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Jan 25, 2024

Un nouvel appareil purifie l'eau salée plus de 1000 fois plus rapidement que l'équipement industriel standard

Par Université de Tokyo10 juin 2022 Une nouvelle étude, publiée dans Science en mai

Par Université de Tokyo10 juin 2022

Une nouvelle étude, publiée dans Science le 12 mai 2022, a trouvé une nouvelle méthode pour purifier l'eau qui est 2400 fois plus rapide que même les dispositifs expérimentaux de dessalement à base de nanotubes de carbone.

La rareté de l'eau est un problème croissant dans le monde entier. Rien qu'en Afrique, on estime qu'environ 230 millions de personnes seront confrontées à des pénuries d'eau d'ici 2025, dont jusqu'à 460 millions vivant dans des régions en situation de stress hydrique.

L'eau couvre 70% de la Terre, il est donc facile de supposer qu'elle sera toujours abondante. Cependant l'eau douce est très rare. Les usines de dessalement sont une technologie conçue pour aider à produire plus d'eau douce. Le dessalement de l'eau est le processus d'élimination du sel de l'eau de mer pour produire de l'eau douce qui peut être traitée davantage et utilisée en toute sécurité. Une usine de dessalement transforme environ la moitié de l'eau qu'elle reçoit en eau potable.

Bien que le dessalement de l'eau de mer soit un moyen bien établi de produire de l'eau potable, il s'accompagne d'un coût énergétique élevé. Des chercheurs ont réussi pour la première fois à filtrer le sel de l'eau à l'aide de nanostructures à base de fluor. Ces nanocanaux fluorés sont plus efficaces que les technologies de dessalement conventionnelles car ils fonctionnent plus rapidement, utilisent moins de pression, constituent un filtre plus efficace et consomment moins d'énergie.

You’ve probably seen how effortlessly wet ingredients slide across a nonstick Teflon-coated frying pan if you’ve ever used one. Fluorine, a lightweight ingredient that is inherently water-repellent, or hydrophobic, is a crucial component of Teflon. Teflon can also be used to enhance the flow of water by lining pipes with it. Associate Professor Yoshimitsu Itoh of the University of Tokyo's Department of Chemistry and Biotechnology, as well as his colleagues, were intrigued by this behavior. Thus, they were inspired to investigate how fluorine pipelines or channels may work on a different scale, the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">à l'échelle nanométrique.

La réduction des coûts énergétiques et donc financiers, ainsi que l'amélioration de la simplicité du dessalement de l'eau, pourraient aider les communautés du monde entier ayant un accès limité à l'eau potable. Crédit : 2022 Itoh et al.

"Nous étions curieux de voir à quel point un nanocanal fluoré pourrait être efficace pour filtrer sélectivement différents composés, en particulier l'eau et le sel. Et, après avoir exécuté des simulations informatiques complexes, nous avons décidé que cela valait la peine de créer un échantillon de travail", a déclaré Itoh. « Il existe actuellement deux façons principales de dessaler l'eau : thermiquement, en utilisant la chaleur pour évaporer l'eau de mer afin qu'elle se condense en eau pure, ou par osmose inverse, qui utilise la pression pour forcer l'eau à travers une membrane qui bloque le sel. Les deux méthodes nécessitent beaucoup d'énergie, mais nos tests suggèrent que les nanocanaux fluorés nécessitent peu d'énergie et présentent également d'autres avantages.

Les chercheurs ont développé des membranes de filtration de test en fabriquant chimiquement des anneaux de fluor nanoscopiques qui ont été empilés et implantés dans une couche lipidique autrement impénétrable, similaire aux molécules organiques trouvées dans les parois cellulaires. Ils ont développé plusieurs échantillons de test avec des nanoanneaux dont la taille varie de 1 à 2 nanomètres. Un cheveu humain mesure près de 100 000 nanomètres de large à titre de comparaison. Itoh et ses collègues ont évalué la présence d'ions chlore, l'un des principaux composants du sel (l'autre étant le sodium), de chaque côté de la membrane de test pour déterminer l'efficacité de leurs membranes.

"C'était très excitant de voir les résultats de première main. Le plus petit de nos canaux de test rejetait parfaitement les molécules de sel entrantes, et les canaux plus grands constituaient également une amélioration par rapport aux autres techniques de dessalement et même aux filtres à nanotubes de carbone de pointe", a déclaré Itoh. "La vraie surprise pour moi a été la rapidité avec laquelle le processus s'est déroulé. Notre échantillon a fonctionné environ plusieurs milliers de fois plus vite que les appareils industriels typiques, et environ 2 400 fois plus vite que les appareils expérimentaux de dessalement à base de nanotubes de carbone."

Comme le fluor est électriquement négatif, il repousse les ions négatifs tels que le chlore présent dans le sel. Mais un avantage supplémentaire de cette négativité est qu'elle décompose également ce que l'on appelle les amas d'eau, essentiellement des groupes de molécules d'eau faiblement liés, de sorte qu'ils traversent les canaux plus rapidement. Les membranes de dessalement de l'eau à base de fluor de l'équipe sont plus efficaces, plus rapides, nécessitent moins d'énergie pour fonctionner et sont également conçues pour être très simples à utiliser, alors quel est le problème ?

« À l'heure actuelle, la façon dont nous synthétisons nos matériaux est elle-même relativement énergivore ; cependant, c'est quelque chose que nous espérons améliorer dans les recherches à venir. Et, compte tenu de la longévité des membranes et de leurs faibles coûts d'exploitation, les coûts énergétiques globaux seront bien inférieurs à ceux des méthodes actuelles », a déclaré Itoh. « D'autres mesures que nous souhaitons prendre sont bien sûr à grande échelle. Nos échantillons de test étaient des nanocanaux uniques, mais avec l'aide d'autres spécialistes, nous espérons créer une membrane d'environ 1 mètre de diamètre dans plusieurs années. Parallèlement à ces problèmes de fabrication, nous explorons également si des membranes similaires pourraient être utilisées pour réduire le dioxyde de carbone ou d'autres déchets indésirables rejetés par l'industrie.

Référence : "Perméation ultrarapide de l'eau à travers des nanocanaux avec une surface intérieure densément fluorée" par Yoshimitsu Itoh, Shuo Chen, Ryota Hirahara, Takeshi Konda, Tsubasa Aoki, Takumi Ueda, Ichio Shimada, James J. Cannon, Cheng Shao, Junichiro Shiomi, Kazuhito V. Tabata, Hiroyuki Noji, Kohei Sato et Takuzo Aida, 12 mai 2022, Science .DOI : 10 .1126/science.abd0966