Qinyi Fu, Francisco J. Medellin-Rodriguez, Nisha Verma, et Benjamin Ocko (de gauche à droite) se préparent à monter les échantillons de membranes qui imitent les membranes utilisées en osmose inverse pour les mesures dans la ligne de lumière de diffusion de matériaux complexes (CMS) à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Pour la première fois, une équipe de chercheurs de l'université de Stony Brook et du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) a révélé la structure moléculaire des membranes utilisées dans l'osmose inverse. La recherche est rapportée dans un article récemment publié dans Lettres de macro ACS , un journal de l'American Chemical Society (ACS).
L'osmose inverse est la principale méthode de conversion de l'eau saumâtre ou de l'eau de mer en eau potable ou potable, et il est utilisé pour faire environ 25, 000 millions de gallons d'eau douce par jour dans le monde selon l'International Water Association.
"La majeure partie de l'eau de la terre se trouve dans les océans et seulement trois pour cent est de l'eau douce, la purification de l'eau est donc un outil essentiel pour satisfaire la demande croissante en eau potable, " a déclaré Benjamin Ocko, scientifique senior de Brookhaven Lab. " L'osmose inverse n'est pas une nouvelle technologie; cependant, la structure moléculaire de nombreux films polymères très minces qui servent de couche barrière dans les membranes d'osmose inverse, malgré son importance, n'était pas connu auparavant."
La fine couche barrière de polymère utilisée dans la membrane d'osmose inverse est semi-perméable. De petites molécules telles que l'eau peuvent traverser d'un côté de la membrane à l'autre, mais d'autres molécules, tels que les ions sodium ou chlorure hydratés, ne peut pas traverser la couche barrière. Cette caractéristique est ce qui permet à ces membranes de filtrer le sel hors du sérum physiologique afin de faire de l'eau potable. Au cours d'un processus commercial d'osmose inverse, l'eau salée est pressurisée pour forcer l'eau douce à travers la membrane.
Puisque l'eau de mer doit être pressée à travers la membrane, la consommation énergétique des installations d'osmose inverse est élevée. Pour faire 100 gallons d'eau douce avec osmose inverse, le coût de l'énergie est d'environ un kilowattheure, l'équivalent de faire fonctionner une ampoule de 100 watts pendant 10 heures.
"Même de petites améliorations des performances des membranes de filtration se traduiraient par d'énormes économies d'énergie et de coûts à l'échelle mondiale, " a déclaré Benjamin S. Hsiao, professeur distingué à l'Université Stony Brook. "Par conséquent, nous regardons les membranes au niveau moléculaire. Nous voulons comprendre comment la structure moléculaire contribue à des membranes hautement efficaces et utiliser ces connaissances pour concevoir des membranes améliorées. »
Le croquis montre comment les rayons X frappent la membrane sous un léger angle et se dispersent sur la surface. Ils sont ensuite capturés par un détecteur qui enregistre le schéma dit de diffusion des rayons X qui est spécifique à la structure moléculaire de la membrane. Le panneau en haut à gauche montre deux structures moléculaires différentes, qui sont également appelés motifs d'emballage moléculaire. Les résultats des mesures suggèrent que le motif perpendiculaire (en bas à droite) pourrait être corrélé à des propriétés de filtration supérieures. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Pour ces mesures, l'équipe a fabriqué un film polymère mince bien défini à l'interface huile/eau en utilisant une méthode appelée polymérisation interfaciale, qui est similaire au processus industriel. Comme un époxy en deux parties, l'un des composants moléculaires est ajouté à l'eau et l'autre à l'huile. A l'interface, là où l'eau et l'huile se touchent, comme l'interface entre l'huile et le vinaigre dans la vinaigrette, les deux composants moléculaires réagissent l'un avec l'autre et créent le film polymère très fin.
"Le film mince résultant n'est que d'un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Il est également structurellement similaire à la fine couche barrière des membranes d'osmose inverse commerciales, mais c'est beaucoup plus fluide, " a déclaré Francisco Medellin-Rodriguez, professeur à l'Université autonome de San Luis Potosi au Mexique. "Pour étudier ces couches minces, nous avons besoin de rayons X ultra-lumineux, ainsi que des outils avancés d'analyse et de simulation."
En utilisant les rayons X ultra-brillants de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Brookhaven, les chercheurs commencent à démêler la relation entre la structure moléculaire des membranes et leur efficacité.
Selon Qinyi Fu, un étudiant diplômé de l'Université Stony Brook et l'auteur principal de l'étude, "Pour résoudre la structure moléculaire des membranes, l'équipe a étudié les schémas de diffusion des rayons X à l'aide d'une technique appelée diffusion des rayons X à grand angle à incidence rasante sur les lignes de faisceaux de diffusion de matériaux complexes (CMS) et d'interfaces de matière molle (SMI) de NSLS-II.
Dans cette technique, les rayons X frappent la membrane sous un léger angle et se dispersent sur la surface. Ils sont ensuite capturés par un détecteur qui enregistre le schéma dit de diffusion des rayons X qui est spécifique à la structure moléculaire de la membrane.
"Dans le modèle de diffusion, nous sommes capables d'identifier des motifs de tassement moléculaire :comment les molécules voisines dans le polymère sont disposées les unes par rapport aux autres. L'un est le motif parallèle et le second est le motif perpendiculaire, " dit Ocko. " Bien que les deux motifs d'emballage soient présents, le motif de tassement perpendiculaire est mieux corrélé avec des propriétés de filtration optimales."
Distingué professeur Benjamin S. Hsiao dans son laboratoire à l'Université Stony Brook. Crédit image :Université Stony Brook. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Hsiao a ajouté, "Nos résultats montrent également que la structure moléculaire est préférentiellement orientée par rapport à la surface de la membrane. Ceci est plutôt intrigant et peut être lié à la façon dont les voies de l'eau dans la membrane sont orientées."
Plus récemment, l'équipe a commencé à étudier les membranes d'osmose inverse qui sont fabriquées pour les systèmes commerciaux de purification d'eau. Les produits chimiques utilisés pour préparer ces membranes sont les mêmes que ceux qui ont été utilisés pour fabriquer des films membranaires aux interfaces huile/eau.
« Les procédés commerciaux sont protégés par des secrets commerciaux et les conditions précises de fabrication ne sont pas connues, " dit Ocko. " Malgré cela, nos résultats montrent que les membranes commerciales présentent des propriétés structurelles similaires à celles des membranes modèles préparées dans notre laboratoire à l'interface huile/eau, y compris les motifs parallèles et perpendiculaires et l'orientation moléculaire préférentielle."
En étudiant de nombreux matériaux membranaires et en comparant leurs propriétés structurelles déterminées par les rayons X avec leurs caractéristiques de filtration, les scientifiques s'attendent à développer une relation structure-fonction détaillée.
"Nous espérons que cela contribuera au développement de membranes plus écoénergétiques pour les futures générations de systèmes de filtration d'eau, " dit Hsiao.
