La séparation de gaz à partir de membranes a débuté il y a une trentaine d’années. Les seules membranes réellement industrialisées pour la séparation gazeuse sont des membranes polymériques. Le premier procédé industriel de séparation gazeuse par membrane est le PRISM. Celui-ci a été développé par Montsanto en 1979 pour la séparation de l’hydrogène d’un courant gazeux. Ce procédé a ensuite été modifié pour être appliqué à la séparation de l’azote et de l’oxygène (PRISMAZOTE). La séparation de gaz par membranes polymériques s’avère très compétitive comparée aux technologies d’absorption, d’adsorption et cryogénique. Ses avantages sont inhérents aux techniques membranaires et portent principalement sur la compacité, son fonctionnement en continu et la souplesse des installations, l’automatisation et la sécurité. Ceci donne aux systèmes membranaires un avantage considérable en termes d’entretien et de maintenance, comparé aux autres technologies pour la séparation du CO2 provenant des centrales électriques [41-46]. Les membranes développées à ce jour sont intrinsèquement plus sélectives et plus robustes que celles des générations précédentes. Celles-ci devraient avoir un plus grand impact pour les applications où l’étape de séparation demande beaucoup d'énergie mais cela seul n'est pas suffisant. En effet, les membranes développées actuellement font appel à de nouveaux matériaux connus pour offrir une plus grande sélectivité et une résistance aux conditions d'exploitation agressive. Mais le coût élevé de production des modules est un frein à leurs utilisations.
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Cependant, cette technologie n’est pas encore arrivée à maturité dans le domaine de la séparation gazeuse pour la capture du CO2 des fumées de combustion des centrales thermiques. Elle n’est pas encore capable de déraciner les technologies plus anciennes comme l’absorption par solvant aminé, ce qui suggère la nécessité d'une stratégie plus globale visant à favoriser leur implantation. De plus, le coût de capture par absorption avec des solvants aminés est moins élevé que celui des procédés membranaires, empêchant in fine leur adoption et leur implantation à l’échelle industrielle, dans le programme CCS (Carbon dioxide Capture and storage) [47].
L'incapacité actuelle des membranes à supplanter les technologies conventionnelles ne vient pas seulement du coût d’élaboration des matériaux membranaires, mais plutôt du couplage matériaux-procédés. En effet, l’utilisation de compresseurs engendre des coûts élevés d’utilisation des systèmes membranaires, comparé au mode de fonctionnement des systèmes d’absorption par solvants aminés qui ne nécessite pas l’utilisation de compresseurs [47].
Au final, l’optimisation du couplage matériaux-procédés membranaires représente un défi majeur pour les scientifiques, qu’ils soient spécialisés dans le génie des procédés, en ingénierie chimique, ou en physico-chimie des matériaux (organiques ou/et inorganiques). Le but final est d’intégrer cette technologie dans les systèmes de capture du CO2 provenant des centrales thermiques électriques, mais aussi de les intégrer dans les systèmes de traitement du gaz naturel, pour la récupération de l’hydrogène dans les usines pétrochimiques et de raffinage, ainsi que pour la purification de l’O2 et N2.
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Dans cette deuxième partie, nous présenterons la technologie de séparation membranaire appliquée aux gaz en se basant, dans un premier temps, sur le principe d’une séparation de gaz par membranes ainsi que sur les différents types matériaux membranaires. Nous nous focaliserons ensuite sur les différentes classes de membranes et sur les différents modules membranaires utilisés dans la séparation de gaz. Cette partie s’achèvera sur une présentation des mécanismes de transport de gaz mis en jeu au sein d’un matériau dense et à base de macromolécules. Les mécanismes de transport au sein d’un matériau poreux seront présentés en annexes de manière succincte.