Filtrer l’eau et trier des ions avec des MOF

Les réseaux organo-métalliques (MOF pour metal-organic framework) sont des matériaux de nouvelle génération composés d’ions métalliques ou de groupe d’atomes métalliques reliés entre eux par des liens organiques et qui forment des structures à une, deux ou trois dimensions. Ils possèdent une très grande surface de contact interne comme une sorte d’éponge cristalline qui peut capter, stocker et relarguer d’autres composés chimiques. Dans ces travaux, publiés dans Sciences Advances, des MOF ont été testés pour filtrer le sel et les ions de l’eau de mer de manière efficace et beaucoup moins énergivore que les membranes utilisées actuellement. Les recherches ont été menées par des chercheurs australiens de la Monash University (Melbourne) et du CSIRO en collaboration avec l’Université du Texas (Austin – Etats-Unis).

Sélectivité, déshydratation et transport rapide

Pour mettre au point leurs filtres sélectifs à base de MOF, les chimistes se sont inspirés de la structure et du fonctionnement des membranes cellulaires, capables de trier des ions aux diamètres proches et de les faire circuler très rapidement. L’objectif était de réussir, comme le font les membranes, à être sélectif sur plusieurs ions  monoatomiques dont la valence et la taille sont similaires tels que les ions Li+, Na+, et  K+.

S’appuyant sur les récentes recherches concernant les membranes MOF munies de pores de l’ordre de l’ångström (0,1 nm) pour des technologies de séparation et de perméation des gaz ou de solutions, ces travaux ont montré qu’une membrane ultrafine de type ZIF-8 (ZIF pour zeolitic imidazolate framework) pouvait ainsi transporter très rapidement et sélectivement des ions lithium parmi d’autres ions alcalins tels que NA+, K+ et Rb+. Les simulations de dynamiques moléculaires laissent à penser que ce phénomène est associé à une déshydratation des ions. D’autres types de membranes ont été testée, comme une de type UiO-66 qui montre des résultats similaires mais moins performants. Ces résultats ouvrent la voie à de nombreux développement de membranes basées sur des MOF avec des pores subnanométriques pour des applications de séparations d’ions efficaces.

Vers un lithium plus accessible et moins polluant?

Non seulement cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour les process de désalinisation mais elle intéresse aussi la filière d’extraction du lithium. En effet, les procédés actuels d’extraction du lithium depuis la roche ou l’eau salée utilisent des solvants polluants, ils sont peu efficaces et impactent fortement les économies et sociétés locales. La demande globale de lithium continuant de croître pour le marché des appareils électroniques et des batteries, ces nouveaux types de membranes pourrait constituer une nouvelle voie d’extraction, plus propre et permettant par exemple d’utiliser l’eau de mer, ressource courante et accessible partout dans le monde ou encore de l’utiliser sur des rejets d’autres industries comme sur les rejets secondaires à l’extraction de gaz de schistes tels que ceux du Texas qui sont riches en lithium.

Par Sophie Hoguin