Bassins d'évaporation, qui sont couramment utilisés dans de nombreuses industries pour gérer les eaux usées, peut s'étendre sur des hectares, occupant une grande empreinte et posant souvent des risques pour les oiseaux et autres animaux sauvages. Pourtant, ils constituent un moyen économique de traiter l'eau contaminée car ils profitent de l'évaporation naturelle sous la lumière du soleil pour réduire de grands volumes d'eau sale en des volumes beaucoup plus petits de déchets solides.

Aujourd'hui, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont démontré un moyen de doubler le taux d'évaporation en utilisant l'énergie solaire et en tirant parti des propriétés inhérentes de l'eau. L'étude, dirigé par les scientifiques du Berkeley Lab Akanksha Menon et Ravi Prasher, est rapporté aujourd'hui dans le journal Durabilité de la nature .

Les bassins d'évaporation sont utilisés dans les centrales électriques, usines de dessalement, dans l'industrie pétrolière et gazière, et aussi pour l'extraction du lithium, dans lequel la saumure riche en lithium est pompée dans de vastes, étangs salés artificiels. Ils sont communs en Chine, Australie, L'Europe , Moyen-orient, et les régions des États-Unis où le climat est convenable (aride ou semi-aride avec beaucoup de soleil), et ces étangs peuvent avoir la taille de centaines de terrains de football, avec beaucoup d'entre eux assis côte à côte.

« C'est un gros problème de société que nous essayons de résoudre. Soit éliminer les eaux usées, soit extraire un sel précieux comme le lithium, vous souhaitez augmenter le taux d'évaporation de manière spectaculaire et évolutive, " dit Prasher, un expert en énergie thermique qui est également directeur associé du Berkeley Lab pour le domaine des technologies énergétiques. « Si nous pouvions le faire, qui pourraient réduire leur impact environnemental en réduisant la quantité de terres nécessaires.

Pour maximiser la récupération de l'eau des eaux usées industrielles et de la saumure de dessalement, il y a eu une poussée pour atteindre "zéro rejet liquide" afin que le déchet final soit un solide. Le processus implique une série d'étapes de traitement, et la dernière étape est souvent un bassin d'évaporation. Menon, un stagiaire postdoctoral Berkeley Lab, note que de nombreuses idées ont été proposées pour utiliser l'énergie solaire pour accélérer le taux d'évaporation.

« Il y a eu plusieurs articles publiés au cours des cinq dernières années, " dit-elle. " La plupart impliquent des structures absorbant la lumière du soleil qui flottent à la surface de l'eau, comme une éponge noire, pour localiser la chaleur, puisque l'évaporation est un phénomène de surface."

Malheureusement, ces structures poreuses ont tendance à se boucher avec les contaminants mêmes qu'elles essaient de séparer. "Alors avec le temps, les performances des absorbeurs flottants chutent considérablement, " a déclaré Menon. "Parfois, les sels restent collés à la surface et réfléchissent la lumière du soleil au lieu de l'absorber."

Transformer la longueur d'onde de la lumière du soleil

Les chercheurs du Berkeley Lab ont cherché une solution qui pourrait éviter de tels problèmes. "Nous avons réalisé que si vous regardez les propriétés de l'eau, il a une très forte absorption dans la gamme de longueurs d'onde de l'infrarouge moyen, " dit Menon. " Si vous éclairez l'eau avec une lumière infrarouge, il l'absorbera si fortement qu'il retient toute cette chaleur dans une couche très fine.

L'équipe a décidé de construire un appareil qu'ils comparent à un "transformateur de rayonnement, " qui prend l'énergie de la lumière du soleil dans la gamme de 400 à 1, 500 nanomètres et le convertit en 3, 000 nanomètres ou plus, qui se situe dans la gamme des infrarouges moyens.

Les scientifiques du Berkeley Lab ont démontré le concept en laboratoire en utilisant une solution saturée de sel de table. Dans leur expérience, leur dispositif prototype a amélioré le taux d'évaporation de plus de 100 % par rapport à l'évaporation naturelle. Ils ajoutent qu'il est possible d'augmenter l'évaporation de 160 % en optimisant la conception thermique.

Leur appareil photo-thermique - une feuille plate qui absorbe sélectivement l'énergie solaire d'un côté et émet de l'énergie infrarouge moyen de l'autre - se trouve au-dessus de l'eau dans un bassin d'évaporation comme un parapluie. "Un site peut avoir une rangée de ces parapluies solaires, probablement assis sur des poteaux de tente, environ un pied au-dessus de l'eau, " dit Menon.

Les chercheurs ont noté que de tels parapluies solaires pourraient également jouer un rôle dans les usines de dessalement, qui émergent comme une solution à la demande croissante en eau dans le monde, mais l'élimination du sous-produit—la saumure concentrée—reste un problème. Berkeley Lab dirige la National Alliance for Water Innovation (NAWI), qui a reçu le centre de dessalement énergie-eau de 100 millions de dollars par le DOE plus tôt cette année.

"Si vous allez faire du dessalement à grande échelle, l'un des plus grands défis est de trouver des technologies évolutives, " a déclaré Prasher. " Il s'agit potentiellement d'une technologie de décharge sans liquide hautement évolutive, qui ne nécessite aucune énergie car elle est basée sur l'énergie solaire."

Prasher a déclaré que l'équipe souhaitait ensuite poursuivre deux directions. Le premier est de faire une analyse technico-économique à la fois de l'extraction du lithium et du rejet zéro liquide pour les usines de dessalement afin de mieux comprendre les coûts. La seconde consiste à envisager de fabriquer l'appareil à partir d'un polymère ou d'un autre matériau pour réduire davantage le coût.