Une nouvelle étude, publiée dans Science le 12 mai 2022, a trouvé une nouvelle méthode pour purifier l’eau qui est 2400 fois plus rapide que même les dispositifs expérimentaux de dessalement à base de nanotubes de carbone.
L’avenir du dessalement : Utiliser une membrane en téflon pour purifier l’eau.
La pénurie d’eau est un problème croissant dans le monde entier. Rien qu’en Afrique, on estime qu’environ 230 millions de personnes seront confrontées à des pénuries d’eau d’ici 2025, et que 460 millions de personnes vivront dans des régions soumises à un stress hydrique.
L’eau couvre 70% de la Terre, il est donc facile de supposer qu’elle sera toujours abondante. Cependant, l’eau douce est très rare. Les usines de désalinisation sont une technologie conçue pour aider à produire davantage d’eau douce. Le dessalement de l’eau est le processus qui consiste à retirer le sel de l’eau de mer pour produire de l’eau douce qui peut être traitée ultérieurement et utilisée en toute sécurité. Une usine de dessalement convertit environ la moitié de l’eau qu’elle reçoit en eau potable.
Bien que le dessalement de l’eau de mer soit un moyen bien établi de produire de l’eau potable, il a un coût énergétique élevé. Des chercheurs ont réussi à filtrer le sel de l’eau pour la première fois en utilisant des nanostructures à base de fluor. Ces nanocanaux fluorés sont plus efficaces que les technologies de dessalement conventionnelles car ils fonctionnent plus rapidement, utilisent moins de pression, constituent un filtre plus efficace et consomment moins d’énergie.
Vous avez probablement vu comment les ingrédients mouillés glissent sans effort sur une poêle à frire antiadhésive recouverte de téflon, si vous en avez déjà utilisé une. Le fluor, un ingrédient léger qui est par nature hydrophobe, est un composant essentiel du Téflon. Le téflon peut également être utilisé pour améliorer l’écoulement de l’eau en recouvrant les tuyaux. Le professeur associé Yoshimitsu Itoh du département de chimie et de biotechnologie de l’université de Tokyo, ainsi que ses collègues, ont été intrigués par ce comportement. Ils ont donc cherché à savoir comment les canalisations ou canaux de fluor pouvaient fonctionner à une autre échelle, la nano-échelle.
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 n’ont qu’un accès limité à l’eau potable. Crédit : 2022 Itoh et al.
“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 quelques 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 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.”
Les chercheurs ont développé des membranes de filtration test en fabriquant chimiquement des anneaux fluorés nanoscopiques qui ont été empilés et implantés dans une couche lipidique autrement impénétrable, similaire aux molécules organiques présentes dans les parois cellulaires. Ils ont mis au point de multiples échantillons d’essai avec des nanorings dont la taille varie de 1 à 2 nanomètres. À titre de comparaison, un cheveu humain mesure près de 100 000 nanomètres. Itoh et ses collègues ont évalué 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 testée afin de déterminer l’efficacité de leurs membranes.
“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 un bonus supplémentaire de cette négativité est qu’il décompose également ce que l’on appelle les clusters d’eau, essentiellement 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 mises au point par l’équipe sont plus efficaces, plus rapides, nécessitent moins d’énergie pour fonctionner et sont conçues pour être très simples à utiliser.
“A l’heure actuelle, la façon dont nous synthétisons nos matériaux est relativement énergivore.à améliorer dans les recherches à venir. 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.”
Référence : “Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior surface” par Yoshimitsu Itoh, Shuo Chen, Ryota Hirahara, Takeshi Konda, Tsubasa Aoki, Takumi Ueda, Ichio Shimada, James J. Cannon, Cheng Shao, Junichiro Shiomi, Kazuhito V. Tabata, Hiroyuki Noji, Kohei Sato et Takuzo Aida, 12 mai 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abd0966
