Les scientifiques de CSU révèlent des informations clés sur la technologie de purification de l'eau

Par Anne Manning

La gauche représente une membrane omniphobe et la droite représente une membrane hydrophobe conventionnelle avec des zones interfaciales eau-air accrues (lignes vertes). Crédit : laboratoire Kota

La rareté de l'eau étant un défi critique à travers le monde, les scientifiques et les ingénieurs recherchent de nouvelles façons de récolter de l'eau purifiée à partir de sources non conventionnelles, comme l'eau de mer ou même les eaux usées.

L'un de ces chercheurs est Tiezheng Tong, professeur adjoint au Département de génie civil et environnemental, dont le laboratoire étudie une technologie émergente appelée distillation membranaire.

La distillation membranaire implique une fine membrane hydrofuge qui exploite les différences de pression de vapeur entre le liquide impur plus chaud, appelé « eau d'alimentation », et l'eau purifiée plus froide, appelée « perméat ». Au cours du processus, la vapeur d'eau traverse la membrane et est séparée de l'eau d'alimentation salée ou sale. Selon Tong, la distillation membranaire fonctionne mieux que d'autres technologies comme l'osmose inverse, qui ne peut pas traiter l'eau extrêmement salée comme les saumures de dessalement ou l'eau produite par fracturation hydraulique.

Bien qu'elle soit prometteuse, la distillation membranaire ne fonctionne pas parfaitement. Un défi majeur consiste à concevoir des membranes pour purifier efficacement l'eau tout en garantissant une contamination nulle de l'eau propre.

Tong et le scientifique des matériaux Arun Kota du Département de génie mécanique ont uni leurs forces pour découvrir la science fondamentale derrière la conception de cette membrane parfaite. Dans de nouvelles expériences qu'ils décrivent dans Nature Communications, les ingénieurs du CSU offrent de nouvelles informations sur les raisons pour lesquelles certaines conceptions de membranes utilisées dans la distillation par membrane fonctionnent mieux que d'autres.

"Les connaissances fondamentales de notre article améliorent la compréhension mécaniste du transport de la vapeur d'eau dans les substrats microporeux et ont le potentiel de guider la conception future des membranes utilisées dans la distillation membranaire", a déclaré Tong.

Dans la distillation membranaire, l'eau d'alimentation est chauffée, séparant les composants purs et impurs par des différences de volatilité. La membrane microporeuse est un élément clé de l'installation car elle laisse passer la vapeur d'eau, mais pas l'intégralité du liquide impur. Typiquement, la membrane est constituée d'un matériau "hydrophobe", ou hydrofuge, afin de ne laisser passer que la vapeur d'eau mais de maintenir une barrière pour l'eau d'alimentation.

Cependant, ces membranes hydrophobes peuvent échouer, car l'eau d'alimentation, telle que l'eau produite par l'huile de schiste, peut avoir une faible tension superficielle. Cette faible tension superficielle permet à l'eau d'alimentation de fuir à travers les pores de la membrane, contaminant l'eau pure de l'autre côté - un phénomène appelé mouillage de la membrane.

Des recherches antérieures avaient révélé que l'utilisation de membranes "omniphobes" - des membranes qui repoussent tous les liquides, y compris l'eau et les liquides à faible tension superficielle - préserve la séparation vapeur/eau intacte. Mais, les membranes omniphobes ralentissent généralement le débit et la quantité de vapeur d'eau traversant la membrane, réduisant considérablement l'efficacité de l'ensemble du processus.

Les chercheurs de la CSU ont cherché à découvrir pourquoi ce compromis entre les membranes hydrophobes et omniphobes existe. Grâce à des expériences systématiques en laboratoire menées par des chercheurs postdoctoraux Wei Wang dans le laboratoire de Kota et Xuewei Du, étudiant diplômé de Tong, ils ont découvert que les membranes hydrophobes conventionnelles créent une plus grande zone d'interface liquide-vapeur. Cela augmente la quantité d'évaporation qui se produit. Avec les membranes omniphobes, ils ont vu une interface liquide-vapeur beaucoup plus petite. Ceci explique la différence entre les performances des membranes.

Les membranes omniphobes utilisées dans les expériences ont été fabriquées sans déposer de particules supplémentaires. Ainsi, les chercheurs ont pu déterminer que leurs observations n'étaient pas le résultat de modifications structurelles des membranes.

Vue en coupe d'une membrane hydrophobe conventionnelle utilisée dans la distillation membranaire. Le bleu représente l'eau. Crédit : laboratoires Tong et Kota

Bien qu'ils n'aient pas proposé de solution au compromis, leurs idées révèlent le défi central qui consiste à faire de la distillation membranaire une technologie réussie. "Si vous comprenez parfaitement le problème, alors il y a de la place pour le résoudre", a déclaré Kota. "Nous avons identifié le mécanisme, maintenant nous devons résoudre le problème du compromis."

Par exemple, des membranes intelligentes avec une omniphobicité exceptionnelle et simultanément une grande surface d'interface liquide-vapeur peuvent faire de la distillation membranaire un processus robuste et rentable pour la purification de l'eau. Des recherches plus collaboratives ont été initiées par l'équipe pour concevoir de telles membranes intelligentes, dans le but d'augmenter l'efficacité de la distillation membranaire.

Tong a ajouté que la recherche s'est déroulée à l'interface de deux disciplines : la science des surfaces et la technologie des membranes.

"Arun et moi avons utilisé notre expertise complémentaire pour mener systématiquement ce travail", a déclaré Tong. "C'est un exemple de bonne collaboration interdisciplinaire sur le campus."

Les étudiants diplômés Hamed Vahabi en génie mécanique et Yiming Yin en génie civil et environnemental ont également contribué à ce travail.

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