Scarabée du désert : une aide pour la planète qui s'assèche

Université Nicolas Copernic de Torun

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Crédit : NCU/Anna Jaszczuk

Le nombre de scientifiques dont les travaux s'inspirent du comportement naturel ne cesse de croître. La fleur de lotus, avec sa capacité à s'auto-nettoyer, est couramment décrite dans la littérature et peut être le meilleur exemple de cette tendance. Les chercheurs ont commencé à se demander pourquoi la fleur se comportait de cette manière et ils ont décidé d'étudier sa structure à l'aide de microscopes. Ils ont donc pu en conclure que la structure est hautement hydrophobe, c'est-à-dire qu'elle maintient les gouttes d'eau à la surface. L'eau recueille alors les particules de poussière et en s'écoulant, les élimine en s'écoulant. Cela signifie que les forces d'adhérence, celles responsables de l'accumulation d'eau sur la fleur, sont faibles, mais en même temps, la saleté se fixe facilement aux gouttelettes, ce qui entraîne un auto-nettoyage. Du fait de l'observation, des surfaces autonettoyantes telles que des surfaces peintes, des tuiles ou des textiles, ont été développées.

Les pétales de rose, cependant, présentent une structure différente. Une goutte d'eau, tombant sur un pétale dont la surface est hydrophobe, adhère et ne coule pas. L'effet pétale est lié au développement d'une surface hydrophobe caractérisée par une forte adhérence.

Les grenouilles capables de marcher sur les plafonds constituent un autre cas intéressant. Ici, la question se pose : pourquoi ne tombera-t-il pas du plafond dont la surface est rugueuse ? Les scientifiques ont décidé d'examiner la structure de l'orteil de grenouille et de la reproduire. Désormais, une solution similaire est appliquée sur les enveloppes autocollantes. La colle est protégée par une bande de papier qui se détache facilement. Pourtant, lorsque la colle entre en contact avec un autre type de papier et que l'enveloppe est fermée, elle ne sera pas ouverte sans découpe.

La nature a créé des systèmes encore plus complexes. Pour l'illustrer, la structure de l'armure du scarabée du désert révèle un double caractère car elle est à la fois hydrophile et hydrophobe, et donc, il y a des zones absorbant et repoussant l'eau de la surface. En raison de ce phénomène, les coléoptères survivent dans un environnement aussi hostile que le désert ; rien ne colle à leur carapace, le sable mouillé notamment, et l'eau est collectée sur les zones hydrophobes qui leur permettent de boire et d'exister.

- En regardant une chaîne, j'ai vu une émission dans laquelle un scarabée debout sur ses pattes et attrapant la rosée du matin était présenté. L'insecte puise son eau dans le brouillard, explique le Dr Hab. Joanna Kujawa Prof. NCU de la Faculté de Chimie. - Parce que les parties restantes de la surface de l'armure sont recouvertes de cire, l'eau coule et le scarabée est capable de la boire et de survivre dans un climat aussi rigoureux.

Les chercheurs ont commencé à se demander comment transférer la solution de la nature au laboratoire car un tel phénomène est utilisé dans le processus de distillation membranaire. - Dans ce cas, les enzymes sont absorbées dans la membrane par absorption, c'est-à-dire une certaine adhésion de surface, et non par liaison chimique - explique le Prof. Dr hab. Wojciech Kujawski de la Faculté de chimie, NCU. - S'il s'agit d'une absorption physique, la désorption peut facilement se produire, car les forces agissantes sont faibles.

Il s'agit de renforcer les membranes qui, grâce aux liaisons chimiques, sont plus durables. Les membranes se dégradent avec le temps, mais cela se produit plus lentement que dans le cas de celles développées en appliquant une autre couche. L'utilisation du chitosane s'est avérée être une bonne solution car le matériau est abondant et facilement disponible sur Terre. La chitine, qui peut être facilement transformée en chitosane, est naturellement présente dans les carapaces, par exemple les carapaces de crevettes. Il y a des tas de coquillages de fruits de mer et aucune idée de quoi en faire. Les scientifiques de Toru ? affirment que la structure de l'armure de coléoptère peut être imitée et que le chitosane stocké peut être réutilisé, ce qui est une attitude complexe vis-à-vis du sujet. Cela s'inscrit également dans la tendance zéro déchet.

Grâce au chitosane, l'eau s'écoulera encore plus facilement, fonctionnant ainsi comme de la cire sur l'armure du scarabée. Les chimistes ont décidé de fixer le chitosane dans la région hydrophile.

- Il est nécessaire dans la distillation membranaire que la surface de la membrane soit poreuse et hydrophobe - explique le professeur Kujawa. Vous pouvez trouver de nombreux exemples d'utilisation du chitosane dans les membranes, mais personne ne l'a jamais attaché par des liaisons chimiques. Cela nous a ouvert une nouvelle perspective. Si nous lions le chitosane, il restera en place ; par conséquent, la connexion sera stable.

Les scientifiques ont d'abord modifié le chitosane, puis l'ont fixé chimiquement à la membrane. Dans la recherche actuelle, ils ont d'abord modifié la membrane, puis attaché le chitosane. Par conséquent, la membrane est plus hydrophile et plus d'eau peut y passer.

- Il est difficile de comparer nos résultats à ceux d'autres auteurs car aucun article sur des sujets similaires n'a été publié - déclare le professeur Kujawa. - Les chercheurs qui ont appliqué physiquement du chitosane sur des membranes modifiées ont également observé une amélioration, mais pas dans une mesure aussi importante que dans nos études. Grâce à cela, nous pouvons ajuster le matériau à un processus choisi.

Une membrane développée lors d'une modification physique est à usage unique, car le chitosane est ensuite lavé (élué). - Dans un souci de connaissance, nous avons réalisé un test de stabilité des membranes chimiquement modifiées utilisées pour le dessalement de l'eau. Le test a été effectué en dix cycles, sur quelques jours chacun - révèle le professeur Kujawa. - Nous avons remarqué de légers changements, mais rien ne s'est effondré.

Les chimistes de Toru ? ont également testé les membranes pour leur résistance à l'encrassement. Les études ont été faites avec l'utilisation de jus de fruits. L'interaction de la pulpe de fruit avec la membrane a entraîné la collecte de restes à la surface, le colmatage des pores et, par conséquent, la membrane n'a pas pu être réutilisée. Cependant, sur la surface contenant du chitosane, qui présente en outre des propriétés bactéricides, des interactions complètement différentes se produisent. La pulpe de fruit ne colle pas, ou même si cela se produit, elle peut être facilement lavée sous le jet d'eau, sans produits chimiques. La solution peut trouver diverses applications pratiques.

Les chimistes de la NCU ont écrit quelques articles sur le sujet. Le premier concernait l'introduction de chitosane modifié dans une membrane et a été publié dans Desalination. Le suivant sur l'introduction de chitosane dans une membrane modifiée a été publié dans ACS Applied Materials and Interfaces.

La recherche est menée en coopération avec un partenaire étranger, le prof. Samer Al-Gharabli du Département de génie pharmaceutique et chimique, Université allemande de Jordanie, Amman (Jordanie). - Dans le cadre de cette coopération, nous menons des recherches conjointes axées sur la conception et la formation de ce que l'on appelle les "matériaux intelligents", qui sont des matériaux de séparation intelligents aux propriétés contrôlées pour un large éventail d'applications - explique le professeur Kujawa.

- Forts de leurs découvertes, les scientifiques veulent développer des membranes qui permettront à la fois de transporter l'eau et de retenir encore plus efficacement les sels ou autres impuretés. Il est évidemment lié aux pénuries d'eau sur notre planète - explique le professeur Kujawski. - En Pologne, nous serons confrontés au problème encore plus tôt que ne le pensent les plus grands pessimistes. Il y a quelques années, j'ai participé à un séminaire en Jordanie au cours duquel j'ai entendu une déclaration selon laquelle le manque d'eau ne devrait pas être perçu de notre état, mais d'une perspective de plus petite unité administrative. Si vous divisez un pays en carrés plus petits, il s'avère soudain que le pourcentage de la population touchée par les limitations d'eau augmente rapidement. En Pologne, il y a un accès à l'eau le long des rivières, mais quand j'ai visité Zakopane il y a 20 ans, j'ai entendu des gens dire "économisez l'eau, nos ruisseaux s'assèchent". Les puits sont souillés, il n'y a pas de sources d'eau douce, donc le problème de l'assèchement et de l'abaissement de la nappe phréatique s'aggrave.

Ainsi, les scientifiques recherchent différentes manières de produire de l'eau potable. A l'heure actuelle, les techniques membranaires dominent, notamment l'osmose inverse.

C'est le processus de pression inverse dans lequel des membranes non poreuses sont utilisées. - Nous appliquons une pression de 60 bars et poussons de l'eau à travers eux - explique le professeur Kujawski. Le processus est appelé osmose inverse car, dans un phénomène d'osmose typique, l'eau est aspirée d'une solution diluée à une solution concentrée. Ici, l'eau est poussée à partir d'une solution concentrée à travers une membrane.

Actuellement, selon la réglementation sur la protection de l'eau, les unités produisant de l'eau par osmose inverse sont tenues d'éliminer les résidus ou la solution saline concentrée. Autrefois, les installations étaient situées en bord de mer, et les résidus revenaient immédiatement à l'eau. De nos jours, d'autres solutions doivent être trouvées pour réutiliser le sérum physiologique. Il peut, par exemple, être encore plus concentré pour commencer à cristalliser. Le sel ainsi produit peut être utilisé dans divers procédés industriels, c'est-à-dire pour la production de chlore ou d'hydroxyde de sodium. Autour de Toru?, le chlore est produit à partir de solution saline dans deux grandes usines, à W?oc?awek et Inowroc?aw.

- Afin de traiter la solution saline, la distillation inverse peut également être utilisée, et c'est un exemple de notre traitement des coléoptères, explique le professeur Kujawski. Nous appliquons des membranes hydrophobes et poreuses, celles qui transportent les liquides de la phase d'alimentation à la phase de réception, et, puisque le sel en tant que tel n'est pas volatil, nous ne transportons que le composant qui peut être évaporé à travers les pores de la membrane.

Bien que l'osmose inverse soit la technique membranaire dominante parmi celles actuellement appliquées, elle n'est pas sans problème. Sous l'effet du processus, une pression osmotique qui peut être très élevée apparaît. Pour appliquer l'osmose inverse, les valeurs de pression doivent être supérieures à la pression osmotique. Cela signifie qu'au début une pression supérieure à celle osmotique doit être appliquée et c'est le prix du processus. Dans la distillation membranaire, cependant, l'effort énergétique est considérablement plus faible car l'ensemble du processus est basé sur des propriétés physicochimiques légèrement différentes. La distillation est particulièrement applicable dans les zones à climat chaud, dans des pays comme l'Italie, l'Espagne, la Grèce, où les panneaux solaires peuvent être efficacement utilisés. Lorsqu'un hôtel situé hors des sentiers battus doit être alimenté en eau, un panneau solaire peut être monté sur son toit. Le panneau chauffe l'eau pour la distillation membranaire. De ce fait, d'une part, le local est alimenté en eau chaude qui est distribuée, et d'autre part, de l'eau froide est condensée. Par conséquent, l'eau potable peut être produite à moindre coût, mais seulement en quantité limitée. En ce qui concerne l'osmose inverse, on parle de millions de litres par jour.

De plus, dans les pays où l'accès à des sources d'énergie bon marché est raisonnablement facile, ce que l'on appelle l'électrodialyse peut être utilisé. Ce processus implique l'emploi de types spéciaux de membranes qui permettent le transport des ions, mais pas de l'eau. Les cations se déplacent vers la cathode, les anions - vers l'anode et l'eau reste.

Il existe également ce qu'on appelle l'osmose naturelle, applicable à l'épuration des eaux usées et au recyclage de l'eau. L'eau imprègne la membrane de la solution diluée à la solution concentrée. Ensuite, l'eau doit être récupérée d'une manière ou d'une autre de la solution concentrée, qui est diluée au cours du processus. A cet effet, une méthode supplémentaire est utilisée.

En tant que procédé, la distillation membranaire est connue depuis 50 ans. Bien qu'elle ait attiré l'attention des scientifiques au début des années 1970, elle n'est commercialement appliquée que depuis moins de vingt ans, et uniquement dans de petites installations peu performantes de production d'eau potable dans des maisons individuelles ou des hôtels. En Europe, la distillation membranaire est la plus étudiée à Almeria (Espagne). - En Espagne, le processus est alimenté par l'énergie solaire - explique le professeur Kujawski. - Les Espagnols ont un immense miroir qui capte les rayons du soleil, et qui chauffe non seulement l'eau mais aussi les métaux. La chaleur est utilisée pour le chauffage et, en outre, l'efficacité de différentes configurations est examinée. J'ai eu l'occasion de visiter l'endroit il y a quelques années, et je dois admettre que c'est impressionnant.

Les chimistes peuvent nous rassurer, on boit déjà de l'eau de mer, pas forcément en Pologne, mais en Israël par exemple. Le procédé d'osmose inverse pour la production d'eau potable y a été mis en œuvre ; les hôtels des Maldives sont équipés de systèmes de distillation membranaire. - En Amérique, les tribus menant un mode de vie nomade existent toujours - dit le professeur Kujawski. - Des scientifiques d'une des universités ont équipé un autobus scolaire de panneaux solaires sur le toit et d'un système de distillation à membrane à l'intérieur. Ils voyagent et produisent de l'eau pour les nomades qui se déplacent dans les zones où l'eau disponible est contaminée par des éléments tels que l'arsenic.

Il faut souligner que l'eau obtenue par distillation membranaire est distillée et nécessite une minéralisation avant consommation. Comme le plaisantent les scientifiques, il est nu et doit être habillé.

Il est difficile d'estimer si la production d'eau potable à partir d'eau de mer est coûteuse. Tout dépend des quantités que nous voulons produire et de la technologie que nous choisissons. Les pays situés près du golfe Persique ont appliqué des méthodes thermiques qui ont d'abord été développées pour produire de l'eau potable à partir d'eau de mer, et dans lesquelles l'eau de mer est évaporée et condensée à plusieurs reprises. Le procédé est très énergivore, mais le potentiel de chauffage de ces pays est énorme. Plus tard, au début des années 1960, les premières membranes ont été développées, et peu après, elles ont été utilisées pour la filtration. - Vous devez vous rappeler que lorsque nous manquons de boisson, nous essaierons d'en avoir quel que soit le prix - résume le professeur Kujawski.

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Matériaux appliqués et interfaces ACS

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