Reportage SURF : Mary O'Sullivan '23 et Huma Jafree '22 recherchent de l'eau propre

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Dans la salle 217 du Copley Science Center, les conduits grimpent au mur comme du lierre et l'air bourdonne de courant électrique. À l'intérieur, deux étudiants se penchent en arrière d'une table de laboratoire débordant de tubes en PVC, de béchers en verre et de lampes chauffantes chauffées à blanc pour parler boutique. Le sujet de leur conversation est la distillation membranaire, une méthode de purification de l'eau que les deux étudiants ont étudiée cet été dans le cadre de leurs projets de bourse de recherche de premier cycle Schapiro (SURF).

"L'eau salée entre, l'eau douce sort", a déclaré Huma Jafree '22, décrivant le processus qui, selon eux, jouera un rôle dans la résolution potentielle de la pénurie mondiale d'eau douce.

Étudiant international avec majeure en physique et mineure en mathématiques, Jafree a travaillé sur le raffinement d'une méthode de distillation de l'eau appelée distillation par membrane à intervalle d'air. Dans son projet, intitulé "L'effet de la taille des pores et de la taille de l'espace dans la distillation par membrane à espace d'air", elle a chauffé de l'eau salée dans un récipient jusqu'à ce qu'elle se transforme en vapeur, après quoi elle est passée à travers une membrane polymère poreuse dans une deuxième chambre. Là, elle a condensé les particules de vapeur en gouttelettes d'eau douce en les refroidissant. La tâche qui l'attendait était d'ajuster la largeur des entrefers et la taille des pores pour déterminer la forme la plus efficace de distillation de l'eau.

C'est là que le projet SURF de Mary O'Sullivan '23 (ingénierie majeure, chimie et mathématiques double mineure), intitulé "Fabrication et caractérisation de membranes électrofilées par fusion pour une utilisation dans des systèmes de distillation à membrane", est entré en jeu. L'étudiant du programme spécialisé et natif de Colonial Beach a cherché le meilleur moyen de produire le même type de membrane utilisé dans les expériences de Jafree via un processus appelé électrofilage par fusion. Aidée par une aiguille chauffée et électrifiée, O'Sullivan a fait fondre un polymère - dans son cas, du polypropylène, trouvé dans des objets ménagers comme des pailles, des biberons et des pots de yaourt - qui a ensuite été assemblé en membranes fibreuses avec des tailles de pores à l'échelle des microns via un guidage informatique.

"Nous sommes tous les deux intéressés à savoir s'il existe une épaisseur de membrane ou une taille d'entrefer meilleure que ce qui est disponible dans le commerce", a déclaré Jafree à propos de leur travail, mené sous la tutelle du mentor de la faculté et professeur d'ingénierie Jim McLeskey. "Le marché est actuellement limité, donc si nous sommes capables de fabriquer les membranes à partir de zéro, les paramètres de notre recherche s'ouvriraient à bien des égards."

L'avenir du dessalement de l'eau ?

Traditionnellement, les scientifiques doivent chauffer l'eau à son point d'ébullition - 100 degrés Celsius - pour qu'elle s'évapore, la séparant ainsi du contenu de l'eau dont ils ne veulent pas, qu'il s'agisse de sel, d'ammonium ou d'eaux usées. "La bonne chose à propos de la distillation par membrane est que vous n'avez pas besoin d'amener l'eau à son point d'ébullition. Elle doit juste être chaude, même 50 degrés Celsius, ce qui signifie économiser de l'énergie et réduire les coûts", a expliqué O'Sullivan.

Jafree a développé l'avantage potentiel du processus pour les efforts de dessalement de l'eau en disant : « Cela pourrait être un système qui réchauffe l'eau de mer en utilisant la chaleur perdue ou l'énergie solaire et la refroidit en utilisant l'eau froide de l'océan. En substance, cela prendrait peu d'énergie à faible coût pour chauffer l'eau de l'océan à la bonne température pour produire de l'eau douce.

Alors, à quoi ressemblait une journée type au labo pour Jafree et O'Sullivan ? "Beaucoup de travail de préparation", a déclaré O'Sullivan. C'est parce qu'elle et les systèmes de Jafree ont mis plusieurs heures pour effectuer une seule "course", aboutissant respectivement à une nouvelle membrane ou à un cycle de distillation d'eau en compétition. Pendant que leurs systèmes fonctionnaient par magie, le duo se préparait pour les présentations d'affiches du Symposium SURF, nettoyait l'équipement et notait leurs résultats. Parfois, ces résultats ont fourni plus de questions que de réponses.

Le processus progresse

Jafree a identifié une faille dans sa procédure seulement trois semaines avant de présenter ses conclusions au Symposium SURF. À ce stade, elle avait effectué 60 cycles avec son système de distillation, chacun durant environ trois heures. Elle s'est rendu compte avec un sentiment de naufrage qu'elle aurait besoin d'effectuer à nouveau chaque course, ce qui dépasserait largement la portée de sa bourse de neuf semaines. Pourtant, elle était contente d'avoir corrigé le problème quand elle l'a fait, et que les exécutions suivantes aient produit des résultats dont elle était satisfaite.

O'Sullivan a également rencontré des revers alors qu'elle affinait le processus de développement pour produire des membranes comparables à celles disponibles à la vente. "Nous avons des jours où nous faisons une tonne de progrès et les choses cliquent", a déclaré O'Sullivan. "D'autres jours, c'est un pas en avant, deux pas en arrière."

C'est un schéma qui a conduit le duo à adopter un mantra commun au laboratoire : le progrès ! infléchi d'un point d'exclamation - et gardez même un petit morceau de bois à portée de main pour frapper lorsque la recherche avance bien. Les deux étudiants ont déclaré que le processus de recherche SURF avait aidé à remédier à toute "notion glorifiée de ce à quoi la recherche devrait ressembler au lieu de ce qu'elle est", a noté Jafree. Ils ont félicité le Dr McLeskey de leur avoir donné la liberté d'essayer de nouvelles choses et le soutien dont ils avaient besoin lorsque des obstacles surgissaient.

"C'est toujours une conversation avec le Dr McLeskey", a déclaré Jafree. "Il vous permet de vous approprier votre projet en donnant des conseils sans le rendre noir et blanc. Il vous encourage à essayer de nouvelles choses et à voir où cela vous mène."

"La recherche ne va pas être parfaitement fluide", a ajouté O'Sullivan. "Il y a une affiche quelques portes plus loin qui dit:" Si nous savions ce que nous faisions, cela ne s'appellerait pas de la recherche, n'est-ce pas? Ça résume parfaitement."