Une membrane de dessalement agit comme un filtre pour l'eau salée :poussez l'eau à travers la membrane, obtenir de l'eau propre adaptée à l'agriculture, la production d'énergie et même la consommation. Le processus semble assez simple, mais il contient des subtilités complexes qui ont déconcerté les scientifiques pendant des décennies, jusqu'à maintenant.

Des chercheurs de Penn State, L'Université du Texas à Austin, Université d'État de l'Iowa, Dow Chemical Company et DuPont Water Solutions ont publié une découverte clé pour comprendre comment les membranes filtrent réellement les minéraux de l'eau, en ligne aujourd'hui (31 décembre) dans Science . L'article figurera sur la couverture de l'édition imprimée, à paraître demain (1er janvier).

"Malgré leur utilisation depuis de nombreuses années, il y a beaucoup de choses que nous ne savons pas sur le fonctionnement des membranes de filtration d'eau, " a déclaré Enrique Gomez, professeur de génie chimique et de science et ingénierie des matériaux à Penn State, qui a dirigé la recherche. "Nous avons découvert que la façon dont vous contrôlez la distribution de la densité de la membrane elle-même à l'échelle nanométrique est vraiment importante pour les performances de production d'eau."

Co-dirigé par Manish Kumar, professeur agrégé au Département de droit civil, Ingénierie architecturale et environnementale à UT Austin, l'équipe a utilisé la microscopie électronique multimodale, qui combine l'imagerie détaillée à l'échelle atomique avec des techniques qui révèlent la composition chimique, pour déterminer que les membranes de dessalement sont incohérentes en densité et en masse. Les chercheurs ont cartographié les variations de densité du film polymère en trois dimensions avec une résolution spatiale d'environ un nanomètre, soit moins de la moitié du diamètre d'un brin d'ADN. Selon Gomez, cette avancée technologique a été essentielle pour comprendre le rôle de la densité dans les membranes.

"Vous pouvez voir à quel point certains endroits sont plus ou moins denses dans un filtre à café juste à l'œil, " Gomez a dit. " Dans les membranes de filtration, ça a l'air égal, mais ce n'est pas à l'échelle nanométrique, et la façon dont vous contrôlez cette distribution de masse est vraiment importante pour les performances de filtration de l'eau."

C'était une surprise, Gomez et Kumar ont dit, comme on pensait auparavant que plus la membrane est épaisse, moins la production d'eau est importante. Filmtec, fait maintenant partie de DuPont Water Solutions, qui fabrique de nombreux produits de dessalement, s'est associé aux chercheurs et a financé le projet parce que leurs scientifiques internes ont découvert que des membranes plus épaisses s'avéraient en fait plus perméables.

Les chercheurs ont découvert que l'épaisseur n'a pas autant d'importance que d'éviter les régions nanométriques très denses, ou "zones mortes". Dans un sens, une densité plus constante dans toute la membrane est plus importante que l'épaisseur pour maximiser la production d'eau, selon Gomez.

Cette compréhension pourrait augmenter l'efficacité de la membrane de 30% à 40%, selon les chercheurs, résultant en plus d'eau filtrée avec moins d'énergie, une mise à jour potentielle des processus de dessalement actuels.

"Les membranes d'osmose inverse sont si largement utilisées pour le nettoyage de l'eau, mais il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas à leur sujet, " a déclaré Kumar. "Nous ne pouvons pas vraiment dire comment l'eau se déplace à travers eux, donc toutes les améliorations au cours des 40 dernières années ont été essentiellement faites dans le noir. »

Les membranes d'osmose inverse fonctionnent en appliquant une pression sur un côté. Les minéraux y restent, pendant que l'eau passe. Bien que plus efficaces que les procédés de dessalement sans membrane, cela demande encore une immense quantité d'énergie, les chercheurs ont dit, mais l'amélioration de l'efficacité des membranes pourrait réduire cette charge.

« La gestion de l'eau douce devient un enjeu crucial dans le monde entier, " Gomez a dit. " Les pénuries, sécheresses—avec des phénomènes météorologiques violents de plus en plus fréquents, on s'attend à ce que ce problème devienne encore plus important. Il est extrêmement important d'avoir de l'eau propre disponible, surtout dans les zones à faibles ressources."

L'équipe continue d'étudier la structure des membranes, ainsi que les réactions chimiques impliquées dans le processus de dessalement. Ils examinent également comment développer les meilleures membranes pour des matériaux spécifiques, telles que des membranes durables mais résistantes qui peuvent empêcher la formation de croissance bactérienne.

« Nous continuons à pousser nos techniques avec des matériaux plus performants dans le but d'élucider les facteurs cruciaux d'une filtration efficace, ", a déclaré Gomez.