Filtrage et traitement de l'eau, à la fois pour la consommation humaine et pour nettoyer les eaux usées industrielles et municipales, représente environ 13% de toute l'électricité consommée aux États-Unis chaque année et libère environ 290 millions de tonnes de CO 2 dans l'atmosphère chaque année, ce qui équivaut à peu près au poids combiné de chaque être humain sur Terre.

L'une des méthodes les plus courantes de traitement de l'eau consiste à la faire passer à travers une membrane dont les pores sont dimensionnés pour filtrer les particules plus grosses que les molécules d'eau. Cependant, ces membranes sont sensibles à "l'encrassement, " ou colmatage par les matériaux mêmes qu'ils sont censés filtrer, nécessitant plus d'électricité pour forcer l'eau à travers une membrane partiellement obstruée et un remplacement fréquent de la membrane, ce qui augmente les coûts de traitement de l'eau.

De nouvelles recherches du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard et de collaborateurs de l'Université Northeastern et de l'Université de Waterloo démontrent que les membranes à ouverture liquide (LGM) de Wyss filtrent les particules de nanoargile de l'eau avec une efficacité deux fois plus élevée, temps de faute presque trois fois plus long, et une diminution de la pression nécessaire à la filtration sur membranes classiques, offrant une solution qui pourrait réduire le coût et la consommation d'électricité des processus industriels à fort impact tels que le forage pétrolier et gazier. L'étude est rapportée dans Matériaux APL .

"C'est la première étude à démontrer que les LGM peuvent atteindre une filtration soutenue dans des conditions similaires à celles trouvées dans l'industrie lourde, et il donne un aperçu de la façon dont les LGM résistent à différents types d'encrassement, ce qui pourrait conduire à leur utilisation dans une variété de paramètres de traitement de l'eau, " a déclaré le premier auteur Jack Alvarenga, chercheur au Wyss Institute.

Les LGM imitent l'utilisation par la nature de pores remplis de liquide pour contrôler le mouvement des liquides, gaz et particules à travers des filtres biologiques utilisant le moins d'énergie possible, tout comme les petites ouvertures des stomates dans les feuilles des plantes permettent aux gaz de passer à travers. Chaque LGM est enduit d'un liquide qui agit comme une porte réversible, remplir et sceller ses pores à l'état "fermé". Lorsqu'une pression est appliquée sur la membrane, le liquide à l'intérieur des pores est tiré sur les côtés, création ouverte, pores tapissés de liquide qui peuvent être réglés pour permettre le passage de liquides ou de gaz spécifiques, et résister à l'encrassement dû à la surface glissante de la couche liquide. L'utilisation de pores revêtus de fluide permet également la séparation d'un composé cible d'un mélange de différentes substances, ce qui est courant dans le traitement des liquides industriels.

L'équipe de recherche a décidé de tester leurs LGM sur une suspension d'argile bentonite dans l'eau, en tant que telles, les solutions « nanoargiles » imitent les eaux usées produites par les activités de forage dans l'industrie pétrolière et gazière. Ils ont infusé des disques de 25 mm d'une membrane filtrante standard avec du perfluoropolyéther, un type de lubrifiant liquide utilisé dans l'industrie aérospatiale depuis plus de 30 ans, pour les convertir en LGM. Ils ont ensuite mis les membranes sous pression pour aspirer de l'eau à travers les pores mais laisser les particules de nanoargile derrière, et comparé les performances des membranes non traitées aux LGM.

Les membranes non traitées présentaient des signes d'encrassement des nanoargiles beaucoup plus rapidement que les LGM, et les LGM ont pu filtrer l'eau trois fois plus longtemps que les membranes standard avant de nécessiter une procédure de « lavage à contre-courant » pour éliminer les particules qui s'étaient accumulées sur la membrane. Un lavage à contre-courant moins fréquent pourrait se traduire par une réduction de l'utilisation de produits chimiques de nettoyage et de l'énergie nécessaire pour pomper l'eau de lavage à contre-courant, et améliorer le taux de filtration dans les installations de traitement des eaux industrielles.

Alors que les LGM ont finalement subi un encrassement, ils ont affiché une réduction de 60% de la quantité de nanoargile qui s'est accumulée au sein de leur structure lors de la filtration, ce que l'on appelle "l'encrassement irréversible" car il n'est pas éliminé par rétrolavage. Cet avantage donne aux LGM une durée de vie plus longue et rend une plus grande partie du filtrat récupérable pour d'autres utilisations. En outre, les LGM ont nécessité 16 % de pression en moins pour lancer le processus de filtration, reflétant de nouvelles économies d'énergie.

« Les LGM ont le potentiel d'être utilisés dans des industries aussi diverses que la transformation des aliments et des boissons, fabrication biopharmaceutique, textile, papier, pulpe, chimique, et pétrochimique, et pourrait offrir des améliorations en matière d'utilisation et d'efficacité énergétique dans un large éventail d'applications industrielles, " a déclaré l'auteur correspondant Joanna Aizenberg, Doctorat., qui est membre fondateur du corps professoral du Wyss Institute et professeur Amy Smith Berylson de sciences des matériaux à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard.

Les prochaines étapes de la recherche de l'équipe comprennent des études pilotes à plus grande échelle avec des partenaires de l'industrie, exploitation à plus long terme des LGM, et filtrer des mélanges de substances encore plus complexes. Ces études donneront un aperçu de la viabilité commerciale des LGM pour différentes applications, et combien de temps ils dureraient dans un certain nombre de cas d'utilisation.

"Le concept d'utiliser un liquide pour aider à filtrer d'autres liquides, bien que peut-être pas évident pour nous, est répandu dans la nature. C'est merveilleux de voir comment tirer parti de l'innovation de la nature de cette manière peut potentiellement conduire à d'énormes économies d'énergie, " a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, ainsi que professeur de bio-ingénierie à SEAS.