce procédé verrouille les pores dans leur configuration optimale, produisant ce que les chercheurs appellent des polymères à microporosité intrinsèque verrouillée (PLIM).

« La clé a été de stabiliser la structure avant que le polymère n’ait eu le temps de gonfler », explique le Dr Zhiwei Jiang, qui a dirigé ces recherches en tant que responsable de la recherche sur les membranes chez Exactmer, et qui est aujourd’hui maître de conférences à l’Université technologique de Nanyang, à Singapour. « Cela permet de préserver les minuscules pores qui rendent possible la séparation moléculaire, tout en laissant les hydrocarbures s’écouler très rapidement. »

Pour étudier les origines moléculaires de ce verrouillage, l’équipe de l’UCL, dirigée par le Dr Foglia, a utilisé la diffusion quasi-élastique des neutrons à la source de neutrons et de muons ISIS, l’installation nationale britannique de neutrons pulsés, qui constitue un outil sans égal pour l’étude de la dynamique des chaînes polymères. 

Des performances exceptionnelles avec le pétrole brut et les flux de raffinerie

Lorsqu’elles ont été testées avec du pétrole brut synthétique, les membranes PLIM ont affiché une perméabilité jusqu’à dix fois supérieure à celle des membranes de pointe existantes, tout en conservant une sélectivité élevée. Les membranes ont été capables de distinguer efficacement des molécules d’hydrocarbures dont la taille ne diffère que très légèrement.

Lors d’essais réalisés avec du pétrole brut arabe « Extra Light » réel, les membranes :

• ont éliminé 99,8 % des hydrocarbures comportant plus de 15 atomes de carbone
• ont réduit de 93 % les composés soufrés, une étape cruciale pour la protection des catalyseurs et des équipements en aval

Les membranes ont également donné d’excellents résultats avec des flux de raffinerie tels que le naphta vierge. Lors de ces essais, elles ont efficacement séparé les hydrocarbures légers (C4–C6), adaptés à la valorisation des carburants, des fractions de naphta plus lourdes utilisées pour produire des plastiques et des produits chimiques — le tout avec des perméances comparables à celles des membranes de dessalement commerciales.

Conçues pour une production à grande échelle

Point crucial : les chercheurs ont démontré que ces membranes pouvaient être fabriquées à grande échelle. À l’aide d’un procédé « roll-to-roll », ils ont produit des feuilles de plus d’un mètre de large et les ont intégrées dans des modules de membranes enroulés en spirale standard, couramment utilisés dans l’industrie.

« Ces membranes ne sont pas de simples curiosités de laboratoire », a déclaré le Dr Adam Oxley, premier auteur de l’article de recherche et désormais vice-président adjoint chargé des membranes chez Exactmer. « Elles peuvent être produites à l’aide de techniques de fabrication éprouvées et s’intégrer dans les conceptions de modules industriels existants. Chez Exactmer, nous intégrons ces nouvelles techniques dans des membranes utilisées pour des séparations à haute valeur ajoutée dans des solvants organiques. »

Des essais à long terme ont montré des performances stables sur 30 jours de fonctionnement continu, ce qui indique un fort potentiel pour un véritable déploiement industriel.

Une voie plus durable pour le raffinage

Alors que le système énergétique mondial évolue vers des alternatives à faible empreinte carbone, la demande en carburants, produits chimiques, solvants et matériaux dérivés des hydrocarbures reste forte. Il est donc essentiel d’améliorer l’efficacité des procédés de séparation existants afin de réduire les émissions pendant la période de transition.

En permettant des séparations par membrane à la fois rapides et sélectives, la technologie PLIM pourrait permettre aux industries, du raffinage du pétrole à l’industrie pharmaceutique, de :

• Réduire considérablement leur consommation d’énergie
• de réduire les émissions de carbone
• Fonctionner avec des unités de traitement plus petites et plus flexibles
• d'intégrer une désulfuration sélective plus en amont dans le processus de raffinage

Les chercheurs soulignent que ce même concept de « verrouillage des pores » pourrait être étendu à d’autres défis liés à la séparation des liquides, notamment dans la fabrication de produits chimiques, la récupération de solvants et les nouvelles matières premières d’origine biologique.

Perspectives d’avenir

L’équipe explore désormais des solvants plus écologiques pour la fabrication des membranes et étudie comment les membranes PLIM pourraient être déployées dans des procédés hybrides ciblés, en complément des infrastructures de raffinerie existantes et de la fabrication de produits pharmaceutiques à haute valeur ajoutée dans des solvants organiques.

« Ces travaux montrent que la séparation moléculaire par membrane dans les liquides organiques n’est plus seulement une possibilité théorique », a déclaré le professeur Livingston. « Avec une conception adéquate des matériaux, ce procédé peut être rapide, sélectif, évolutif — et prêt à être industrialisé. »