La gauche représente une membrane omniphobe, et à droite représente une membrane hydrophobe conventionnelle avec des zones interfaciales eau-air accrues (lignes vertes). Crédit :Kota labo
La pénurie d'eau étant un défi critique à travers le monde, les scientifiques et les ingénieurs recherchent de nouvelles façons de récolter de l'eau purifiée à partir de sources non conventionnelles, comme l'eau de mer ou même les eaux usées.
L'un de ces chercheurs est Tiezheng Tong, professeur adjoint au Département de génie civil et environnemental, dont le laboratoire étudie une technologie émergente appelée distillation membranaire.
La distillation membranaire implique une membrane hydrofuge qui exploite les différences de pression de vapeur entre un liquide impur plus chaud, appelé "eau d'alimentation, " et de l'eau purifiée plus froide, appelé "imprégnation". Pendant le processus, la vapeur d'eau traverse la membrane et est séparée de l'eau d'alimentation salée ou sale. Selon Tong, la distillation membranaire fonctionne mieux que d'autres technologies comme l'osmose inverse, qui ne peut pas traiter les eaux extrêmement salées telles que les saumures de dessalement ou les eaux produites par fracturation hydraulique.
Alors qu'il tient ses promesses, la distillation membranaire ne fonctionne pas parfaitement. L'un des principaux défis consiste à concevoir des membranes pour purifier l'eau efficacement tout en garantissant une contamination nulle de l'eau propre.
Tong et le scientifique des matériaux Arun Kota du département de génie mécanique ont uni leurs forces pour découvrir la science fondamentale derrière la conception de cette membrane parfaite. Dans de nouvelles expériences, ils décrivent dans Communication Nature , les chercheurs du CSU offrent de nouvelles informations sur les raisons pour lesquelles certaines conceptions de membranes utilisées dans la distillation membranaire fonctionnent mieux que d'autres.
"Les connaissances fondamentales de notre article améliorent la compréhension mécanistique du transport de la vapeur d'eau dans les substrats microporeux et ont le potentiel de guider la conception future des membranes utilisées dans la distillation membranaire, " dit Tong.
En distillation membranaire, l'eau d'alimentation est chauffée, séparer les composants purs et impurs par des différences de volatilité. La membrane microporeuse est un élément clé de l'installation car elle laisse passer la vapeur d'eau, mais pas tout le liquide impur. Typiquement, la membrane est constituée d'un "hydrophobe, " ou hydrofuge, matériau afin de ne laisser passer que la vapeur d'eau tout en maintenant une barrière pour l'eau d'alimentation.
Vue en coupe d'une membrane hydrophobe conventionnelle utilisée dans la distillation membranaire. Le bleu représente l'eau. Crédit :Tong et Kota labos
Cependant, ces membranes hydrophobes peuvent tomber en panne, parce que l'eau d'alimentation, comme l'eau produite par le pétrole de schiste, peut avoir une faible tension superficielle. Cette faible tension superficielle permet à l'eau d'alimentation de fuir à travers les pores de la membrane, contaminer l'eau pure de l'autre côté - un phénomène appelé mouillage de la membrane.
Des recherches antérieures avaient révélé que l'utilisation de membranes « omniphobes », des membranes qui repoussent tous les liquides, y compris l'eau et les liquides à faible tension superficielle - gardez intacte la séparation vapeur/eau. Mais, les membranes omniphobes ralentissent généralement la vitesse et la quantité de vapeur d'eau traversant la membrane, réduisant considérablement l'efficacité de l'ensemble du processus.
Les chercheurs de la CSU ont tenté de découvrir pourquoi ce compromis entre membranes hydrophobes et membranes omniphobes existe. Grâce à des expériences systématiques en laboratoire menées par les chercheurs postdoctoraux Wei Wang dans le laboratoire de Kota, et l'étudiant diplômé de Tong, Xuewei Du, ils ont découvert que les membranes hydrophobes conventionnelles créent une zone interfaciale liquide-vapeur plus grande. Cela augmente la quantité d'évaporation qui se produit. Avec les membranes omniphobes, ils ont vu une interface liquide-vapeur beaucoup plus petite. Ceci explique la différence entre les performances des membranes.
Les membranes omniphobes utilisées dans les expériences ont été fabriquées sans dépôt de particules supplémentaires. Ainsi, les chercheurs ont pu déterminer que leurs observations n'étaient pas le résultat de modifications structurelles des membranes.
Bien qu'ils n'aient pas proposé de solution au compromis, leurs points de vue révèlent le défi principal qui consiste à faire de la distillation membranaire une technologie performante. "Si vous comprenez bien le problème, alors il y a place pour le résoudre, " dit Kota. " Nous avons identifié le mécanisme; maintenant, nous devons résoudre le problème du compromis."
Par exemple, Les membranes intelligentes avec une omniphobie exceptionnelle et simultanément une grande surface interfaciale liquide-vapeur peuvent faire de la distillation par membrane un processus robuste et rentable pour la purification de l'eau. Plus de recherche collaborative a été initiée par l'équipe pour concevoir de telles membranes intelligentes, dans le but d'augmenter l'efficacité de la distillation membranaire.
Tong a ajouté que la recherche s'est déroulée à l'interface de deux disciplines :la science des surfaces et la technologie des membranes.
« Arun et moi avons utilisé notre expertise complémentaire pour mener systématiquement ce travail, " a déclaré Tong. "C'est un exemple de bonne collaboration interdisciplinaire à travers le campus."
