Garder la propreté : des ingénieurs s'efforcent de faire en sorte que les membranes de dessalement restent calcaires

Par Anne Manning

Le laboratoire du professeur adjoint Tiezheng Tong s'efforce de résoudre les problèmes associés à l'entartrage des membranes lors des processus de dessalement. De gauche à droite : étudiant diplômé Yiming Yin ; pince; le chercheur de premier cycle Ronny Minjarez ; et l'étudiant diplômé Yiqun Yao, avec le système d'osmose inverse du laboratoire.

L'eau bouillante peut laisser des dépôts minéraux foncés sur la surface intérieure de votre bouilloire en aluminium autrefois brillante - rien qu'un peu de vinaigre et de bicarbonate de soude ne puisse éliminer.

Mais dans d'autres contextes, ces taches minérales disgracieuses ne sont pas seulement une nuisance - elles constituent un obstacle majeur à notre capacité à mettre des milliards de litres d'eau supplémentaires à la disposition de milliards de personnes.

Le dessalement de l'eau, une technologie qui extrait l'eau propre de sources salées et sales comme l'eau de mer, l'eau saumâtre intérieure ou les eaux usées, gagne en popularité dans le monde entier, avec plus de 18 000 usines en activité dans le monde. Il utilise un principe physique appelé osmose inverse, dans lequel l'eau sale est poussée à des pressions très élevées à travers une membrane avec des pores trop petits pour être vus - plusieurs fois plus petits que la largeur d'un cheveu. L'eau propre est séparée d'un sous-produit salé et le processus recommence.

Les mêmes dépôts minéraux qui se forment sur votre bouilloire se forment également en grande quantité sur ces membranes spécialisées, obstruant les pores des membranes et diminuant considérablement l'efficacité de l'ensemble du processus. Les membranes doivent être changées ou nettoyées fréquemment, ce qui augmente les coûts et entrave la capacité des technologies de dessalement à jouer un rôle de premier plan dans la lutte contre les problèmes de pénurie d'eau dans le monde.

L'entartrage des minéraux sur les surfaces des membranes dans les applications de dessalement est un problème hautement technique que Tiezheng Tong, professeur adjoint au Département de génie civil et environnemental de l'Université de l'État du Colorado, a passé ces dernières années à essayer de résoudre.

Lui et ses étudiants, travaillant dans un laboratoire à l'intérieur du Scott Bioengineering Building, effectuent des expériences et découvrent des informations fondamentales sur les raisons pour lesquelles une telle mise à l'échelle des minéraux se produit pendant le dessalement et sur les mécanismes qui entraînent la formation de tartre dans différents types de minéraux. Et en tant qu'ingénieurs concentrés sur les solutions, ils sont également occupés à développer de nouvelles façons de résoudre le problème, que ce soit en inventant différentes membranes ou en testant de nouvelles solutions additives qui rendraient les membranes plus résistantes à l'entartrage sans sacrifier la qualité de l'eau.

"Nous voulons que notre infrastructure hydraulique soit résistante au changement climatique", a déclaré Tong, qui a rejoint la faculté de la CSU en 2017 après un poste postdoctoral à l'Université de Yale sous la direction de Menachem Elimelech, un éminent chercheur dans le domaine de l'ingénierie environnementale. "Si nous manquons d'eau de surface, nous avons besoin d'une réserve pour fournir suffisamment d'eau à la société… si nous voulons y parvenir, nous sommes confrontés à de nombreux défis, y compris ce problème d'entartrage des minéraux. C'est en quelque sorte notre créneau, où nous travaillons sur ces processus de traitement de la saumure à salinité extrêmement élevée. C'est probablement l'une des parties les plus difficiles de l'extraction d'eau à partir de sources non conventionnelles. "

Tong fournit l'expertise de son laboratoire en matière de dessalement et de science des membranes à l'Alliance nationale pour l'innovation dans l'eau (NAWI), un effort de 110 millions de dollars dirigé par le ministère de l'Énergie réunissant des centaines de scientifiques pour résoudre divers problèmes associés aux technologies actuelles de dessalement. Leur objectif est de rendre les technologies de dessalement comparables ou même moins chères que l'extraction d'eau douce à partir de sources conventionnelles frappées par la sécheresse comme les lacs, les rivières et les aquifères.

Grâce au partenariat NAWI, dans lequel les chercheurs de la CSU ont joué un rôle de premier plan, le laboratoire de Tong a récemment été financé aux côtés des chercheurs de l'Université Vanderbilt pour soutenir le développement d'une méthode basée sur l'électrodialyse pour traiter les saumures de dessalement hypersaline.

Les défis de faire du dessalement un choix viable pour les municipalités et les pays sont à plusieurs niveaux : économiques, en termes de construction et de maintenance d'usines de dessalement par osmose inverse à grande échelle, et environnementaux, dans la mesure où les saumures à haute salinité laissées par les processus de traitement de l'eau introduisent une pollution importante et dommageable pour les écosystèmes aquatiques.

Tong pense que la résolution du problème très spécifique de l'entartrage des minéraux pourrait avoir un effet d'entraînement positif qui réduit le coût global du dessalement, permettant à davantage d'usines de se connecter, apportant une nouvelle énergie pour résoudre des problèmes connexes tels que les effets environnementaux des sous-produits dangereux de la saumure.

Le problème d'entartrage des minéraux est un problème d'ingénierie, mais il implique également de la chimie pure, avec la nécessité de comprendre exactement quelles molécules inorganiques se forment sur les surfaces et pourquoi. De cette façon, le sujet fait appel au laboratoire aux multiples facettes de Tong.

"Avec la mise à l'échelle de la membrane, il y a beaucoup de problèmes fondamentaux à comprendre", a déclaré Tong. "Il y a les réactions chimiques, la cinétique et la thermodynamique. Dans un cadre universitaire, nous essayons de repousser les limites de la science - ce qui fait partie de l'excitation de travailler dans ce contexte. Nous avons beaucoup de choses à résoudre avant de pouvoir chercher des réponses aux vrais problèmes auxquels sont confrontées les technologies de dessalement."

Tong dirige un laboratoire qui se concentre sur trois stratégies pour améliorer le dessalement de l'eau à base de membranes. Premièrement, les ingénieurs tentent de modifier les surfaces des membranes industrielles pour déclencher une chimie différente et les rendre plus résistantes à l'entartrage minéral.

Deuxièmement, ils envisagent d'utiliser des agents chimiques spéciaux appelés antitartres qui pourraient être ajoutés à l'eau non traitée en petites quantités et empêcheraient la formation de tartre.

Le troisième est l'innovation de procédé, ou l'idée de repenser ou d'améliorer des systèmes industriels entiers responsables d'un dessalement membranaire de pointe.

Depuis peu, le labo Tong s'intéresse de plus en plus à l'axe 2, soit l'idée de mettre au point des antitartres pour protéger les membranes qui produisent de l'eau propre. L'une de leurs découvertes les plus récentes, publiée dans la revue Environmental Science and Technology de premier plan, a décrit les différents comportements de deux principaux agents de tartre, le gypse et la silice, au niveau moléculaire. Le gypse est formé par un processus de cristallisation, tandis que la silice est formée par polymérisation. Ces mécanismes distincts nécessiteront deux types d'anti-tartre avec des groupes fonctionnels chimiques différents, qu'ils soient chargés négativement ou positivement.

Doctorat de quatrième année. L'étudiant Yiming Yin, qui a dirigé les études anti-tartre, a déclaré qu'élucider les différences entre la formation de ces minéraux sur les surfaces des membranes indique la complexité de parvenir à une solution pour le traitement de l'eau diversement salée ou saumâtre.

"Pour le moment, nous avons atteint une compréhension fondamentale du comportement du gypse et de la silice", a déclaré Yin. "Maintenant, nous voulons passer à autre chose et dire, quels types de stratégies pouvons-nous utiliser pour les atténuer?"

Les étudiants de Tong ont également capitalisé sur leurs nouvelles connaissances sur le comportement chimique du gypse en particulier. En utilisant le gypse comme agent de tartre représentatif, ils ont expérimenté la combinaison des techniques d'osmose inverse et de distillation membranaire, un autre type de technologie de dessalement qui applique de la chaleur pour obtenir une récupération d'eau pure même en présence de fortes concentrations de gypse.

Bien que l'osmose inverse soit une pratique standard de l'industrie et soit la technologie de dessalement la mieux établie, elle a des limites strictes en termes de salinité de l'eau qu'elle peut traiter. En d'autres termes, une eau un peu sale et saline ne pose aucun problème, mais une fois que ces concentrés salés et saumâtres atteignent 70 000 milligrammes par litre de sel, il devient trop difficile de pousser cette eau à travers les membranes et le système tombe en panne. C'est à ce moment-là que la distillation membranaire peut intervenir pour terminer le travail, et c'est pourquoi l'équipe de Tong pense qu'un train de traitement qui combine les deux technologies pourrait détenir la clé pour mettre plus d'usines en ligne et réduire les coûts. En appliquant des anti-tartre, l'équipe de Tong a récemment réalisé une récupération exceptionnelle de l'eau à partir d'eaux salines contenant du gypse, avec leurs découvertes publiées dans le Journal of Membrane Science.

Ronny Minjarez, un étudiant de troisième année travaillant dans le laboratoire et co-auteur des deux publications sur la question du détartrage, a déclaré qu'il était enthousiasmé par l'opportunité de travailler sur des technologies qui ont des implications aussi importantes pour l'avenir de la planète.

"Le dessalement va avoir beaucoup de pertinence pour l'avenir, avec des sources d'eau de plus en plus tendues", a déclaré Minjarez. "Ainsi, ces technologies deviendront encore plus importantes."

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