Cette unité conviviale, qui pèse moins de 10 kilogrammes et ne nécessite pas l’utilisation de filtres, peut être alimentée par un petit panneau solaire portable. Crédit : M. Scott Brauer
Des chercheurs construisent une unité de dessalement portable qui produit de l’eau potable claire et propre sans avoir besoin de filtres ou de pompes à haute pression.
MIT researchers have developed a portable desalination unit, weighing less than 10 kilograms (22 pounds), that can remove particles and salts to generate fresh drinking water.
The device, which is about the size of a suitcase, needs less power to operate than a cell phone charger. It can also be driven by a small, portable solar panel, which can be purchased online for around $50. It automatically generates drinking water that exceeds World Health Organization (WHO) quality standards. The technology is packaged into a user-friendly device that runs with the push of a single button.
Unlike other portable desalination devices that require water to pass through filters, this unit utilizes electrical power to remove particles from drinking water. Eliminating the need for replacement filters significantly reduces the long-term maintenance requirements.
The setup includes a two-stage ion concentration polarization (ICP) process, with water flowing through six modules in the first stage then through three in the second stage, followed by a single electrodialysis process Credit: M. Scott Brauer
This could enable the unit to be deployed in remote and severely resource-limited areas, such as communities on small islands or aboard seafaring cargo ships. It could also be used to aid refugees fleeing natural disasters or by soldiers carrying out long-term military operations.
“This is really the culmination of a 10-year journey that I and my group have been on. We worked for years on the physics behind individual desalination processes, but pushing all those advances into a box, building a system, and demonstrating it in the ocean, that was a really meaningful and rewarding experience for me,” says senior author Jongyoon Han, a professor of electrical engineering and computer science and of biological engineering, and a member of the Research Laboratory of Electronics (RLE).
Joining Han on the paper are first author Junghyo Yoon, a research scientist in RLE; Hyukjin J. Kwon, a former postdoc; SungKu Kang, a postdoc at Northeastern University; and Eric Brack of the U.S. Army Combat Capabilities Development Command (DEVCOM). The research has been published online in the journal Environmental Science and Technology.
Technologie sans filtre
Les unités de dessalement portables disponibles dans le commerce nécessitent généralement des pompes à haute pression pour pousser l’eau à travers les filtres, ce qui est très difficile à miniaturiser sans compromettre l’efficacité énergétique de l’appareil, explique Yoon.
Au lieu de cela, leur unité s’appuie sur une technique appelée polarisation de la concentration ionique (ICP), qui a été mise au point par le groupe de Han il y a plus de 10 ans. Plutôt que de filtrer l’eau, le procédé ICP applique un champ électrique à des membranes placées au-dessus et au-dessous d’un canal d’eau. Les membranes repoussent les particules chargées positivement ou négativement – y compris les molécules de sel, les bactéries et les virus – lorsqu’elles passent devant. Les particules chargées sont canalisées vers un second flux d’eau qui est finalement évacué.
Le processus élimine les solides dissous et en suspension, permettant à l’eau propre de passer dans le canal. Comme il ne nécessite qu’une pompe à basse pression, l’ICP utilise moins d’énergie que les autres techniques.
Le dispositif portable ne nécessite pas de filtres de remplacement, ce qui réduit considérablement les besoins de maintenance à long terme. Crédit : M. Scott Brauer
Mais l’ICP n’élimine pas toujours tous les sels qui flottent au milieu du canal. Les chercheurs ont donc incorporé un second processus, appelé électrodialyse, pour éliminer les ions de sel restants.
Yoon et Kang ont utilisé l’apprentissage automatique pour trouver la combinaison idéale de modules ICP et d’électrodialyse. La configuration optimale comprend un processus ICP en deux étapes, l’eau passant par six modules dans la première étape puis par trois dans la seconde, suivi d’un seul processus d’électrodialyse. Cela a permis de minimiser la consommation d’énergie tout en garantissant que le processus reste autonettoyant.
“S’il est vrai que certaines particules chargées peuvent être capturées sur la membrane échangeuse d’ions, si elles sont piégées, il suffit d’inverser la polarité du champ électrique et les particules chargées peuvent être facilement éliminées”, explique Yoon.
Ils ont réduit et empilé les modules ICP et électrodialyse pour améliorer leur efficacité énergétique et leur permettre de tenir dans un appareil portable. Les chercheurs ont conçu l’appareil pour les non-experts, avec un seul bouton pour lancer le processus automatique de dessalement et de purification. Une fois que le niveau de salinité et le nombre de particules ont atteint des seuils spécifiques, l’appareil informe l’utilisateur que l’eau est potable.
Les chercheurs ont également créé une application pour smartphone qui peut contrôler l’appareil sans fil et rapporter des données en temps réel sur la consommation d’énergie et la salinité de l’eau.
Tests sur les plages
Après avoir réalisé des expériences en laboratoire avec de l’eau présentant différents niveaux de salinité et de turbidité, ils ont testé l’appareil sur le terrain à la plage Carson de Boston.
Yoon et Kwon ont installé la boîte près du rivage et ont jeté le tube d’alimentation dans l’eau. En une demi-heure environ, le dispositif a rempli un gobelet en plastique d’eau claire et potable.
Les chercheurs du MIT ont créé une unité de dessalement portable capable d’éliminer automatiquement et simultanément les particules et les sels pour produire de l’eau potable. “C’est vraiment l’aboutissement d’un voyage de 10 ans que mon groupe et moi-même avons entrepris”, déclare l’auteur principal Jongyoon Han, à droite, photographié avec Junghyo Yoon, assis. Crédit : M. Scott Brauer
“Il a été couronné de succès dès son premier passage, ce qui était assez excitant et surprenant. Mais je pense que la principale raison de ce succès est l’accumulation de toutes ces petites avancées que nous avons faites en cours de route “, déclare Han.
L’eau obtenue a dépasséLes directives de qualité de l’Organisation mondiale de la santé, et l’unité a réduit la quantité de solides en suspension d’au moins un facteur 10. Leur prototype génère de l’eau potable à un taux de 0,3 litre par heure, et ne nécessite que 20 watts d’énergie par litre.
“En ce moment, nous poussons nos recherches pour augmenter ce taux de production”, dit Yoon.
L’un des plus grands défis de la conception du système portable a été de concevoir un appareil intuitif qui puisse être utilisé par n’importe qui, dit Han.
Yoon espère rendre l’appareil plus convivial et améliorer son efficacité énergétique et son taux de production grâce à une startup qu’il prévoit de lancer pour commercialiser la technologie.
En laboratoire, M. Han veut appliquer les leçons qu’il a apprises au cours de la dernière décennie aux problèmes de qualité de l’eau qui vont au-delà du dessalement, comme la détection rapide des contaminants dans l’eau potable.
“C’est un projet passionnant et je suis fier des progrès que nous avons réalisés jusqu’à présent, mais il reste encore beaucoup de travail à faire”, dit-il.
Par exemple, alors que le “développement de systèmes portables utilisant des processus électro-membranaires est une direction originale et passionnante dans le dessalement hors réseau et à petite échelle”, les effets de l’encrassement, en particulier si l’eau a une turbidité élevée, pourraient augmenter de manière significative les exigences de maintenance et les coûts énergétiques, note Nidal Hilal, professeur d’ingénierie et directeur du New York University Abu Dhabi Water research center, who was not involved with this research.
“Another limitation is the use of expensive materials,” he adds. “It would be interesting to see similar systems with low-cost materials in place.”
Reference: “Portable Seawater Desalination System for Generating Drinkable Water in Remote Locations” by Junghyo Yoon, Hyukjin J. Kwon, SungKu Kang, Eric Brack and Jongyoon Han, 14 April 2022, Environmental Science and Technology.
DOI: 10.1021/acs.est.1c08466
The research was funded, in part, by the DEVCOM Soldier Center, the Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), the Experimental AI Postdoc Fellowship Program of Northeastern University, and the Roux AI Institute.
