L’oxyde de graphène pour économiser de l’énergie

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Georgia Tech – L’industrie américaine des pâtes et papiers utilise de grandes quantités d’eau pour produire de la pâte de cellulose à partir des arbres.

L’eau qui quitte le procédé de mise en pâte est chargée de sous-produits organiques et de produits chimiques inorganiques. Pour pouvoir réutiliser l’eau et les produits chimiques séparément, on fait appel à des évaporateurs nourris par de la vapeur pour réaliser la séparation.

Or la séparation efficace de l’eau par évaporateurs exige beaucoup d’énergie. Il s’agit d’un détail significatif puisque les États-Unis sont le deuxième plus important producteur de papiers et de cartons au monde. La centaine d’usines du pays utilisent jusqu’à 0,2 quads (un quad équivaut à un quatrillion de BTU) d’énergie par année pour recycler l’eau, ce qui en fait l’activité la plus énergivore. En guise de comparaison, la consommation globale d’énergie aux États-Unis a atteint 26,4 quads en 2019.

L’alternative est de déployer des membranes de filtration pour recycler l’eau provenant de la mise en pâte. Et surtout de commercialiser des membranes polymériques pouvant traiter de fortes concentrations d’eau de procédés industriels.

Des chercheurs de Georgia Tech (Georgia Institute of Technology) ont mis au point une méthode pour fabriquer des membranes en oxyde de graphène, un matériel dérivé du carbone, résistant aux effets des produits chimiques. « L’oxyde de graphène a de remarquables caractéristiques et permet à l’eau de passer à travers le filtre plus rapidement qu’une membrane conventionnelle, » fait remarquer Sankar Nair, professeur et président associé au Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering. Grâce à de nouvelles techniques de fabrication, le chercheur et ses collègues peuvent contrôler la microstructure des membranes en oxyde de graphène de façon à filtrer plus efficacement des produits à forte concentration chimique.

Pour créer LA membrane du futur, l’équipe de chercheurs a eu l’idée d’emprisonner, comme dans un sandwich, de larges molécules de colorants aromatiques entre les feuilles d’oxyde de graphène. Ces molécules se lient aux feuilles de graphène de multiples façons, s’entassant les unes sur les autres. On a ainsi mis au point une « galerie » d’espaces entre les feuilles d’oxyde de graphène, les molécules de colorant jouant le rôle de pilier. Cela permet de laisser passer facilement l’eau et de bloquer de façon sélective les produits chimiques présents dans l’eau.

Les chercheurs de Georgia Tech ont testé leurs membranes de nanofiltration en oxyde de graphène avec plusieurs flux d’eau de rejet contenant des produits chimiques dissous et ce pendant un total de 750 heures en application réelle dans une papetière.

On estime être en mesure de générer des économies d’énergie de l’ordre de 30% au niveau de la séparation de l’eau de procédé et des produits chimiques pour l’industrie papetière américaine.


Le texte original a été rédigé en anglais et traduit par Le Maître papetier


Source : Georgia Tech