Fibre de carbone poreuse :perméable, adsorbante et conductrice

La nouvelle fibre de carbone poreuse de Toray (en haut à gauche, montrant l'arbre central creux) présente une structure de pores contrôlable à l'échelle nanométrique ou microscopique dans toute la fibre (en haut à droite). Cette structure poreuse contribue à faire du matériau un milieu de filtration efficace qui peut être utile comme structure de support des membranes de séparation de gaz. Étant donné que le carbone possède également des propriétés d'adsorption bien connues (pour la filtration chimique et physique) et est un conducteur thermique et électrique efficace, la fibre de carbone poreuse peut également être utilisée dans les systèmes de batterie avancés et les supports de catalyseur utilisés dans le traitement chimique. Origine | Toray Industries Inc.

À la mi-novembre 2019, Toray Industries Inc. (Tokyo, Japon) a annoncé avoir développé la première fibre de carbone poreuse au monde avec une structure de pores continue, à l'échelle nanométrique et/ou microscopique, qu'elle espère commercialiser dans les cinq prochaines années. . Plus précisément, une application potentielle du produit est son utilisation dans la technologie de séparation des gaz, employée par diverses industries pour séparer le dioxyde de carbone (CO₂ ), biogaz, hydrogène et autres gaz.

Toray rapporte que les approches conventionnelles pour la séparation des gaz se produisent dans les grandes installations qui, elles-mêmes, consomment beaucoup d'énergie et produisent une quantité importante de CO₂ émissions. Une approche plus récente et plus écologique de la séparation des gaz utilise des membranes nanoporeuses pour la filtration des gaz qui utilisent beaucoup moins d'énergie. Cependant, malgré ses promesses, Toray affirme qu'à ce jour, cette méthode n'a pas l'efficacité et la durabilité nécessaires pour une utilisation à grande échelle et à long terme.

Selon l'entreprise, le nouveau produit en fibre de carbone poreux de Toray pourrait aider à résoudre ce problème - avec un potentiel d'utilisation dans la production d'hydrogène pour les piles à combustible - en améliorant les performances des membranes de séparation de gaz actuelles, en rendant les membranes plus minces, plus légères, plus compactes et plus performantes. pour résister à la chaleur, à la pression et aux produits chimiques.

Média filtrant poreux

Les médias filtrants nano- et microporeux ne sont pas nouveaux. Une poignée de polymères, pour la plupart thermoplastiques, sont utilisés pour produire à la fois des membranes planes nanoporeuses et des fibres nanoporeuses. Les applications typiques incluent les filtres à eau haute performance (pour l'eau industrielle et potable) ; filtration des boissons et des aliments (pour améliorer la couleur, l'odeur ou le goût); filtres médicaux (pour la séparation du sang (aphérèse) et la filtration du sang (dialyse)); ainsi que la séparation des gaz industriels (pour un large éventail d'industries et de processus, y compris les produits chimiques et pétrochimiques, l'énergie, les mines, la sidérurgie, le médical, la production d'engrais, la protection de l'environnement, l'électronique et l'aérospatiale).

Les polymères les plus couramment utilisés pour les applications de filtration haute performance comprennent le polyéthersulfone (PES), le polysulfone (PSU), le polyfluorure de vinylidène (PVDF), le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et l'acétate de cellulose (CA). Pour les conditions de filtration les plus exigeantes, telles que les températures élevées ou basses, les produits chimiques agressifs ou les applications avec des niveaux élevés de solides, des céramiques (telles que l'oxyde d'aluminium) et des métaux (tels que le dioxyde de titane et l'acier inoxydable) sont également utilisés.

Selon les besoins de l'application, les médias filtrants peuvent être produits en plusieurs niveaux de porosité distincts avec des tailles de pores de l'ordre de 0,1 micromètre pour la microfiltration, 0,01 micromètre pour l'ultrafiltration, 0,001 micromètre pour la nanofiltration et 0,0001 micromètre pour l'osmose inverse.

Pour les médias de filtration haute performance, les exigences techniques critiques incluent :une bonne et large résistance chimique, non seulement aux matériaux à séparer mais aussi à l'hypochlorite de sodium, un agent désinfectant courant utilisé pour nettoyer les membranes; bonne résistance mécanique, car de nombreux filtres appliquent des pressions élevées pour forcer la séparation des solides, des liquides et des gaz ; perméabilité, pour assurer la fonction de filtration; et un faible encrassement, de sorte que les membranes peuvent être maintenues propres pour un fonctionnement efficace, fonctionnel et à long terme.

Fibre de carbone poreuse

Cette fibre de carbone pouvant être utilisée comme support de filtration nanoporeux est attrayante à plusieurs égards. Premièrement, le charbon actif - une forme de charbon avec un petit volume de minuscules trous utilisé pour augmenter la surface disponible pour l'adsorption et/ou les réactions chimiques - a longtemps été utilisé comme composant dans une gamme de systèmes de filtration moins performants. Avec l'abondante réserve d'orbitales vides du carbone atomique et la surface accrue du charbon actif, le matériau peut être un moyen efficace pour piéger et lier (adsorber) une variété de substances actives. Malheureusement, le charbon actif étant essentiellement solide, sa fonction de perméation est principalement confinée à la surface du substrat et sa fonction de filtration est principalement physique (non chimique), ce qui limite les types et les tailles de substances pouvant être efficacement séparées.

Dans le cas de la fibre de carbone poreuse de Toray - ou des poudres produites à partir du broyage de cette fibre - les pores sont continus dans toute la structure, ce qui signifie que les produits fabriqués à partir du matériau doivent être capables de filtrer à la fois physiquement et chimiquement. En tirant parti des propriétés d'adsorption du carbone atomique, la fibre de carbone nanoporeuse peut s'avérer utile pour les matériaux d'électrode et les supports de catalyseur dans les batteries haute performance. De plus, le carbone sous toutes ses formes solides est à la fois un bon conducteur thermique et un bon conducteur électrique - des caractéristiques qui pourraient s'avérer utiles dans certaines applications.

Toray rapporte que la taille des pores (niveaux micro à nano) et la forme des pores en coupe transversale sont contrôlables dans son produit, qu'ils créent une fibre poreuse « solide » ou une fibre poreuse creuse (avec un arbre central sur toute la longueur de la fibre). Jusqu'à présent, Toray a été en mesure de créer des pores « grands » ainsi que « petits » (bien qu'aucune précision sur la taille réelle des pores n'ait été fournie). Étant donné que la fibre de carbone a déjà été carbonisée et graphitée, elle est chimiquement stable et très rigide et résistante - des propriétés qui peuvent également être exploitées dans la production de membranes de séparation de gaz plus résistantes et plus compactes.

Apparemment, la société s'est appuyée sur trois domaines d'expertise internes pour développer le nouveau produit :les polymères, la fibre de carbone et les technologies de membrane de séparation/filtration de l'eau.

Le 11 décembre 2019, Toray a organisé une cérémonie d'inauguration pour ouvrir son nouveau centre d'innovation R&D pour l'avenir. L'installation de deux bâtiments, dans les locaux de l'usine Shiga de la société à Otsu, au Japon, où la société a commencé ses activités en 1926, servira de siège mondial à un certain nombre d'initiatives stratégiques, y compris la fibre de carbone poreuse, en engageant des institutions universitaires et l'industrie partenaires de divers domaines. Toray rapporte que la société collabore déjà avec plusieurs partenaires pour mieux tirer parti de l'expertise de chaque organisation afin de stimuler la commercialisation de membranes de séparation de gaz avancées afin de soutenir des méthodes économiques et respectueuses de l'environnement pour la purification du gaz naturel et du biogaz et la production d'hydrogène pour les piles à combustible qui alimentent les véhicules électriques. et bâtiments. Cette équipe dit avoir développé un concept pour un nouveau type de membrane de séparation des gaz qui sera plus résistante à la chaleur, aux produits chimiques et aux pressions. Combinant la fibre de carbone poreuse de Toray comme couche de support et la technologie partenaire pour les couches de séparation de gaz, le système à quatre couches proposé devrait être capable de séparer et de purifier le gaz naturel (couche A), le biogaz (couche B), l'hydrogène (couche C ) et du propylène (couche D).

La société indique également qu'elle poursuit ses recherches sur ce nouveau matériau pour favoriser le recyclage du carbone, exploiter la production d'hydrogène et réduire l'empreinte environnementale de l'industrie. Il s'agit d'un volet de la vision de développement durable du groupe Toray visant à aider à matérialiser des économies à faibles émissions de carbone d'ici 2050 grâce à des contributions aux questions d'environnement, de gestion des ressources et d'énergie.