L’industrie américaine de la pâte et du papier utilise de grandes quantités d’eau pour produire de la pâte de cellulose à partir d’arbres. L’eau qui sort du processus de fabrication de la pâte contient un certain nombre de sous-produits organiques et de produits chimiques inorganiques. Pour réutiliser l’eau et les produits chimiques, les papeteries utilisent des évaporateurs alimentés à la vapeur qui font bouillir l’eau et la séparent des produits chimiques.
La séparation de l’eau par les évaporateurs est efficace mais consomme de grandes quantités d’énergie. C’est important, car les États-Unis sont actuellement le deuxième plus grand producteur mondial de papier et de carton. On estime que les quelque 100 papeteries du pays utilisent environ 0,2 quadruple (un quadruple est un quadrillion de BTU) d’énergie par an pour le recyclage de l’eau, ce qui en fait l’un des procédés chimiques les plus gourmands en énergie.
Selon le Lawrence Livermore National Laboratory, la consommation totale d’énergie industrielle aux États-Unis en 2019 s’élevait à 26,4 quads.
Une alternative consiste à déployer des membranes de filtration à faible consommation d’énergie pour recycler les eaux usées des usines de pâte à papier. Mais les membranes polymères conventionnelles, disponibles dans le commerce depuis plusieurs décennies, ne peuvent pas résister aux conditions difficiles et aux concentrations chimiques élevées que l’on trouve dans les eaux usées des usines de pâte à papier et dans de nombreuses autres applications industrielles.
Les chercheurs du Georgia Institute of Technology ont trouvé une méthode pour concevoir des membranes fabriquées à partir d’oxyde de graphène (GO), un matériau chimiquement résistant à base de carbone, afin qu’elles puissent fonctionner efficacement dans les applications industrielles.
“Le GO possède des caractéristiques remarquables qui permettent à l’eau de le traverser beaucoup plus rapidement que les membranes conventionnelles“, a déclaré Sankar Nair, professeur, membre de la faculté Simmons et titulaire de la chaire associée pour la sensibilisation de l’industrie à l’école d’ingénierie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech. “Mais une question qui se pose depuis longtemps est de savoir comment faire fonctionner les membranes GO dans des conditions réalistes avec des concentrations chimiques élevées afin qu’elles puissent devenir pertinentes pour l’industrie“.
Grâce à de nouvelles techniques de fabrication, les chercheurs peuvent contrôler la microstructure des membranes GO de manière à ce qu’elles puissent continuer à filtrer efficacement l’eau, même à des concentrations chimiques élevées.
Cette recherche, soutenue par l’Institut RAPID du Département américain de l’énergie, un consortium industriel d’entreprises de produits forestiers, et par l’Institut des bioproduits renouvelables de Georgia Tech, a récemment fait l’objet d’un article dans la revue Nature Sustainability. De nombreuses industries qui utilisent de grandes quantités d’eau dans leurs processus de production pourraient tirer profit de l’utilisation de ces membranes de nanofiltration GO.
Nair, ses collègues Meisha Shofner et Scott Sinquefield, et leur équipe de recherche ont commencé ce travail il y a cinq ans. Ils savaient que les membranes GO étaient depuis longtemps reconnues pour leur grand potentiel en matière de dessalement, mais seulement dans un cadre de laboratoire. “Personne n’avait démontré de manière crédible que ces membranes pouvaient fonctionner dans des flux d’eau industriels et des conditions d’exploitation réalistes“, a déclaré M. Nair. “Il fallait de nouveaux types de structures GO qui présentent une haute performance de filtration et une stabilité mécanique tout en conservant l’excellente stabilité chimique associée aux matériaux GO“.
Pour créer de telles nouvelles structures, l’équipe a conçu l’idée de prendre en sandwich de grandes molécules de colorants aromatiques entre les feuilles de GO. Les chercheurs Zhongzhen Wang, Chen Ma et Chunyan Xu ont découvert que ces molécules se liaient fortement aux feuilles de GO de multiples façons, notamment en empilant une molécule sur une autre. Le résultat a été la création d’espaces “galerie” entre les feuilles GO, avec les molécules de colorant agissant comme des “piliers“. Les molécules d’eau filtrent facilement à travers les espaces étroits entre les piliers, tandis que les produits chimiques présents dans l’eau sont bloqués de manière sélective en fonction de leur taille et de leur forme. Les chercheurs ont pu régler la microstructure de la membrane verticalement et latéralement, ce qui leur a permis de contrôler à la fois la hauteur de la galerie et l’espace entre les piliers.
L’équipe a ensuite testé les membranes de nanofiltration GO avec plusieurs flux d’eau contenant des produits chimiques dissous et a montré la capacité des membranes à rejeter les produits chimiques en fonction de leur taille et de leur forme, même à des concentrations élevées. Finalement, ils ont mis à l’échelle leurs nouvelles membranes GO pour obtenir des feuilles d’une longueur maximale d’un mètre et ont démontré leur fonctionnement pendant plus de 750 heures dans un flux d’alimentation réel provenant d’une usine de papier.
Nair s’est dit enthousiaste quant au potentiel de la nanofiltration des membranes GO pour générer des économies d’énergie dans les papeteries, ce qui pourrait améliorer la durabilité de l’industrie. “Ces membranes peuvent faire économiser à l’industrie papetière plus de 30 % des coûts énergétiques de la séparation de l’eau“, a-t-il déclaré.
Georgia Tech continue de travailler avec ses partenaires industriels pour appliquer la technologie des membranes GO à des applications dans le domaine de la pâte à papier.
Ce travail est soutenu par l’Institut RAPID (#DE-EE007888-5-5) du ministère américain de l’énergie (DOE), un consortium industriel composé de Georgia-Pacific, International Paper, SAPPI et WestRock, et par l’entreprise Georgia Tech Renewable Bioproduct
Zhongzhen Wang, et al., “Graphene Oxide Nanofiltration Membranes for Desalination under Realistic Conditions.” (Nature Sustainability, 2021) https://doi.org/10.1038/s41893-020-00674-3.
Jean-Philippe Behr
