Le groupe de recherche du professeur Matsuyama Hideto au Centre de recherche de l'Université de Kobe pour la technologie des membranes et des films a développé avec succès une nouvelle membrane de dessalement. Ils y sont parvenus en laminant un matériau carboné bidimensionnel sur la surface d'une membrane polymère poreuse.

Les membranes de dessalement sont utilisées pour produire de l'eau douce à partir d'eau de mer. Afin de résoudre le problème mondial de l'insuffisance des ressources en eau douce, les chercheurs s'efforcent de développer des membranes de dessalement qui non seulement sont imprégnées d'eau plus rapidement que celles actuellement utilisées, mais qui éliminent également efficacement le sel, pour que plus efficace, des systèmes de dessalement à basse énergie peuvent être mis en place.

Dans cette étude de recherche, nanofeuillets d'oxyde de graphène, qui sont un type de nanomatériau bidimensionnel, ont été empilés à la surface d'une membrane poreuse après avoir subi un traitement de réduction chimique, permettant de développer une couche membranaire de dessalement d'environ 50 nanomètres (nm). La membrane développée a le potentiel d'effectuer un dessalement très efficace car il est possible de contrôler les écarts entre ses nanofeuillets et la charge sur les surfaces des nanofeuillets. On espère que cette recherche contribuera à l'application et à la mise en œuvre de membranes de dessalement futuristes.

Ces résultats de recherche ont été publiés dans Journal de la chimie des matériaux A le 18 novembre, 2020.

Points principaux

• Les chercheurs ont développé avec succès une nouvelle membrane de dessalement à l'aide de nanofeuillets bidimensionnels.
• Le traitement de réduction chimique des nanofeuillets d'oxyde de graphène a renforcé l'empilement π-π entre les nanofeuillets.
• L'empilement π-π a amélioré la stabilité de la membrane laminée en nanofeuillet et a permis de manipuler l'espace intercouche entre chaque nanofeuillet.
• Des molécules planaires à base de porphyrine avec des groupes chargés et un système conjugué ont été introduits entre les nanofeuillets. Cela a entraîné une répulsion électrostatique entre l'oxyde de graphène et la charge négative du composé planaire, permettant aux chercheurs de contrôler le mouvement des anions au sein des nanocanaux.
• La membrane stratifiée en nanofeuilles développée grâce à cette recherche a été capable de rejeter la perméation du chlorure de sodium (NaCl) de 95 %. À l'avenir, ces résultats de recherche peuvent contribuer à la création de nouvelles, technologies membranaires hautes performances pour le dessalement.

Fond de recherche

97,5% de l'eau sur Terre est de l'eau de mer et seulement 2,5% est de l'eau douce. Dans ce pourcentage, à peine 0,01 % des ressources en eau douce peuvent être facilement traitées afin d'être utilisées par l'humanité. Cependant, la population humaine continue d'augmenter chaque année. Par conséquent, il a été prédit que dans plusieurs années, les deux tiers de la population mondiale auront un accès insuffisant à l'eau douce. Une pénurie d'eau dans le monde est l'un des problèmes les plus graves auxquels l'humanité est confrontée. Par conséquent, les technologies capables d'obtenir les ressources nécessaires en convertissant l'abondante eau de mer de la Terre en eau douce sont primordiales.

Des méthodes d'évaporation ont été utilisées pour convertir l'eau de mer en eau douce, cependant, ils nécessitent de grandes quantités d'énergie pour évaporer l'eau de mer et éliminer le sel (dessalement). D'autre part, les méthodes de séparation membranaire offrent une alternative à faible consommation d'énergie; ils permettent de produire de l'eau douce en filtrant l'eau de mer et en éliminant le sel. Des procédés de production d'eau douce à partir d'eau de mer à l'aide de membranes ont été mis en œuvre, cependant, avec les membranes de dessalement développées jusqu'à présent, il y a toujours un compromis entre la vitesse de perméation et la capacité de dessalement. Par conséquent, il est vital de développer une membrane de dessalement révolutionnaire à partir de nouveaux matériaux afin de résoudre ce compromis et de permettre le dessalement de l'eau de mer à un taux d'efficacité plus élevé.

Méthodologie de recherche

Cette équipe de recherche a développé une membrane de dessalement hautement fonctionnelle en laminant la membrane avec un matériau carboné bidimensionnel de l'épaisseur approximative d'un atome de carbone. Ces matériaux carbonés 2-D étaient des nanofeuillets d'oxyde de graphène qui ont été chimiquement réduits pour leur donner une interaction π-π renforcée.

En appliquant des revêtements de nanofeuilles avec intercalation de molécules planes à base de porphyrine (avec des groupes chargés et un système π conjugué) à la surface d'une membrane poreuse, le groupe de recherche a pu construire une couche de membrane de dessalement ultrafine d'environ 50 nm d'épaisseur.

Cette couche a démontré une fonctionnalité élevée de blocage des ions car la taille des nanocanaux (les espaces entre chaque nanofeuille) pouvait être contrôlée à moins de 1 nm. Par ailleurs, les espaces entre les nanocanaux dans la membrane stratifiée de nanofeuilles ont démontré une stabilité continue à l'eau en raison du fort empilement π-π entre les feuilles, suggérant la possibilité qu'il puisse être utilisé pendant une longue période de temps. En outre, il n'y a pas eu de perte de fonctionnalité de dessalement même sous une pression de 20 bars.

Les chercheurs ont révélé que le transfert d'ions à l'intérieur de la membrane stratifiée de nanofeuille développée était efficacement supprimé par la répulsion électrostatique sur la surface de la nanofeuille. Cette répulsion électrostatique était très efficace lorsque la largeur des nanocanaux était contrôlée de manière appropriée. Pour le matériau de nanofeuille utilisé dans cette étude, la largeur des nanocanaux pourrait être confinée en contrôlant le processus de réduction chimique et le rapport d'intercalation des molécules planes à base de porphyrine.

Le NaCl est le principal composant des ions de l'eau de mer et il est particulièrement difficile de l'empêcher de traverser la membrane. Cependant, une membrane stratifiée de nanofeuilles produite dans des conditions optimales a pu bloquer environ 95 % de NaCl.

Développements ultérieurs

La membrane laminée de nanofeuillet 2-D développée grâce à cette recherche a été produite en régulant la réduction de la feuille de graphène oxydé et le rapport d'intercalation des molécules planes, ce qui à son tour a permis de contrôler à la fois l'espace intercalaire entre les nanofeuillets et l'effet de répulsion électrostatique. En plus des membranes de dessalement, cette technique peut également être appliquée au développement de diverses membranes de séparation d'électrolytes.

Les technologies de dessalement à basse énergie utilisant des membranes de séparation sont indispensables pour réduire les pénuries d'eau. On espère que la technologie contribuera à résoudre le problème de l'assèchement des ressources en eau dans le monde. Prochain, l'équipe de recherche tentera d'améliorer encore la haute fonctionnalité de la membrane développée, afin qu'il puisse être mis en œuvre.