L'avenir du dessalement ?
Une membrane rapide, efficace et sélective pour purifier l'eau salée
La pénurie d'eau est un problème croissant dans le monde entier. Le dessalement de l'eau de mer est une méthode éprouvée pour produire de l'eau potable, mais elle s'accompagne d'énormes coûts énergétiques. Pour la première fois, des chercheurs utilisent des nanostructures à base de fluor pour filtrer avec succès le sel de l'eau. Par rapport aux méthodes de dessalement actuelles, ces nanocanaux fluorés fonctionnent plus rapidement, nécessitent moins de pression et moins d'énergie, et constituent un filtre plus efficace.
La réduction du coût énergétique et donc financier, ainsi que l'amélioration de la simplicité du dessalement de l'eau, pourraient aider les communautés du monde entier qui ont un accès limité à l'eau potable.
© 2022 Itoh et al.
Si vous avez déjà cuisiné avec une poêle à frire antiadhésive recouverte de Téflon, vous avez probablement constaté que les ingrédients humides glissent facilement autour d'elle. Cela est dû au fait que le composant clé du téflon est le fluor, un élément léger qui repousse naturellement l'eau, ou hydrophobe. Le téflon peut également être utilisé pour tapisser les tuyaux afin d'améliorer l'écoulement de l'eau. Ce comportement a attiré l'attention du professeur associé Yoshimitsu Itoh, du département de chimie et de biotechnologie de l'université de Tokyo, et de son équipe. Il les a incités à étudier comment des tuyaux ou des canaux fabriqués à partir de fluor pourraient fonctionner à une échelle très différente, la nano-échelle.
"Nous étions curieux de voir à quel point un nanocanal fluoré pourrait être efficace pour filtrer sélectivement différents composés, en particulier l'eau et le sel. Et, après avoir effectué des simulations informatiques complexes, nous avons décidé que cela valait la peine de consacrer du temps et des efforts à la création d'un échantillon fonctionnel", a déclaré M. Itoh. "Il existe actuellement deux méthodes principales pour dessaler l'eau : par voie thermique, en utilisant la chaleur pour évaporer l'eau de mer afin qu'elle se condense en eau pure, ou par osmose inverse, qui utilise la pression pour forcer l'eau à traverser une membrane qui bloque le sel. Ces deux méthodes nécessitent beaucoup d'énergie, mais nos tests suggèrent que les nanocanaux fluorés en nécessitent peu et présentent également d'autres avantages."
L'équipe a créé des membranes de filtration test en synthétisant chimiquement des anneaux fluorés nanoscopiques, qui ont été empilés et intégrés dans une couche lipidique autrement imperméable, similaire aux molécules organiques qui composent les parois cellulaires. Ils ont créé plusieurs échantillons de test avec des nanoréseaux d'environ 1 à 2 nanomètres. À titre de référence, un cheveu humain a une largeur de près de 100 000 nanomètres. Pour tester l'efficacité de leurs membranes, Itoh et son équipe ont mesuré la présence d'ions chlore, l'un des principaux composants du sel - l'autre étant le sodium - de part et d'autre de la membrane test.
"C'était très excitant de voir les résultats de première main. Le plus petit de nos canaux d'essai a parfaitement rejeté les molécules de sel entrantes, et les plus grands canaux aussi étaient encore une amélioration par rapport aux autres techniques de dessalement et même aux filtres de pointe à nanotubes de carbone", a déclaré Itoh. "La véritable surprise pour moi a été la rapidité du processus. Notre échantillon a fonctionné environ plusieurs milliers de fois plus vite que les dispositifs industriels typiques, et environ 2 400 fois plus vite que les dispositifs expérimentaux de dessalement à base de nanotubes de carbone."
Le fluor étant électriquement négatif, il repousse les ions négatifs tels que le chlore présent dans le sel. Mais cette négativité a pour avantage supplémentaire de briser ce que l'on appelle les "clusters" d'eau, c'est-à-dire des groupes de molécules d'eau faiblement liées, afin qu'elles passent plus rapidement dans les canaux. Les membranes de dessalement de l'eau à base de fluor de l'équipe sont plus efficaces, plus rapides, nécessitent moins d'énergie pour fonctionner et sont conçues pour être très simples à utiliser.
"À l'heure actuelle, la façon dont nous synthétisons nos matériaux est elle-même relativement énergivore ; cependant, c'est un aspect que nous espérons améliorer dans le cadre de nos prochaines recherches. Et, compte tenu de la longévité des membranes et de leur faible coût d'exploitation, les coûts énergétiques globaux seront beaucoup plus faibles qu'avec les méthodes actuelles", a déclaré M. Itoh. "Les autres étapes que nous souhaitons franchir sont bien sûr la mise à l'échelle. Nos échantillons de test étaient des nanocanaux uniques, mais avec l'aide d'autres spécialistes, nous espérons créer une membrane d'environ 1 mètre de diamètre dans plusieurs années. Parallèlement à ces préoccupations de fabrication, nous étudions également si des membranes similaires pourraient être utilisées pour réduire le dioxyde de carbone ou d'autres déchets indésirables rejetés par l'industrie."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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