Une illustration schématique - à la fois de dessus et de côté - du processus d'électrospray d'impression 3D utilisé pour créer des membranes composites à couche mince extrêmement lisses qui a été développée au McCutcheon Lab de l'Université du Connecticut. Les aiguilles chargées d'une solution de deux monomères - m-phénylène diamine (MPD) et chlorure de trimésoyle (TMC) - utilisent l'électropulvérisation pour appliquer une fine couche de matériau sur un substrat fixé à un tambour rotatif. Les monomères réagissent au contact pour former un film de polyamide extrêmement lisse et mince. La rugosité et l'épaisseur peuvent être ajustées en augmentant ou en diminuant la concentration de monomère dans la solution et en appliquant des couches supplémentaires de monomères sur le tambour rotatif. Crédit :Maqsud R. Chowdhury/McCutcheon Lab.
Actuellement, plus de 300 millions de personnes dans le monde dépendent de l'eau dessalée pour tout ou partie de leurs besoins quotidiens. Cette demande ne fera qu'augmenter avec une population plus importante et une amélioration du niveau de vie dans le monde.
Accéder aux océans pour l'eau potable, cependant, nécessite des technologies de dessalement compliquées et coûteuses. La technologie la plus couramment utilisée pour le dessalement est l'osmose inverse (OI), un processus dans lequel l'eau de mer est forcée à travers une membrane capable d'éliminer les sels et autres contaminants de petites molécules. Alors que l'utilisation de RO continue d'augmenter dans le monde, beaucoup de ses inconvénients, qui incluent une forte consommation d'énergie et une propension à l'encrassement des membranes, continuer à affliger l'industrie.
Dans le numéro actuel de Science , des chercheurs de l'Université du Connecticut proposent une nouvelle approche de la production de membranes qui nous fait repenser la conception et l'utilisation des membranes RO pour le dessalement.
En utilisant une approche de fabrication additive par électropulvérisation, Les scientifiques d'UConn ont pu créer des ultra-minces, des membranes en polyamide ultra-lisses qui sont moins sujettes à l'encrassement et peuvent nécessiter moins de puissance pour faire passer l'eau à travers elles.
"Les membranes d'osmose inverse d'aujourd'hui ne sont pas fabriquées de manière à permettre de contrôler leurs propriétés, " dit Jeffrey McCutcheon, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire et auteur correspondant de l'article. "Notre approche utilise une technique 'additive' qui permet de contrôler les propriétés fondamentales d'une membrane telles que l'épaisseur et la rugosité, ce qui est actuellement impossible avec les méthodes conventionnelles.
Images microscopiques montrant la différence de morphologie de surface entre des films de polyamide minces créés par électrospray à UConn et un contrôle. (De gauche à droite) La première image montre la surface d'un substrat de polysulfone commercial à 100, Grossissement 000x. Les deuxième et troisième images montrent des films exceptionnellement minces créés à UConn en utilisant différentes concentrations de monomères sur le substrat de polysulfone. La quatrième et dernière image montre la morphologie de surface d'un film mince commercial largement utilisé. Des membranes plus lisses avec moins de crêtes et de vallées sont préférées pour le dessalement par osmose inverse car elles sont moins sujettes à l'encrassement. Crédit :Maqsud R. Chowdhury/McCutcheon Lab.
Les approches conventionnelles pour fabriquer des membranes RO n'ont pas changé depuis près de 40 ans. L'approche traditionnelle de fabrication de ces membranes est connue sous le nom de polymérisation interfaciale. Ce procédé repose sur une réaction auto-terminée entre une amine en phase aqueuse et un monomère chlorure d'acide en phase organique. Les films de polyamide résultants - excessivement minces, très sélectifs, et perméable à l'eau - est devenu la membrane de référence pour l'osmose inverse. Cependant, au fur et à mesure que le terrain avance, la nécessité de mieux contrôler cette réaction pour permettre à des membranes d'épaisseur et de rugosité variables d'optimiser l'écoulement de l'eau et de réduire l'encrassement est devenue plus pressante.
La méthode d'UConn offre un niveau supérieur de contrôle sur l'épaisseur et la rugosité de la membrane en polyamide. Les membranes en polyamide typiques ont une épaisseur comprise entre 100 et 200 nanomètres (nm) qui ne peut pas être contrôlée. La méthode d'électrospray d'UConn permet la création contrôlée de membranes aussi fines que 15 nm et la capacité de contrôler l'épaisseur de la membrane par incréments de 4 nm, un niveau de spécificité jamais vu auparavant dans ce domaine. De même, les membranes RO typiques ont une rugosité de plus de 80 nm. Les chercheurs de l'UConn ont pu créer des membranes avec une rugosité aussi faible que 2 nm. Malgré ces propriétés uniques, la membrane a continué à présenter un rejet élevé de sel et était robuste lorsqu'elle était utilisée sous des pressions typiques de l'osmose inverse.
"Notre approche d'impression pour fabriquer des membranes en polyamide a l'avantage supplémentaire d'être évolutive, " dit McCutcheon. " Tout comme l'électrofilage a connu des améliorations spectaculaires dans le traitement rouleau à rouleau, l'électropulvérisation peut être mise à l'échelle avec une relative facilité."
Les auteurs de l'étude concluent également que ce type de fabrication pourrait économiser sur la consommation de produits chimiques car les bains chimiques traditionnels ne sont pas nécessaires dans le cadre du processus de fabrication des membranes.
(Haut) Un film de polyamide extrêmement mince mesurant environ 1,1 micromètre d'épaisseur qui a été séparé avec succès de son substrat sous-jacent, un avantage unique à un nouveau procédé de fabrication UConn et qui facilite la caractérisation des propriétés du film. (En bas) Un plus près, vue en coupe microscopique de la surface du film. La distance entre les flèches rouges met en évidence l'épaisseur apparente du film. Crédit :Maqsud R. Chowdhury/McCutcheon Lab.
"Dans le laboratoire, nous utilisons 95% moins de volume chimique de fabrication de membranes par impression par rapport à la polymérisation interfaciale conventionnelle, " dit McCutcheon, le professeur Al Geib de la UConn School of Engineering de la recherche et de l'éducation en génie de l'environnement. "Ces avantages seraient amplifiés dans la fabrication de membranes à grande échelle et rendraient le processus plus "vert" qu'il ne l'a été au cours des 40 dernières années"
Cette nouvelle approche innovante ne se limite pas au dessalement et pourrait conduire à de meilleures membranes pour d'autres procédés de séparation.
"Cette méthode ne se limite pas à la fabrication de membranes pour RO." dit McCutcheon, qui, en plus de ses fonctions académiques, est également directeur exécutif du Fraunhofer USA Center for Energy Innovation à UConn, qui se concentre sur le développement de nouvelles technologies membranaires appliquées. "En réalité, nous espérons que cette méthode permettra d'envisager de nouveaux matériaux pour une myriade de procédés de séparation membranaire, peut-être dans des processus où ces matériaux n'étaient pas, ou ne pouvait pas, être utilisé avant."
