La sécurité de l'eau devient un défi mondial urgent. Des centaines de millions de personnes vivent déjà dans des régions pauvres en eau, et l'ONU prévoit que d'ici 2030, environ la moitié de la population mondiale vivra dans des zones à fort stress hydrique. Ce sera une crise même pour les pays développés comme les États-Unis, où les gestionnaires de l'eau dans 40 États s'attendent à des pénuries d'eau douce au cours des 10 prochaines années. Alors que la population mondiale et le PIB augmentent, il en sera de même de la demande d'eau douce. Et, avec la hausse continue des températures mondiales, les pénuries d'eau ne feront qu'empirer.

Les procédés de dessalement sont de plus en plus utilisés pour augmenter l'approvisionnement en eau. En réalité, La capacité mondiale de dessalement devrait doubler entre 2016 et 2030. Mais ces procédés sont coûteux et peuvent être nocifs pour l'environnement. Les saumures à très haute salinité qui sont le sous-produit du dessalement peuvent être plusieurs fois supérieures à la salinité de l'eau de mer et ses options de gestion sont particulièrement difficiles pour les installations de dessalement à l'intérieur des terres telles que celles de l'Arizona, Californie, Floride, et le Texas.

Au cours de la dernière année, Les chercheurs de Columbia Engineering ont affiné leur approche de dessalement non conventionnelle pour les saumures hypersalines - l'extraction par solvant à variation de température (TSSE) - qui est très prometteuse pour une utilisation généralisée. La TSSE est radicalement différente des méthodes conventionnelles car c'est une technique d'extraction par solvant qui n'utilise pas de membranes et ne repose pas sur un changement de phase évaporatif :elle est efficace, efficace, évolutif, et alimenté de manière durable. Dans un nouveau journal, publié en ligne le 23 juin dans Sciences et technologies de l'environnement , l'équipe rapporte que leur méthode leur a permis d'atteindre une décharge zéro-liquide (ZLD) écoénergétique de saumures à très haute salinité - la première démonstration de TSSE pour le dessalement ZLD de saumures hypersalines.

"Le rejet zéro liquide est la dernière frontière du dessalement, " dit Ngai Yin Yip, un professeur adjoint de génie de la terre et de l'environnement qui a dirigé l'étude. « L'évaporation et la condensation de l'eau sont la pratique actuelle pour le ZLD, mais elles sont très énergivores et d'un coût prohibitif. Nous avons pu atteindre le ZLD sans faire bouillir l'eau. peut être une technologie transformatrice pour l'industrie mondiale de l'eau."

Le processus TSSE de Yip commence par le mélange d'un solvant à faible polarité avec la saumure à haute salinité. A basse température (l'équipe a utilisé 5 °C), le solvant TSSE extrait l'eau de la saumure mais pas les sels (qui sont présents dans la saumure sous forme d'ions). En contrôlant le rapport solvant/saumure, l'équipe peut extraire toute l'eau de la saumure dans le solvant pour induire la précipitation des sels - après que toute l'eau est "aspirée" dans le solvant, les sels forment des cristaux solides et tombent au fond, qui peut ensuite être facilement tamisé.

Une fois que les chercheurs ont séparé les sels précipités, ils réchauffent le solvant chargé d'eau à une température modérée d'environ 70 °C. A cette température plus élevée, la solubilité du solvant pour l'eau diminue et l'eau est extraite du solvant, comme une éponge. L'eau séparée forme une couche sous le solvant et contient beaucoup moins de sel que la saumure initiale. Il peut être facilement siphonné et le solvant régénéré peut ensuite être réutilisé pour le cycle TSSE suivant.

"Nous ne nous attendions pas à ce que TSSE fonctionne aussi bien, " Yip dit. " En fait, lorsque nous discutions de son potentiel pour ZLD, nous pensions exactement le contraire, que le processus céderait probablement à un moment donné lorsqu'il y a tout simplement trop de sel pour qu'il continue de fonctionner. Ce fut donc une heureuse surprise lorsque j'ai convaincu le chercheur principal Chanhee Boo d'essayer, pour le diable, un vendredi après-midi et nous avons obtenu de si bons résultats."

Avec une alimentation en saumure simulée (préparée en laboratoire) de 292, 500 parties par million de solides dissous totaux, Le groupe de Yip a pu précipiter plus de 90 % du sel dans la solution d'origine. En outre, les chercheurs ont estimé que le processus n'utilisait qu'environ un quart de l'énergie requise pour l'évaporation de l'eau, soit une économie d'énergie de 75 % par rapport à l'évaporation thermique de la saumure. Ils ont réutilisé le solvant pendant plusieurs cycles sans perte notable de performance, démontrant que le solvant a été conservé et non dépensé pendant le processus.

Puis, démontrer l'applicabilité pratique de la technologie, l'équipe a prélevé sur le terrain un échantillon de saumure à haute salinité, le concentré d'eau de drainage d'irrigation dans la vallée centrale de Californie, où les eaux de drainage d'irrigation sont difficiles et coûteuses à traiter, et atteint ZLD avec TSSE.

Les méthodes de distillation conventionnelles nécessitent de la vapeur de haute qualité et sont fréquemment complétées par de l'électricité pour alimenter les pompes à vide. Parce que TSSE ne nécessite que des entrées de température modérées, l'énergie thermique de faible qualité nécessaire peut provenir de sources plus durables, comme la chaleur résiduelle industrielle, géothermie de puits peu profonds, et des capteurs solaires à faible concentration.

"Avec le bon solvant et les bonnes conditions de température, nous pouvons fournir des options de gestion des concentrés rentables et respectueuses de l'environnement pour les installations de dessalement à l'intérieur des terres, utiliser les eaux souterraines saumâtres pour atténuer les stress hydriques actuels et futurs, " Yip notes.

En plus de gérer les concentrés de dessalement à l'intérieur des terres, TSSE peut également être utilisé pour d'autres saumures à haute salinité, y compris le reflux et l'eau produite à partir de l'extraction de pétrole et de gaz, les flux de déchets des centrales électriques à vapeur, les rejets des installations de traitement du charbon vers les produits chimiques, et le lixiviat de décharge. Le groupe de Yip continue d'étudier les mécanismes de fonctionnement fondamentaux de la TSSE, pour concevoir de nouvelles améliorations de ses performances. Ce travail comprend des tests supplémentaires avec des échantillons réels du terrain, ainsi que l'optimisation du processus global.

The study is titled "Zero Liquid Discharge of Ultrahigh Salinity Brines with Temperature Swing Solvent Extraction."