Tout le monde se trompait sur l'osmose inverse - jusqu'à maintenant

Max G. Lévy

Menachem Elimelech n'a jamais fait la paix avec l'osmose inverse. Elimelech, qui a fondé le programme d'ingénierie environnementale de Yale, est une sorte de rock star parmi ceux qui développent des systèmes de filtration qui transforment l'eau de mer ou les eaux usées en eau potable propre. Et l'osmose inverse est une rock star parmi les technologies de filtration : elle domine la façon dont le monde dessale l'eau de mer depuis environ un quart de siècle. Pourtant, personne ne savait vraiment comment cela fonctionnait. Et Élimélec détestait cela.

Pourtant, il devait enseigner la technologie à ses élèves. Pendant de nombreuses années, il leur a montré comment estimer les hautes pressions qui poussent les molécules d'eau dans l'eau de mer à travers une membrane plastique en polyamide, créant de l'eau pure d'un côté du film et laissant une saumure extra-salée de l'autre. Mais ces calculs reposaient sur une hypothèse qui taraudait Elimelech et d'autres ingénieurs : que les molécules d'eau se diffusent individuellement à travers la membrane. "Cela m'a toujours dérangé. Cela n'a aucun sens", dit-il.

Cela peut sembler être une question d'ingénierie obscure, mais le bœuf d'Elimelech avec osmose inverse est basé sur un problème du monde réel. Plus de 3 milliards de personnes vivent dans des zones où l'eau est rare. D'ici 2030, la demande devrait dépasser l'offre de 40 %.

Et transformer l'eau des mers salées en quelque chose de potable a toujours été énergivore. Les anciennes usines de dessalement thermique des États du Golfe, où l'énergie est abondante, distillent l'eau de mer en la faisant bouillir et en capturant la vapeur. Une nouvelle génération d'usines de dessalement par osmose inverse, qui font passer l'eau à travers une série de membranes en plastique, a un peu réduit la demande énergétique, mais ce n'est pas suffisant. Il faut encore beaucoup de puissance pour pousser l'eau à travers des filtres denses, donc même des améliorations mineures dans la conception de la membrane vont très loin.

Dans une étude publiée en avril, l'équipe d'Elimelech a prouvé que l'hypothèse autrefois frustrante sur la façon dont l'eau se déplace à travers une membrane est, en effet, fausse. Ils la remplacent par une théorie de "friction de solution" selon laquelle les molécules d'eau se déplacent en grappes à travers de minuscules pores transitoires à l'intérieur du polymère, qui exercent une friction sur elles lors de leur passage. La physique de ce frottement est importante, car sa compréhension pourrait aider les gens à concevoir des matériaux ou des structures membranaires qui rendent le dessalement plus efficace ou mieux pour filtrer les produits chimiques indésirables, explique Elimelech.

Des membranes plus efficaces pourraient également améliorer les systèmes d'eau municipaux et étendre la portée du dessalement. "C'est l'une de ces avancées majeures", déclare Steve Duranceau, ingénieur en environnement à l'Université de Floride centrale, qui a passé 15 ans à concevoir des usines de dessalement avant de devenir professeur. "Cela va changer la façon dont les gens commencent à modéliser et à interpréter la façon de concevoir ces systèmes."

Lauren Goode

Julien Chokkattu

Chevalier

"Ils ont réussi", reconnaît Eric Hoek, ingénieur en environnement à l'UCLA qui a été formé par Elimelech il y a 20 ans mais n'a pas participé à l'étude. "Enfin, quelqu'un a mis le clou dans le cercueil."

Les racines de la nouvelle idée de friction de solution sont en fait anciennes. Les mathématiques moléculaires derrière cela remontent aux années 1950 et 1960, lorsque les chercheurs israéliens Ora Kedem et Aharon Katzir-Kachalsky, et le chercheur de l'UC Berkeley Kurt Samuel Spiegler, ont dérivé des équations de dessalement qui tenaient compte du frottement, c'est-à-dire comment l'eau, le sel et les pores de la membrane plastique interagissent les uns avec les autres.

Le frottement est une résistance. Dans ce cas, il vous indique à quel point il est difficile pour quelque chose de traverser la membrane. Si vous concevez une membrane qui a moins de résistance à l'eau et plus de résistance au sel ou à tout ce que vous voulez enlever, vous obtenez un produit plus propre avec potentiellement moins de travail.

Mais ce modèle a été abandonné en 1965, lorsqu'un autre groupe a introduit un modèle plus simple. Celui-ci supposait que le polymère plastique de la membrane était dense et n'avait pas de pores à travers lesquels l'eau pouvait s'écouler. Il ne soutenait pas non plus que la friction jouait un rôle. Au lieu de cela, il a supposé que les molécules d'eau dans une solution d'eau salée se dissoudraient dans le plastique et se diffuseraient de l'autre côté. C'est pourquoi on l'appelle le modèle "solution-diffusion".

La diffusion est le flux d'un produit chimique de l'endroit où il est le plus concentré vers l'endroit où il est le moins concentré. Pensez à une goutte de colorant se répandant dans un verre d'eau ou à l'odeur d'ail qui s'échappe d'une cuisine. Il continue de se déplacer vers l'équilibre jusqu'à ce que sa concentration soit la même partout, et il ne repose pas sur une différence de pression, comme l'aspiration qui tire l'eau à travers une paille.

Le modèle est resté, mais Elimelech a toujours suspecté que c'était faux. Pour lui, accepter que l'eau se diffuse à travers la membrane impliquait quelque chose d'étrange : que l'eau se dispersait en molécules individuelles lors de son passage. « Comment est-ce possible ? » demande Élimélec. Briser des amas de molécules d'eau nécessite une tonne d'énergie. "Vous avez presque besoin d'évaporer l'eau pour la faire pénétrer dans la membrane."

Pourtant, dit Hoek, "il y a 20 ans, c'était un anathème de suggérer que c'était incorrect". Hoek n'a même pas osé utiliser le mot "pores" en parlant de membranes d'osmose inverse, puisque le modèle dominant ne les reconnaissait pas. "Pendant de très nombreuses années", dit-il avec ironie, "je les ai appelés" éléments de volume gratuits interconnectés "."

Au cours des 20 dernières années, les images prises à l'aide de microscopes avancés ont renforcé les doutes de Hoek et Elimelech. Les chercheurs ont découvert que les polymères plastiques utilisés dans les membranes de dessalement ne sont finalement pas si denses et sans pores. Ils contiennent en fait des tunnels interconnectés, bien qu'ils soient absolument minuscules, culminant à environ 5 angströms de diamètre, soit un demi-nanomètre. Pourtant, une molécule d'eau mesure environ 1,5 angström de long, ce qui laisse suffisamment de place pour que de petits groupes de molécules d'eau se faufilent à travers ces cavités, au lieu d'avoir à passer un à la fois.

Il y a environ deux ans, Elimelech a estimé que le moment était venu de supprimer le modèle de diffusion de solution. Il a travaillé avec une équipe : Li Wang, un post-doctorant dans le laboratoire d'Elimelech, a examiné le flux de fluide à travers de petites membranes pour prendre de vraies mesures. Jinlong He, de l'Université du Wisconsin-Madison, a bricolé un modèle informatique simulant ce qui se passe à l'échelle moléculaire lorsque la pression pousse l'eau salée à travers une membrane.

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Chevalier

Les prédictions basées sur un modèle de diffusion de solution indiqueraient que la pression de l'eau devrait être la même des deux côtés de la membrane. Mais dans cette expérience, l'équipe a constaté que la pression à l'entrée et à la sortie de la membrane différait. Cela suggère que la pression entraîne le flux d'eau à travers la membrane, plutôt qu'une simple diffusion.

Ils ont également découvert que l'eau se déplace en grappes à travers les pores interconnectés, qui, bien que minuscules, sont suffisamment grands pour que l'eau n'ait pas à se disperser en molécules uniques pour se faufiler à travers. Ces pores semblaient apparaître et disparaître à travers la membrane au fil du temps, grâce à la pression appliquée et au mouvement moléculaire naturel.

Selon le matériau de la membrane, ces pores interagissent différemment avec l'eau, le sel ou d'autres composés. Elimelech pense que les ingénieurs pourraient concevoir des membranes pour mieux rejeter le sel (en maximisant l'interaction des pores avec eux) ou réduire la friction avec l'eau (en rendant les pores moins attirés par elle, de sorte qu'elle glisse). Faciliter la séparation des deux signifie que vous pouvez utiliser moins de pression et réduire les coûts énergétiques.

Ou, pense-t-il, les ingénieurs pourraient adapter les membranes pour filtrer les polluants environnementaux, comme le bore et les chlorures. Environ 20 % du bore de l'eau de mer passe à travers les membranes sous forme d'acide borique. Cette quantité est sans danger pour les personnes mais potentiellement toxique pour les cultures irriguées avec des eaux usées. En Israël, les usines de purification d'eau doivent prendre des mesures de détoxification supplémentaires juste pour éliminer le bore et les chlorures dans l'eau utilisée pour l'agriculture. Si vous pouvez les filtrer lors de la première passe, dit Elimelech, "vous pouvez économiser sur les coûts d'investissement et l'énergie".

Hoek pense que l'idée est plausible, mais pas encore là. (Ses collègues ont récemment exploré la conception de membranes pour le rejet du bore.) Les ingénieurs pourraient modifier la taille du canal, le pH local ou les charges électriques sur les pores de la membrane, suggère-t-il.

Et cela peut aller au-delà du bore, du chlorure ou même du dessalement. Les usines de services publics municipales utilisent l'osmose inverse pour éliminer les «produits chimiques permanents» dangereux du PFAS de l'eau potable. Les membranes actuelles sont toujours considérées comme la meilleure approche, mais de nombreux chercheurs sont déterminés à en concevoir de meilleures pour capturer les composés toxiques.

Duranceau rêve de membranes aussi flexibles et personnalisables que des vêtements, qui peuvent être sélectionnées en fonction des besoins de l'utilisateur. Après tout, les membranes sont des plastiques, le parangon de la personnalisation. Peut-être, pensent les ingénieurs, cette connaissance conduira à des membranes faites de matériaux autres que le polyamide qui seraient plus efficaces pour filtrer les PFAS ou le plomb. Ou peut-être que la membrane choisie dépendra de la salinité de l'eau, de saumâtre à saumâtre.

Cela peut prendre un certain temps – Elimelech se demande même s'il ne serait pas préférable d'utiliser un algorithme pour rechercher un matériau membranaire capable de battre le polyamide, de la même manière que les sociétés de biotechnologie se sont tournées vers l'apprentissage automatique pour dépister de nouveaux médicaments. "Mais c'est très difficile", souligne-t-il, car au cours des quelque 40 dernières années, personne n'a rien trouvé de mieux. Au moins maintenant, cependant, la science de l'écoulement de l'eau est claire.