Un nouveau filtre produit par les scientifiques de l'Université Rice s'est avéré capable d'éliminer plus de 90 pour cent des hydrocarbures, les bactéries et les particules de l'eau contaminée produites par les opérations de fracturation hydraulique (fracking) dans les puits de pétrole et de gaz de schiste.

Les travaux du chimiste de Rice Andrew Barron et de ses collègues transforment une membrane en céramique avec des pores microscopiques en un filtre superhydrophile qui "élimine essentiellement" le problème courant de l'encrassement.

Les chercheurs ont déterminé qu'un passage à travers la membrane devrait nettoyer suffisamment l'eau contaminée pour être réutilisée dans un puits, réduisant considérablement la quantité qui doit être stockée ou transportée.

Le travail est rapporté dans Nature's open-access Rapports scientifiques .

Les filtres empêchent les hydrocarbures émulsifiés de traverser les pores chargés ioniquement du matériau, qui font environ un cinquième de micron de large, assez petit pour que d'autres contaminants ne puissent pas passer à travers. La charge attire une fine couche d'eau qui adhère à toute la surface du filtre pour repousser les globules d'huile et autres hydrocarbures et l'empêcher de se boucher.

Un puits fracturé hydrauliquement utilise en moyenne plus de 5 millions de gallons d'eau, dont seulement 10 à 15 pour cent sont récupérés pendant l'étape de reflux. « Cela rend très important de pouvoir réutiliser cette eau, " dit Barron.

Tous les types de filtres n'éliminent pas de manière fiable tous les types de contaminants, il a dit.

Les molécules d'hydrocarbures solubilisées glissent à travers des microfiltres conçus pour éliminer les bactéries. Matière organique naturelle, comme les sucres de la gomme de guar utilisés pour rendre les fluides de fracturation plus visqueux, nécessitent une ultra– ou nanofiltration, mais ceux-là s'encrassent facilement, notamment à partir d'hydrocarbures qui s'émulsionnent en globules. Un filtre à plusieurs étages qui pourrait éliminer tous les contaminants n'est pas pratique en raison du coût et de l'énergie qu'il consommerait.

« Les eaux de frac et les eaux de production représentent un enjeu important sur le plan technique, " dit Barron. " Si vous utilisez une membrane avec des pores suffisamment petits pour se séparer, ils encrassent, et cela rend la membrane inutile.

"Dans notre cas, le traitement superhydrophile entraîne une augmentation du flux (débit) d'eau à travers la membrane et empêche tout matériau hydrophobe - tel que l'huile - de passer à travers. La différence de solubilité des contaminants fonctionne donc pour permettre la séparation des molécules qui devraient en théorie traverser la membrane. »

Barron et ses collègues ont utilisé de l'acide cystéique pour modifier la surface d'une membrane céramique à base d'alumine, le rendant superhydrophile, ou extrêmement attiré par l'eau. La surface superhydrophile a un angle de contact de 5 degrés. (Un angle de contact de 0 degré serait une flaque d'eau.)

L'acide couvrait non seulement la surface mais aussi l'intérieur des pores, et cela empêchait les particules de s'y coller et d'encrasser le filtre.

Dans les tests avec reflux de fracturation ou eau produite contenant de la gomme de guar, la membrane d'alun a montré une lente diminution initiale du flux - une mesure du flux de masse à travers un matériau - mais elle s'est stabilisée pendant la durée des tests en laboratoire. Les membranes non traitées ont montré une diminution spectaculaire dans les 18 heures.

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que la diminution initiale du débit à travers la céramique était due à la purge de l'air des pores, après quoi les pores superhydrophiles emprisonnaient la fine couche d'eau qui empêchait l'encrassement.

"Cette membrane ne s'encrasse pas, donc ça dure, " a déclaré Barron. " Cela nécessite des pressions de fonctionnement inférieures, vous avez donc besoin d'une pompe plus petite qui consomme moins d'électricité. Et c'est mieux pour l'environnement."