Des chercheurs utilisent une méthode de traitement de l'eau pour capturer les acides des déchets agricoles

Sep 08, 2023

UNIVERSITY PARK, PA - Destinés à la décharge, les déchets agricoles contiennent des sources de carbone qui peuvent être utilisées pour produire des composés de grande valeur, tels que l’acide p-coumarique, utilisé dans la fabrication de produits pharmaceutiques. L’électrodéionisation, une méthode de séparation qui utilise des membranes échangeuses d’ions, est un moyen de capturer les acides et autres composants utiles. Cependant, pour capturer de grandes quantités à grande échelle, des améliorations doivent être apportées à la méthode.

Une équipe de recherche dirigée par Penn State a inventé une nouvelle classe d’assemblages de plaquettes à membrane échangeuse d’ions qui améliore considérablement la capacité de l’électrodéionisation à capturer l’acide p-coumarique à partir de mélanges liquides tout en utilisant moins d’énergie et en économisant de l’argent. Les chercheurs ont publié leurs résultats en génie chimique durable ACS. Leur article a également été sélectionné pour la couverture de la revue du 23 janvier.

D’abord commercialisée pour purifier l’eau, l’électrodéionisation a été utilisée pour capturer des composants précieux des flux de déchets au cours des dernières années. Dans le processus, un flux de mélange liquide est introduit à travers une pile de plusieurs membranes échangeuses d’ions et plaquettes de résine, qui ressemblent à une éponge et sont maintenues ensemble avec un adhésif polymère. Lorsque l’électricité est appliquée, les ions dans le liquide se déplacent à travers la cheminée, et l’acide p-coumarique se sépare en un flux de processus concentré, où il peut ensuite être collecté.

« Pour améliorer le processus, nous avons dû améliorer la plaquette de résine », a déclaré l’auteur correspondant Chris Arges, professeur agrégé de génie chimique à Penn State. « Auparavant, les membranes prenaient en sandwich l’éponge de plaquette de résine avec un adhésif en polyéthylène, qui est actuellement utilisé dans l’industrie comme « colle » de résine, mais cela entraînait un mauvais contact entre la membrane et la plaquette de résine. Nous avons remplacé le polyéthylène par de l’ionomère d’imidazolium, un type de polymère, et collé une membrane d’imidazolium sur la plaquette de résine.

En collant la membrane à la plaquette, les chercheurs ont réduit la quantité de membrane nécessaire de 30%, réduisant ainsi le coût de l’unité d’électrodéionisation. La nouvelle conception a également réduit la résistance interfaciale entre la membrane et la plaquette, car la même membrane et les mêmes chimies de liant étaient collées ensemble plutôt que de rester sur le dessus et au-dessous de l’éponge avec des espaces d’air. La réduction de la résistance a entraîné une augmentation du taux de capture de l’acide p-coumarique, permettant aux chercheurs d’utiliser une unité plus petite.

« Nous savions que le nouveau matériau capturait plus d’acide p-coumarique, mais nous ne savions pas pourquoi », a déclaré Arges. « Notre collaborateur Revati Kumar a effectué des simulations pour découvrir pourquoi cela fonctionnait mieux. »

Kumar, professeur agrégé de chimie à la Louisiana State University, a découvert que l’imidazolium augmente la solubilité de l’acide p-coumarique et stimule une diffusion plus rapide dans le matériau.

« Multipliés ensemble, la solubilité et la diffusion sont égales à la perméabilité, ou à quelle vitesse nous éliminons l’acide lorsqu’il se déplace à travers le réseau de plaquettes de résine membranaire dans le compartiment concentré », a déclaré Arges.

Arges a comparé la perméabilité au taux de voyageurs passant par une ligne de sécurité aéroportuaire. Au fur et à mesure que davantage de points de contrôle de sécurité sont ajoutés, plus de personnes peuvent se déplacer à travers la ligne, ce qui augmente la perméabilité de la ligne.

Une perméabilité accrue diminue donc les chances que l’acide p-coumarique se lie aux matériaux de plaquette de résine membranaire, connu sous le nom d’encrassement, au lieu de se déplacer à travers la membrane.

« L’assemblage de plaquettes de résine de membrane imidazolium favorise l’écoulement de l’acide p-coumarique à travers la membrane, ce qui est un problème lorsque d’autres matériaux, comme le polyéthylène, sont utilisés », a déclaré Arges.

Lorsqu’ils sont comparés à la configuration actuelle des plaquettes de résine, la nouvelle configuration de la membrane et les nouveaux matériaux entraînent une multiplication par sept de la capture de l’acide p-courmarique tout en utilisant 70% moins d’énergie, selon les chercheurs. Les nouveaux assemblages réduisent également la quantité de membrane utilisée dans le processus, ce qui entraîne des économies de coûts significatives.

Les collaborateurs d’Arges au Laboratoire national d’Argonne ont déposé un brevet pour la nouvelle technologie d’assemblage de plaquettes à membrane.

En plus d’Arges et Kumar, les co-auteurs incluent Matthew Jordan, Hishara Keshani Gallage Dona et Dodangodage Ishara Senadheera, Louisiana State University; et Grzegorz Kokoszka et Yupo J. Lin, Laboratoire national d’Argonne.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site de Penn State