Dans le domaine en constante évolution des technologies de séparation membranaire, l'année 2024 a été marquante. La Conférence nationale des prix scientifiques et technologiques, qui s'est tenue en juin, a récompensé trois projets novateurs dans ce domaine, illustrant l'influence croissante de la Chine en ingénierie environnementale et en gestion des ressources.
La technologie clé et l'application du nouveau traitement de l'eau par membrane ont remporté le prestigieux premier prix pour leurs avancées dans le domaine du traitement de l'eau.
Le projet « Création et application de matériaux de membranes pour la purification des gaz » a remporté le deuxième prix, soulignant les innovations dans le domaine de la purification de l'air.
Le projet « Création et application d'un système technologique de garantie de la sécurité de l'eau potable », un projet à multiples facettes utilisant diverses technologies membranaires, a également remporté un premier prix.
C’est la première fois que la séparation membranaire reçoit trois Prix nationaux du progrès scientifique et technologique en une seule année, témoignant de l’expertise technique croissante de la Chine. Ces distinctions soulignent l’importance grandissante de la séparation membranaire pour le développement durable, la valorisation des ressources et les procédés industriels.
Qu’est-ce qui rend la séparation membranaire si efficace ?
Comparée aux méthodes de séparation traditionnelles, la séparation membranaire offre plusieurs avantages significatifs :
Efficacité énergétique : La plupart des procédés se déroulent à température ambiante, nécessitant un minimum d'énergie car aucun changement de phase n'est nécessaire (sauf dans des cas comme la distillation).
Simplicité et évolutivité : ce procédé permet la concentration, la purification et la séparation en une seule étape et peut être facilement adapté aux opérations à petite et à grande échelle.
Avantages environnementaux : C'est une solution sans produits chimiques, adaptable et peu coûteuse pour de nombreuses industries.
Ces atouts ont permis son application généralisée dans de nombreux secteurs industriels, de la séparation de substances à la détection, en passant par la libération contrôlée et le contrôle des réactions. Compte tenu de son immense potentiel, la séparation membranaire est depuis longtemps une priorité pour le gouvernement chinois. Durant le 13e plan quinquennal, 23 documents de politique générale ont souligné son importance, et les nouvelles politiques du 14e plan quinquennal continuent de favoriser son développement.
Séparation membranaire dans le traitement de l'eau : transformer l'industrie
Le traitement de l'eau demeure le domaine le plus vaste et le plus mature de la séparation membranaire, le dessalement et la purification de l'eau potable en étant les applications phares. Cette position dominante explique pourquoi les membranes d'osmose inverse détiennent la plus grande part de marché en Chine et dans le monde.
Parmi les projets phares de cette année, celui des technologies clés et des applications du nouveau traitement de l'eau par membrane se distingue par des avancées majeures dans le domaine des membranes de séparation d'eau ultrapure – essentielles à la fabrication de semi-conducteurs – et des innovations dans le traitement des eaux contaminées par des rejets nucléaires. La production locale réussie de ces membranes de pointe, auparavant dominées par des entreprises étrangères, représente un progrès considérable pour le secteur technologique chinois.
Par exemple, des entreprises chinoises comme Wharton Technology Co., Ltd. ont développé leurs propres membranes pour eau ultrapure, la série UE, désormais utilisées dans de nombreux projets de microélectronique de pointe. Afin de soutenir davantage cette croissance, l'Association chinoise de l'industrie des membranes a introduit plusieurs normes de groupe en 2023, notamment :
Exigences techniques relatives aux composants des membranes d'ultrafiltration pour l'eau ultrapure dans l'industrie des semi-conducteurs (T/ZGM 011-2023),
Normes relatives aux membranes d'osmose inverse spiralées (T/ZGM 012-2023),
Piles de membranes d'électrodésionisation (T/ZGM 013-2023).
Ces normes aident les entreprises nationales à répondre aux critères internationaux, à stimuler l'innovation produit et à promouvoir le développement de haute qualité de l'industrie chinoise des membranes.
Traitement des eaux usées : transformer la pollution en ressources
La technologie de séparation membranaire révolutionne également le traitement des eaux usées. Face au durcissement des réglementations environnementales en Chine, les industries subissent une pression considérable pour traiter efficacement et à moindre coût leurs eaux usées. Le dilemme traditionnel consistant à concilier coûts de traitement et responsabilité environnementale a poussé de nombreuses entreprises à recourir à des pratiques de rejet illicites afin de réduire leurs charges financières.
Cependant, lorsqu'elle est appliquée efficacement, la séparation membranaire peut faire du traitement des eaux usées non seulement une nécessité environnementale, mais aussi une activité rentable. Prenons l'exemple du projet « Technologie de préparation et d'intégration des membranes pour le traitement zéro émission des eaux usées de l'industrie papetière », dirigé par le professeur Xing Weihong sous la direction de Xu Nanping, membre de l'Académie chinoise d'ingénierie. Ce projet a permis de construire la première installation mondiale de traitement zéro émission des eaux usées de l'industrie papetière, capable de traiter 40 000 tonnes par jour. Il a relancé le projet de fabrication de papier Nantong Prince, qui était au bord de la faillite, générant un redressement économique de 10 milliards de yuans.
Un exemple plus récent de réussite est celui du parc de chimie fine du parc industriel de Pingluo, dans la province du Ningxia. Historiquement touché par la pollution, ce parc était soumis à de sérieuses restrictions en raison de son incapacité à équilibrer la demande en eau et le rejet des eaux usées. En réponse, le premier projet chinois de traitement des eaux usées à zéro rejet dans un parc de chimie fine a été lancé en 2022-2023. Ce projet, mis en œuvre par Meifeng Environment, utilise une séparation membranaire avancée pour permettre la réutilisation intégrale des eaux usées sans rejet externe. Le procédé transforme la saumure en sels de qualité industrielle, qui sont réutilisés dans la production, réduisant ainsi considérablement les coûts d'élimination des déchets.
Le système membranaire utilisé dans ce projet affiche un taux de récupération de 98.6 %, réduisant ainsi les déchets salins impurs de 95 % par rapport aux méthodes traditionnelles. Cette innovation permet au parc de traiter 10 000 tonnes d’eaux usées par jour, répondant à ses besoins de production tout en réutilisant l’eau pour l’arrosage des espaces verts et les services publics urbains.
Purification et séparation des gaz : l'innovation au service de l'efficacité
Au-delà du traitement de l'eau, la technologie de séparation membranaire progresse significativement dans la purification des gaz, un domaine crucial pour les industries confrontées aux problèmes de qualité de l'air et d'émissions. Les méthodes traditionnelles, telles que les systèmes de dépoussiérage à sacs, à cyclones et électrostatiques, sont utilisées depuis longtemps pour la gestion des poussières, tandis que les techniques d'adsorption, de condensation, de combustion et d'absorption chimique sont employées pour le contrôle des composés organiques volatils (COV). Cependant, ces technologies conventionnelles peinent à traiter efficacement les poussières ultrafines et les gaz résiduaires industriels complexes, notamment lorsque la valorisation des ressources est primordiale. À l'inverse, la technologie de séparation membranaire se distingue comme une alternative performante et écoénergétique, capable de respecter les normes d'émissions tout en permettant une valorisation optimale des ressources.
Un exemple éloquent en est le projet primé « Création et application de matériaux membranaires pour la purification des gaz », mené par l'équipe du professeur Jin Wanqin du Laboratoire national clé de génie chimique des matériaux de l'Université de technologie de Nanjing. Leurs innovations majeures dans le domaine des matériaux membranaires ont établi une nouvelle norme pour l'élimination des poussières ultrafines (à l'échelle submicronique) et des composés organiques des gaz de combustion industriels, tout en permettant la récupération de poudres et de solvants à haute valeur ajoutée.
Lever les barrières dans la purification des gaz grâce à la technologie membranaire
L'équipe du professeur Jin a mis au point une méthode de conception novatrice pour les membranes de séparation gaz-solide, établissant un lien entre les performances structurelles de la membrane et les paramètres de contrôle. Les membranes de purification de gaz qu'ils ont créées surpassent les normes internationales, affichant une perméabilité à l'air supérieure de plus de 30 % et une résistance mécanique améliorée de 198 %. Ces membranes peuvent éliminer 99.99 % des particules ultrafines de 0.3 micron, dépassant largement les standards mondiaux.
Un défi majeur de la purification des gaz industriels réside dans la contamination par les aérosols huileux, susceptibles de former des dépôts polluants sur les matériaux filtrants traditionnels et de dégrader leurs performances au fil du temps. Pour y remédier, l'équipe a mis au point une méthode de fonctionnalisation in situ assistée par la chaleur, permettant de conférer aux membranes des propriétés à la fois hydrophobes et oléophobes. Cette innovation offre un contrôle précis de l'adhérence et de la mouillabilité de la membrane, aboutissant à une membrane à double imperméabilité qui résiste à la pollution et bénéficie d'une durée de vie prolongée.
Applications concrètes et impact économique
Les membranes de purification de gaz mises au point par l'équipe du professeur Jin sont désormais largement utilisées dans de nombreux secteurs industriels. Plus de 200 projets, notamment ceux de grandes entreprises comme Sinopec, Hengyi Petrochemical et Jiangsu Huachang Chemical, ont adopté cette technologie. Ces projets, répartis dans 25 provinces et régions autonomes de Chine, contribuent de manière significative au traitement des gaz résiduaires industriels. Ces membranes sont particulièrement efficaces pour le traitement des gaz chlorés et des fumées chargées d'hydrocarbures, domaines où les technologies traditionnelles sont souvent insuffisantes.
À ce jour, cette technologie membranaire a traité plus de 300 milliards de mètres cubes de gaz industriels, permettant de récupérer des poudres à haute valeur ajoutée et des solvants organiques d'une valeur supérieure à 1 milliard de yuans. Les avantages économiques et environnementaux sont considérables, démontrant que cette technologie peut non seulement dépolluer les émissions industrielles, mais aussi transformer les déchets en ressources.
Comment fonctionnent les membranes de séparation des gaz
Les membranes de séparation de gaz fonctionnent selon un principe simple : la différence de pression partielle de part et d’autre de la membrane induit la séparation des composants gazeux. Les différentes molécules de gaz traversent la membrane à des vitesses variables. Les molécules les plus rapides s’accumulent du côté de la perméation, tandis que les plus lentes restent du côté de l’alimentation, permettant ainsi la séparation des mélanges gazeux.
Comparée aux méthodes traditionnelles comme la cryogénie, l'adsorption par variation de pression et l'adsorption chimique, la technologie membranaire offre de nombreux avantages :
Fonctionnement à température ambiante : pas besoin de températures extrêmes, ce qui le rend plus économe en énergie.
Simplicité et modularité : L'équipement est simple et peut être facilement adapté ou agrandi à différents besoins de séparation des gaz.
Haute efficacité : Il est capable de traiter une grande variété de gaz avec une précision de séparation impressionnante.
Cette technologie polyvalente a trouvé des applications fructueuses dans plusieurs secteurs industriels. Elle est notamment utilisée pour la récupération de l'hydrogène dans la synthèse de l'ammoniac, le traitement des gaz résiduaires dans les procédés pétrochimiques et les systèmes d'enrichissement en oxygène et en azote. Ces applications concrètes ont démontré la viabilité pratique et économique de la séparation membranaire pour la purification des gaz.
L’hélium : le « gaz d’or » qui alimente les industries de haute technologie et la course de la Chine vers l’autosuffisance
L'hélium, souvent surnommé le « gaz d'or », joue un rôle crucial dans de nombreux secteurs industriels : applications militaires, procédés pétrochimiques, technologies médicales, fabrication de semi-conducteurs et plongée sous-marine. Élément essentiel des expériences sur la supraconductivité et de la réfrigération cryogénique, il constitue une ressource rare et stratégique, indispensable aux industries de haute technologie mondiales.
La Chine, malgré son immense puissance industrielle, est confrontée à une pénurie d'hélium, plus de 95 % de son approvisionnement dépendant des importations. Le pays possède des réserves estimées à 1.1 milliard de mètres cubes d'hélium, mais seulement 50 millions de mètres cubes environ sont extractibles, soit à peine 0.1 % des réserves mondiales. Cette forte dépendance aux importations étrangères a incité à mener des recherches urgentes sur des technologies permettant d'exploiter l'hélium à faible concentration présent dans le gaz naturel (teneur en hélium de seulement 0.1 à 0.3 %) et de réduire considérablement les coûts. Si ces ressources peuvent être exploitées efficacement, la Chine pourrait satisfaire plus de 40 % de sa demande en hélium par voie nationale.
Les défis et les solutions de l'extraction de l'hélium
Les méthodes traditionnelles d'extraction d'hélium, notamment la distillation cryogénique, présentent l'avantage de produire de l'hélium de haute pureté, mais souffrent d'inconvénients majeurs. Les coûts de production élevés, les investissements considérables en équipements et l'énorme consommation d'énergie limitent l'extensibilité et l'efficacité des méthodes cryogéniques. Pour surmonter ces difficultés, les chercheurs s'attachent à combiner la séparation membranaire avec la distillation cryogénique et l'adsorption modulée en pression (PSA). Cette approche hybride réduit significativement la consommation d'énergie et les coûts d'équipement, tout en préservant la capacité d'extraire de l'hélium de haute pureté. De ce fait, elle est devenue un axe de recherche prioritaire et a déjà été appliquée avec succès dans plusieurs projets en Chine.
Percées dans la production nationale d'hélium
En novembre 2022, Sinopec a réalisé une avancée majeure en mettant en service la première unité de purification d'hélium du sud-ouest de la Chine, située sur le site de l'usine de GNL de Fuling, exploitée par la branche pétrolière de Sinopec à Chongqing. Il convient de souligner que la membrane de purification d'hélium utilisée dans ce projet a été entièrement développée en Chine, ce qui représente une avancée significative pour surmonter les barrières technologiques auparavant dominées par les États-Unis et le Japon dans le domaine des membranes de séparation d'hélium à base de polymères. Cette étape importante contribue grandement à réduire la dépendance de la Chine vis-à-vis des sources d'hélium étrangères.
Une autre avancée majeure a été réalisée grâce aux travaux de l'Institut chinois de recherche sur le charbon, qui s'est associé au groupe Yaojie Coal and Electricity pour développer un procédé intégré d'extraction d'hélium à partir du méthane de houille. Ce procédé, combinant adsorption modulée en pression, séparation membranaire et raffinage, a permis des progrès technologiques clés dans l'extraction d'hélium. L'équipe a relevé avec succès les défis de la décarbonation et de la concentration de l'hélium dans le méthane de houille multicomposant, atteignant des niveaux de pureté supérieurs à 99.9999 %. En 2023, la première installation mondiale d'extraction d'hélium de haute pureté à partir de méthane de houille, d'une capacité de 36 000 mètres cubes par jour, a été mise en service, confirmant ainsi la maîtrise totale par la Chine du processus complet d'extraction d'hélium à partir du méthane de houille.
Applications innovantes de la technologie membranaire dans l'extraction de l'hélium
Début 2023, l'Institut chinois de recherche en ingénierie et technologie a réalisé une nouvelle prouesse technologique en appliquant son système de séparation et de purification hydrogène-hélium à un projet d'extraction d'hélium à partir de gaz de détente de gaz naturel (BOG) à Luliang, dans le Shanxi. Ce système, qui intègre une technologie de pointe d'extraction d'hélium à partir de BOG (adsorption modulée en pression, séparation membranaire et déshydrogénation par adsorption), établit une nouvelle norme en matière d'extraction d'hélium. Ce système innovant permet non seulement de séparer et de purifier l'hélium avec une pureté supérieure à 99.999 %, mais aussi de produire de l'hydrogène de haute pureté, avec des niveaux de pureté similaires.
Cette nouvelle approche permet la séparation, le raffinage et la purification préliminaires de l'hélium à température ambiante, offrant à la fois efficacité et flexibilité. Le projet a démontré avec succès la stabilité opérationnelle à long terme et à basse température, prouvant ainsi que ces technologies sont non seulement viables, mais également adaptables à une utilisation industrielle.
L'avenir de l'extraction d'hélium en Chine
Alors que la Chine s'oriente vers une plus grande indépendance en matière d'approvisionnement en matières premières stratégiques, les avancées technologiques dans le domaine de la séparation membranaire pour l'extraction de l'hélium joueront un rôle crucial. En intégrant les systèmes membranaires à d'autres méthodes de pointe telles que la distillation cryogénique et l'adsorption modulée en pression, la Chine a déjà réalisé des progrès significatifs pour réduire sa dépendance aux importations. Ces technologies ont le potentiel de transformer la chaîne d'approvisionnement chinoise en hélium, permettant au pays d'exploiter ses propres réserves de gaz naturel pour couvrir une part importante de ses besoins nationaux en hélium.
À l'heure où l'hélium devient de plus en plus indispensable aux industries de pointe – de l'aérospatiale à l'informatique quantique, en passant par les énergies propres –, les progrès réalisés par la Chine dans l'extraction de cet hélium constituent une avancée majeure, non seulement pour sa stratégie industrielle, mais aussi pour le paysage mondial des hautes technologies. Face à la demande croissante pour ce « gaz d'or », l'alliance de l'innovation nationale, des techniques d'extraction avancées et d'une vision stratégique prospective pourrait faire de la Chine un futur leader sur le marché mondial de l'hélium.
