De nouvelles recherches suggèrent qu'il existe une importante ressource inexploitée pour de nombreuses régions de plus en plus limitées en eau aux États-Unis et dans le monde :les eaux souterraines saumâtres, lequel, en théorie du moins, nécessiterait beaucoup moins d'énergie pour dessaler que l'eau de mer.

La quantité d'eau souterraine saumâtre aux États-Unis est environ 800 fois supérieure à la quantité totale d'eau souterraine prélevée à l'échelle nationale pour toutes les utilisations, selon une étude du US Geological Survey. Donc, utiliser ne serait-ce qu'une fraction de cette ressource pourrait considérablement améliorer les perspectives des communautés en manque d'eau, d'autant plus que l'eau potable se fait plus rare, comme le prédisent les modèles de changement climatique. Alors qu'environ un cinquième de l'approvisionnement en eau du pays provient des eaux souterraines douces, moins de 1 pour cent provient actuellement des eaux souterraines saumâtres.

Les résultats, basé sur l'analyse d'un ensemble de données massif d'échantillons d'eau de tout le pays, apparaît dans le journal Recherche sur l'eau , dans un article d'Yvana Ahdab SM '17, un étudiant diplômé du MIT, avec John Lienhard, le professeur Abdul Latif Jameel de l'eau et de l'alimentation, et trois autres.

"Jusque récemment, les eaux souterraines saumâtres ont été une ressource largement négligée, malgré son potentiel à soulager la pression croissante sur les approvisionnements en eau douce, " dit Ahdab.

Le projet a commencé lorsque Lienhard a rencontré un scientifique de l'USGS lors d'une conférence en 2015 et a découvert une collection de plus de 100, 000 échantillons d'eaux souterraines provenant de puits, qui venait d'être prise par cette agence. "J'étais fasciné, et je me suis demandé ce que nous savons sur la façon dont la composition des eaux souterraines affecte le processus de dessalement, " se souvient-il. Il a discuté de cette question avec Ahdab, qui a rapidement découvert que si la composition de l'eau de mer dans le monde avait été bien étudiée, aucune étude comparable sur les eaux souterraines n'avait été réalisée. (La composition des eaux souterraines varie beaucoup plus largement, à la fois la salinité et la concentration d'autres substances telles que le calcium et le sulfate.) L'ensemble de données de l'USGS vient d'être rendu public l'année dernière, mais l'équipe du MIT a obtenu un accès anticipé pour commencer à y travailler en collaboration avec les scientifiques de l'USGS.

Alors que l'eau de mer dans le monde a essentiellement la même composition avec seulement des variations mineures, Ahdab explique, « les eaux souterraines sont beaucoup moins salées, environ un dixième autant, et l'ensemble des ions [atomes ou molécules chargés] est complètement différent à chaque puits différent."

En raison de la plus faible concentration de sel dans l'eau saumâtre, certaines technologies comme la distillation, ce qui peut avoir du sens pour l'eau de mer à certains endroits, serait très peu économe en énergie pour le dessalement de l'eau saumâtre, dit Lienhard. "L'osmose inverse (OI) ou l'électrodialyse (ED) sont les deux technologies de choix, et ce sont les deux qui sont le plus couramment utilisés."

L'eau de mer étant la principale matière première des systèmes de dessalement existants, la technologie a été principalement développée et optimisée pour la composition de l'eau de mer. Puisque l'eau saumâtre est si différente, Lienhard dit, « La question qui nous intéresse est :quelle marge d'amélioration y a-t-il ? » La présente étude n'examine pas les technologies spécifiques qui pourraient être utilisées, qui fera l'objet de recherches ultérieures, mais il examine les limites théoriques de combien il serait possible de réduire l'énergie nécessaire pour dessaler l'eau saumâtre qui a une composition particulière.

"Nous avons constaté que les compositions se répartissent en cinq classes, " dit Ahdab. " Certains sont dominés par le chlorure de sodium, bicarbonate de sodium, ou sulfate de sodium, tandis que d'autres sont dominés par le bicarbonate de calcium ou le sulfate de calcium. Ils nécessitent des approches très différentes, en termes de type de prétraitement dont vous avez besoin. » La nouvelle analyse, qui identifie les compositions spécifiques de l'eau jusqu'au niveau des puits individuels, « contribuera à orienter le développement de nouveaux systèmes, " elle dit.

L'équipe a découvert que les eaux souterraines dominées par le sodium nécessitent beaucoup plus d'énergie pour se dessaler que celles dominées par le calcium, de même que celles dominées par le chlorure par rapport à celles dominées par le sulfate. Ces informations, couplé avec les cartes de composition des eaux saumâtres à travers le pays, peut aider à orienter les plans de développement de nouvelles ressources en eau, dit Ahdab.

En outre, l'équipe a corrélé l'emplacement des sources d'eau souterraine saumâtre potentiellement utilisables avec les régions qui subissent les plus grandes pressions sur leurs approvisionnements en eau. Les résultats indiquent des emplacements spécifiques qui présentent la combinaison la plus prometteuse d'un besoin élevé en eau et d'une grande disponibilité d'eau saumâtre traitable, y compris des parties du sud de la Californie, Arizona, et les régions du haut Midwest. "Il y a une énorme quantité d'eau souterraine saumâtre qui peut être dessalée pour des quantités d'énergie assez faibles, " dit Lienhard. Mais il reste encore du travail à faire pour traduire ce faible besoin en énergie en systèmes de dessalement pratiques qui ont en fait des coûts également bas, il dit.

Alors que l'ensemble de données le plus complet était basé sur des puits américains, l'équipe a également examiné d'autres, des séries d'échantillons moins complètes provenant d'un certain nombre d'autres pays, et a constaté que les tendances américaines en matière de composition et d'énergie de dessalement de l'eau saumâtre traitable sont susceptibles d'être reproduites dans la plupart des régions du monde.

Un gros avantage du dessalement des eaux souterraines saumâtres plutôt que de l'eau de mer, disent les chercheurs, est le taux de récupération :alors que le dessalement de l'eau de mer produit généralement la moitié de son volume en eau douce, le dessalement de l'eau saumâtre peut produire jusqu'à 90 pour cent d'eau douce. Cela rend également la dernière partie du processus beaucoup plus facile. Parce que la saumure laissée par le dessalement saumâtre est beaucoup plus concentrée, il y en a proportionnellement beaucoup moins, ce qui simplifie l'élimination. En réalité, Lienhard dit, il peut même être possible d'évacuer complètement l'eau, ne laissant que du sel solide qui serait encore plus facile à éliminer (ou à trouver des utilisations).

Prakash Rao, chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory, qui n'a pas participé à cette recherche, dit « les pénuries d'eau aux États-Unis sont imminentes, et la communauté scientifique est nécessaire pour relever ce défi. Une plus grande utilisation des approvisionnements en eau alternatifs, comme de l'eau saumâtre, répondre à la demande croissante en eau aux États-Unis est probable. Mais, Actuellement, l'eau saumâtre est rarement utilisée aux États-Unis. Cela crée un besoin urgent de mieux comprendre comment utiliser au mieux nos vastes ressources en eau saumâtre. Ce document apporte une contribution importante à cette fin. »

Rao ajoute que « En utilisant l'approche développée dans cet article, agences de l'eau, les régies municipales des eaux, et les concepteurs de systèmes de dessalement peuvent prendre des décisions plus éclairées."

Et Rick Stover, directeur de l'Association internationale du dessalement, qui n'a pas non plus participé à cette étude, dit « À mon avis, l'importance majeure de ce travail est l'étendue de sa portée géographique et de son analyse compositionnelle. Il représente une feuille de route pour le dessalement saumâtre, surtout aux États-Unis."

Stover conclut que "le dessalement saumâtre deviendra probablement une source majeure d'approvisionnement en eau pour les régions intérieures du monde. Les informations présentées dans ce document fournissent des informations essentielles pour guider ce développement. C'est à la fois important et opportun."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.