Des matériaux 2D poreux pour filtrer les solvants avec une précision inédite

La séparation des solvants organiques et des molécules qui y sont dissoutes est une étape clé de l’industrie chimique et pharmaceutique qui repose souvent sur des procédés lourds et énergivores comme la distillation. Les membranes de nanofiltration, qui permettent de trier les molécules selon leur taille, constituent une alternative bien plus durable. Souvent à base de matériaux organiques comme les polymères, les membranes existantes souffrent cependant de défauts majeurs tels que des pores mal définis, un gonflement au contact de certains solvants et dans des conditions chimiques agressives et un compromis difficile à atteindre entre vitesse de filtration et sélectivité dans le tri.

Pour surmonter ces limites, les scientifiques étudient des alternatives faisant intervenir des membranes plus stables car constituées de matériaux inorganiques. Les feuillets de graphène, très prometteurs en laboratoire pour les applications de nanofiltration organiques, peinent à monter en échelle tout en conservant leurs performances. Dans ce contexte, des scientifiques de l’Institut européen des membranes et de l’Institut Charles Gerhard Montpellier (CNRS/ENSCM/Université Montpellier), en collaboration avec l’université de Cadiz et l’ESRF, ont fabriqué des feuillets de silice ultraminces (on parle de matériaux bidimensionnels ou 2D) dans lesquels des pores sont directement intégrés et organisés de manière parfaitement régulière. La synthèse en milieu aqueux de ces feuillets, basée sur la chimie douce, utilise des micelles formées par des molécules de tensioactif comme précurseurs de la porosité. La longueur de la partie hydrophobe de ces molécules tensioactives contrôle directement la taille des pores. Les feuillets ainsi obtenus, de grande surface et d’une remarquable uniformité, sont ensuite empilés pour former une membrane à grande porosité ouverte.

Les performances de ces membranes ont été testées sur différents mélanges de solvants et solutions. Les solvants polaires comme l’éthanol traversent rapidement la structure, tandis que les solvants non polaires qui présentent une affinité chimique pour les pores de silice sont totalement bloqués. Mieux encore, la membrane agit comme un tamis moléculaire extrêmement précis : elle retient efficacement les molécules de masse élevée tout en laissant passer les plus petites. Selon l’architecture choisie, le seuil de coupure peut être ajusté à volonté pour ne laisser passer que les molécules en dessous d’une taille donnée tout en conservant un flux élevé.

Ces résultats placent ces membranes de silice au-delà des meilleures technologies actuelles de nanofiltration en solvants organiques. Robustes chimiquement, stables dans le temps et finement ajustables, elles ouvrent la voie à des procédés de séparation ou de recyclage des solvants plus sobres en énergie et adaptés aux mélanges complexes couramment rencontrés dans l’industrie. À terme, cette approche pourrait transformer la purification de produits chimiques, pharmaceutiques ou même la récupération sélective de composés de valeur en s’appuyant sur une ingénierie des matériaux à l’échelle du nanomètre. Cette avancée est parue dans le JACS.

Rédacteur : AVR