Un système à deux membranes pour séparer les éléments d’une émulsion
Du traitement des eaux usées au tri de composants biologiques, la séparation de l’huile et l’eau incluses dans un mélange complexe est un processus qui concerne de nombreuses industries et branches de la science.
Les membranes sont un des composants les plus utilisés des techniques de séparation de liquides, l’utilisation de l’osmose inverse pour la purification de l’eau en est un exemple.
Traditionnellement, l’utilisation des membranes se limite à filtrer un composant d’un mélange, ce qui laisse un liquide fortement concentré en résidus tels que des sels ou des matières organiques.
Des chercheurs de Zhejiang University, Hangzhou, Chine et de Dalian University of Technology, Dalian, Chine ont inventé un système à deux membranes, l’une hydrophile, l’autre hydrophobe, qui peut séparer simultanément l’eau et l’huile d’une émulsion stabilisée par un surfactant.
Cette méthode ouvre la voie à nombre d’applications en utilisant des membranes spécifiquement adaptées aux éléments à séparer. Elle consiste à utiliser une architecture faite d’une paire de membranes parallèles. En réduisant le canal entre celles-ci à quelques millimètres, la concentration de l’émulsion et les collisions des molécules qu’elle contient croissent, conduisant à une augmentation de la séparation de l’eau et de l’huile (Fig.1 ci-dessous). Cette géométrie est appelée par les chercheurs Janus Channel of membranes (JCM), en Français Canal Janus de membranes.
Fig.1. Structure JCM
Illustration schématique du JCM avec des valeurs variables d’écartement des membranes pour la séparation de l’émulsion huile-eau. L’eau sortant rapidement par la membrane hydrophile entraîne une augmentation de la concentration de l’huile qui va
sortir du canal à travers la membrane hydrophobe. On remarque que, plus les membranes sont proches, meilleure est la séparation.
Pour un écart <10 mm, on observe une coalescence des particules d’huile, facilitant son extraction. Tiré de « Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery from emulsions « Xin-Yu Guo, Lei Zhao, Hao-Nan Li,Hao-Cheng Yang1, Jian Wu, Hong-Qing Liang ,Chao Zhang, Zhi-Kang Xu Science 386, 654–659 (2024) 8 November 2024. Avec autorisation.
Il se produit ainsi un couplage entre les deux membranes, par exemple si de l’eau sort par la membrane hydrophyle, la concentration en huile augmentant, la sortie de celle-ci croît à son tour, et inversement. Ceci représente une sorte de contre-réaction qui conduit à dépasser de loin les performances des procédés à une seule membrane qui voient leur efficacité diminuer de façon monotone avec la baisse de concentration de l’élément passant.
La fig.2. ci-dessous permet de mieux comprendre ce processus :
Fig.2. Schéma de la séparation eau-huile
Un mélange huile-eau stabilisé par un surfactant traverse un étroit canal bordé de deux membranes de propriétés de surface opposées. L’eau passe à travers le côté hydrophile, l’augmentation de densité
des gouttes d’huile de l’émulsion entraîne leur coalescence et leur démulsification à travers le côté hydrophobe. L’influx continu de mélange crée une contre-réaction jusqu’à complète séparation.
Tiré de A two-faced membrane channel
Xing Yang and Mohammad Hossein Jandaghia
Science 386, Issue 6722, 621-622, (2024). Avec autorisation.
Ce système JCM peut s’appliquer à des émulsions d’huile dans l’eau aussi bien qu’à des émulsions eau dans l’huile et s’adapter à toute une gamme d’huiles et de surfactants.
Ces paires de membranes peuvent aussi être groupées en un module à multi-étages, comme sur la fig.3. :
Fig.3. Montage JCM à plusieurs étages
Schéma du montage à plusieurs étages de JCM
Tiré de Supplementary Materials for ‘‘Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery from emulsions’’, Xin-Yu Guo et al. Science 386, 654 (2024). Avec autorisation.
Le système JCM a un étage a pour composant principal le canal étroit formé par une membrane hydrophile et une hydrophobe parallèle à celle-ci. La Fig.4 ci-dessous montre, à gauche, un éclaté du montage séparateur. L’émulsion est injectée dans le canal par une pompe péristaltique visible sur la photographie du montage complet, à droite.
Fig. 4. Montage JCM à simple étage A) Eclaté du séparateur huile-eau JCM. Celui-ci est réalisé en polyacrylate de méthyle (Altuglas). L’aire effective des membranes est de 26 x 26 mm² et la largeur du canal peut être réglé de 125 mm à 4 mm. B) Vue du montage complet avec la pompe péristaltique qui assure la circulation de l’émulsion de départ à travers le séparateur. Tiré de Supplementary Materials for ‘‘Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery from emulsions’’, Xin-Yu Guo et al. Science 386, 654 (2024). Avec autorisation.
Rôle déterminant de la paire de membranes
Dans le mécanisme JCM, le processus de séparation peut se décomposer en :
a) une phase d’infiltration rapide de l’eau à travers la membrane hydrophile dès l’entrée de l’émulsion dans le canal, ce qui enrichit cette dernière.
b) une phase de collision et de coalescence de gouttes d’huile qui induit une démulsification.
c) une phase d’évacuation de l’huile par la membrane hydrophobe, couplée à l’infiltration continue d’eau à travers la membrane hydrophile.
Finalement, on obtient (Fig. 5 B ci-dessous) une récupération d’huile qui augmente de 5 à 97 % et celle de l’eau de 19 à 75 % quand la largeur du canal est réduite de 125 mm à 4 mm.
Fig.5 Appareil JCM et influence de la largeur du canal
A) Images de l’appareil JCM. A droite, images au microscope
de l’émulsion de départ et de l’huile et l’eau séparées obtenues.
Les barres d’échelle valent 50 µm.
B) Huile (en orange) et eau (en bleu) récupérées en fonction
de diverses largeurs du canal.
Tiré de ‘‘Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery
from emulsions’’, Xin-Yu Guo et al. Science 386, 654 (2024)
L’intérêt de la méthode dite Janus dépasse la simple séparation d’eau et d’huile à partir d’un mélange complexe. On peut l’appliquer à d’autres types de mélanges. Par exemple, l’extraction de l’eau ou du glycérol dans les biocarburants , celle de métaux à partir des résidus de mines,ou encore celle des protéines et des vitamines à partir des produits laitiers.
Cette dernière application permettrait de dépasser les limites des: techniques traditionnelles d’extraction qui font appel souvent à l’exposition à la lumière ultraviolette, à l’oxygène, à la chaleur et à des variations du pH, facteurs auxquels les vitamine sont sensibles.
Pour en savoir plus :
Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery
from emulsions, Xin-Yu Guo et al.
Science 386, 654 (2024)
A two-faced membrane channel
Xing Yang and Mohammad Hossein Jandaghia
Science 386, Issue 6722, 621-622, (2024)
