L'industrie du dessalement, une source critique d'eau potable dans de nombreuses régions arides, a généré plus de 13 milliards de dollars l'an dernier et devrait doubler d'ici une décennie. La plupart des usines de dessalement utilisent aujourd'hui un processus appelé osmose inverse (OI), qui force l'eau à travers d'énormes rouleaux de membranes, laissant le sel derrière. L'un des défis opérationnels les plus coûteux pour de telles usines est l'encrassement de ces membranes par des micro-organismes.

Maintenant, les recherches du MIT suggèrent une approche différente pour réduire le taux d'encrassement et ainsi améliorer l'efficacité des usines d'osmose inverse.

L'idée dominante dans l'industrie a été que la haute pression requise par RO est responsable du taux d'encrassement relativement élevé, par rapport à d'autres systèmes tels que l'osmose directe. Mais l'étude du MIT montre que ce n'est pas le cas, une découverte qui ouvre de nouvelles approches pour réduire l'encrassement dans l'osmose inverse. La recherche, par Emily Tow '12, SM '14, PhD '17 et professeur du MIT John H. Lienhard V, a été récemment publié dans le Journal de la science des membranes et présenté à la conférence sur la technologie des membranes AMTA/AWWA 2017, où il a reçu le Student Best Paper Award.

De nombreux experts pensent que la haute pression dans un système RO comprime les tapis microbiens qui se développent sur les membranes, et que ce "compactage" rend la croissance beaucoup plus difficile à éliminer. En revanche, dans les systèmes d'osmose directe à basse pression (FO), moins économes en énergie mais plus résistants à l'encrassement, le tapis prétendument plus lâche est pensé pour être plus facile à nettoyer.

Cependant, ces tapis microbiens sont généralement remplis d'eau, qui ne se comprime pas sous les pressions RO, donc "il n'y a aucune bonne raison pour laquelle une pression élevée devrait aggraver l'encrassement, » dit Tow. Elle compare les microbes à un plongeur :« Il y a beaucoup de pression au fond de l'océan, mais cela ne vous fait pas coller au fond marin." Mais si la pression n'a pas d'importance, et les débits à travers les systèmes FO et RO sont similaires, qu'est-ce qui pourrait expliquer la disparité de la résistance à l'encrassement ?

Remorquer, qui est maintenant chercheur postdoctoral ITRI-Rosenfeld au Lawrence Berkeley National Laboratory et sera professeur de génie mécanique à Olin College l'année prochaine, a conçu une nouvelle approche pour isoler les effets de la pression de ceux des autres différences entre FO et RO. Sa méthode consiste à faire fonctionner un système FO, qui utilise l'osmose pour tirer l'eau à travers les membranes, à une gamme de pressions jusqu'à 40 atmosphères.

« Nous avons mesuré les taux d'encrassement et les résultats de nettoyage, et même une vidéo enregistrée des membranes nettoyées à différentes pressions, et nous n'avons trouvé aucun effet de la pression, " dit-elle. De nombreux articles très cités ont affirmé que la pression était le problème, mais des expériences précédentes ont également fait varier la concentration de la solution à l'arrière de la membrane en faisant varier la pression. En augmentant la pression des deux côtés d'un système FO sans rien changer d'autre, l'étude du MIT a révélé que la pression à elle seule n'exacerbe pas l'encrassement ou n'entrave pas le nettoyage.

Maintenant qu'il est démontré que la haute pression, qui est essentielle au fonctionnement de l'osmose inverse, n'affecte pas l'encrassement, les chercheurs devraient rechercher d'autres raisons pour lesquelles des processus comme FO sont plus résistants à l'encrassement et voir s'ils peuvent être appliqués à l'osmose inverse, Remorque dit.

"Le constat que les membranes d'osmose directe sont plus faciles à nettoyer est assez robuste, " dit Lienhard, qui est le professeur Abdul Latif Jameel de l'eau et de l'alimentation et directeur du Center for Clean Water and Clean Energy et du Abdul Latif Jameel World Water and Food Security Lab. Mais la nouvelle étude montre que la résistance à l'encrassement de FO "n'est pas intrinsèque à sa basse pression. La différence doit être liée à d'autres facteurs qui pourraient potentiellement être transférables à RO. Il faut le comprendre, " il dit.

« L'espoir est qu'avec d'autres travaux, cela pourrait faciliter le nettoyage des membranes RO, " dit-il. Actuellement, l'atténuation de l'encrassement des membranes est une partie importante des dépenses d'exploitation non énergétiques d'une usine d'osmose inverse, qui représentent environ un quart du coût de l'eau dessalée. Toute amélioration de la résistance à l'encrassement pourrait avoir un impact significatif sur le coût de l'eau.

Il est possible que la différence dans la façon dont l'encrassement affecte les membranes RO et FO ait à voir avec la couche de support de la membrane, qui est le support sur le mince, couche filtrant le sel. Info, les interactions entre la couche de support et la solution concentrée qu'elle touche influencent le modèle d'écoulement de l'eau à travers la membrane, qui dicte la façon dont les salissures s'accumulent à la surface de la membrane, Remorque dit. Les futures membranes RO pourraient être conçues de manière à ce que l'encrassement se produise selon un schéma similaire à celui de FO, ou même un nouveau motif optimisé pour un nettoyage facile.

Améliorer la capacité de nettoyer les membranes usagées pourrait affecter non seulement le coût de l'eau mais aussi la fiabilité des usines de dessalement, Lienhard fait remarquer. "Les fermetures à cause d'une prolifération d'algues peuvent parfois interrompre l'approvisionnement en eau pendant des jours ou des semaines, " dit-il. Comprendre les bases de l'encrassement, y compris l'effet de la pression, permet le développement de méthodes d'atténuation de l'encrassement plus ciblées.

Cette recherche "démystifie la croyance largement répandue selon laquelle la pression provoque ou complique l'encrassement des systèmes d'osmose inverse, et la croyance correspondante que le manque de pression réduit l'encrassement dans les systèmes d'osmose directe, " dit Richard L. Stover, directeur de l'Association internationale du dessalement, qui n'a pas participé à ce travail. La nouvelle étude, il dit, "identifie les hypothèses qui ont biaisé ou limité l'interprétation des données de test dans les études [antérieures] et fournit de nouvelles données expérimentales qui prouvent clairement et définitivement sa thèse."

Les nouveaux mécanismes que les chercheurs proposent « expliquent qualitativement la résistance à l'encrassement observée dans les systèmes FO, fournir une orientation claire et un contexte exceptionnel pour les recherches futures, " Stover dit. " Dans l'ensemble, l'article représente une contribution significative à la compréhension plus large des mécanismes d'encrassement des membranes et de leur possible réduction. Tout simplement, c'est un beau travail."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.