Membranes mixtes matériaux hybrides poreux 2D/Polymères innovantes pour la capture sélective de CO2 – POCEMON

Le traitement du gaz naturel et la purification des gaz de combustion sont des enjeux majeurs. De nombreuses technologies ont été développées pour permettre de capter sélectivement CO2 vis-à-vis du CH4 et de N2, en particulier des méthodes basées sur l'adsorption, l'absorption, la distillation cryogénique ou encore des membranes. Le procédé d'absorption par des amines est actuellement la technologie la plus utilisée à l’échelle industrielle. Cependant, malgré de très bonnes performances en terme de sélectivité, elle reste limitée par ses coûts de fonctionnement importants, sa consommation d'énergie élevée et la complexité des procédés d’entretien. L'adsorption et la distillation cryogénique présentent également certaines limitations et ne sont particulièrement adaptées qu’au traitement de gaz à forte teneur en CO2. Les membranes offrent des alternatives plus économes en énergie en permettant des séparations en continu sans changement de phases (jusqu’à 50% de gain énergétique par rapport aux autres technologies).
La recherche de membranes présentant d'excellentes performances de séparation et une bonne tenue mécanique suscite actuellement un intérêt croissant. Parmi les divers types de solutions envisagées, les membranes hybrides mixtes (Mixed-Matrix Membranes-MMM) constituées de matrices polymères dans lesquels sont dispersés des matériaux hybrides de type MOFs (Metal-Organic-Frameworks) sont très prometteuses. Ces systèmes permettent de combiner de manière synergique les atouts des deux composants, à savoir, d’une part, une forte résistance mécanique et une perméabilité élevée caractéristiques des polymères et une très bonne sélectivité caractéristiques des MOFs d’autre part.
L'objectif ambitieux du projet POCEMON est de concevoir des membranes mixtes stables formées par l’association de nanofeuillets de MOFs et de polymères hautement perméables pour une capture efficace du CO2. L’introduction de ces nouveaux MOFs 2D à petites tailles de pores dans la matrice polymère permettra (i) d’adsorber sélectivement CO2 par exclusion de taille, (ii) d’établir des interactions relativement forte avec le polymère pour assurer une bonne compatibilité entre les deux constituants de la membrane et au-delà (ii) de favoriser une distribution ordonnée des polymères requise pour atteindre des valeurs de perméabilités exceptionnelles (>3000 Barrer). Les nanofeuillets de MOFs chimiquement stables seront préparés selon une méthode « bottom-up », ce qui garantit leur grand rendement de production pour de futures applications industrielles. La découverte de telles membranes mixtes revêt un intérêt technologique majeur pour le remplacement des membranes polymères actuellement utilisées qui présentent des perméabilités gazeuses relativement faibles (<100 Barrer).
Pour mener à bien ce projet, le consortium rassemble deux équipes de recherche reconnues internationalement dans le domaine de la fabrication de membranes mixtes et de la caractérisation de leurs performances pour la capture de CO2 (NUS) et du design de matériaux poreux et de leur association avec des polymères par des simulations numériques (ICGM). Il est attendu que la technologie proposée dans POCEMON apporte des améliorations pour faire face aux changements climatiques mondiaux et contribue à la réussite d'un développement durable pour la société humaine.