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Aug 15, 2023

Lutter contre le changement climatique à l'aide de « filtres à café pour molécules »

Luis Francisco Villalobos rejoint l'USC Viterbi, apportant son expertise en technologie de séparation pour la transition énergétique et la filtration de l'eau. Luis Francisco Villalobos crée des nanopores de l'épaisseur d'un atome

Luis Francisco Villalobos rejoint l'USC Viterbi, apportant son expertise en technologie de séparation pour la transition énergétique et la filtration de l'eau.

Luis Francisco Villalobos crée des filtres moléculaires nanoporeux de l’épaisseur d’un atome en gravant des pores dans une couche de réseau de graphène – une couche ultra-mince de carbone avec une structure hexagonale précise. Image/Joseph G. Manion et Luis Francisco Villalobos.

La technologie de séparation est quelque chose dont beaucoup d’entre nous ont besoin pour affronter la journée. Chaque matin, notre fidèle filtre à café opère sa magie, séparant le café moulu et convertissant l'eau en cette dose vivifiante d'énergie liquide dont nous avons besoin pour fonctionner.

Luis Francisco Villalobos s'intéresse à la manière dont ce processus peut être exploité à l'échelle atomique en utilisant des membranes avancées fabriquées à partir de matériaux économes en énergie. Ces membranes de pointe peuvent sécuriser notre approvisionnement en eau potable, capturer les éléments précieux des déchets et faciliter la transition vers une énergie propre.

En janvier, il rejoint le département de génie chimique et de science des matériaux de la famille Mork en tant que professeur adjoint, renforçant ainsi la capacité du département en matière de technologie de séparation pour faciliter la filtration de l'eau et les techniques d'atténuation de la pollution telles que le captage du carbone.

Villalobos a déclaré que la moitié de l'énergie dépensée par l'industrie chimique est consacrée au processus industriel de séparation.

"Mon point de vue personnel est que ce chiffre ne fera qu'augmenter parce que les matériaux critiques - comme l'eau, le lithium, le nickel et d'autres métaux - sont soumis à des contraintes telles que nous avons besoin de meilleures technologies de séparation, afin que nous puissions maximiser leur récupération", a-t-il déclaré.

Villalobos espère inverser cette tendance à forte intensité de carbone en développant des membranes ultra-fines aux propriétés matérielles hautement contrôlées pour créer un processus de séparation modulaire et économe en énergie.

« C'est comme un filtre à café : le filtre laisse passer l'eau mais retient les grains de café. C’est une séparation que nous pouvons constater. Mais la séparation que je vise se situe au niveau moléculaire : séparer une molécule d'une autre dans un flux », a déclaré Villalobos.

L’une des applications industrielles les plus courantes de la séparation à l’échelle moléculaire est la membrane d’osmose inverse utilisée pour le dessalement et la filtration de l’eau. Villalobos développe une technologie pour cette application, ainsi que pour le captage et le stockage du carbone, ainsi que pour la récupération de matériaux précieux à partir de déchets liquides tels que la saumure, les résidus miniers et l'eau produite - l'eau salée naturelle qui sort de la terre sous forme de déchet. produit issu de la production pétrolière et gazière.

"Nous prenons un flux de déchets et en extrayons quelque chose de précieux, afin de pouvoir améliorer la disponibilité de ces ressources qui deviennent de plus en plus rares avec le temps", a déclaré Villalobos.

Un exemple clé de produit disponible dans les flux de déchets est le lithium, un matériau de plus en plus important pour l’électronique et le stockage des batteries. Le lithium est abondant dans l’océan et pourtant très difficile à extraire de manière économe en énergie.

"Nous devons trouver de meilleurs moyens d'extraire le lithium à partir de sources connues, mais aussi trouver d'autres sources où nous ne l'extrayons pas traditionnellement", a déclaré Villalobos. « L’eau produite provient des réservoirs de pétrole et ils doivent en faire quelque chose. Lorsqu'il traverse les roches de la terre, il contient de nombreux métaux, y compris du lithium. C'est donc une source potentielle.

Professeur adjoint au Département de génie chimique et de science des matériaux de la famille Mork Luis Francisco Villalobos.

La technologie de membrane de pointe que Villalobos développe est connue sous le nom de filtre moléculaire nanoporeux de l’épaisseur d’un atome. Il travaille avec du graphène, une couche de carbone de l’épaisseur d’un seul atome, parfaitement disposée selon un motif hexagonal. Une couche de graphène vierge a une structure atomique très serrée qui ne laisse pas passer les molécules.

"Mais si nous parvenons à percer un grand nombre de trous précis sur ces matériaux épais, nous pourrons alors fabriquer des membranes très économes en énergie", a déclaré Villalobos. « En règle générale, l’énergie que nous devons dépenser pour déplacer les molécules d’un côté à l’autre d’une membrane est proportionnelle à l’épaisseur de notre membrane. Ces matériaux sont aussi fins que possible.