(En haut à gauche) Pores de graphène hydrogénés et (en haut à droite) hydroxylés. (En bas) Vue latérale du graphène nanoporeux simulé filtrant les ions de sel et produisant de l'eau potable. Crédit image :Cohen-Tanugi et Grossman. ©2012 Société chimique américaine
(Phys.org) - Bien que les océans et les mers contiennent environ 97% de l'eau de la Terre, actuellement, seule une fraction d'un pour cent de l'approvisionnement en eau potable dans le monde provient d'eau salée dessalée. Afin d'augmenter notre consommation d'eau salée, les techniques de dessalement doivent devenir plus économes en énergie et moins chères pour être durables. Dans une nouvelle étude, deux scientifiques des matériaux du MIT ont montré dans des simulations que le graphène nanoporeux peut filtrer le sel de l'eau à une vitesse de 2 à 3 ordres de grandeur plus rapide que la meilleure technologie de dessalement commerciale d'aujourd'hui, osmose inverse (OI). Les chercheurs prédisent que la perméabilité à l'eau supérieure du graphène pourrait conduire à des techniques de dessalement qui nécessitent moins d'énergie et utilisent des modules plus petits que la technologie RO, à un coût qui dépendra des améliorations futures des méthodes de fabrication du graphène.
Les scientifiques, David Cohen-Tanugi et Jeffrey C. Grossman du MIT, ont publié leur étude sur le dessalement de l'eau à l'aide de graphène nanoporeux monocouche dans un récent numéro de Lettres nano .
« Ce travail montre que certains des inconvénients des techniques de dessalement actuelles pourraient être évités en inventant des matériaux membranaires plus efficaces et ciblés, " Grossman a dit Phys.org . « En particulier, la nanostructuration sur mesure des membranes pourrait permettre un écoulement réel de l'eau (avec rejet total du sel) via l'exclusion de taille, conduisant à une perméabilité beaucoup plus élevée par rapport à l'osmose inverse.
Ce n'est pas la première fois que des chercheurs étudient l'utilisation de matériaux nanoporeux pour le dessalement. Contrairement à RO, qui utilise une pression élevée pour pousser lentement les molécules d'eau (mais pas les ions de sel) à travers une membrane poreuse, les matériaux nanoporeux fonctionnent sous des pressions plus basses et fournissent des canaux bien définis qui peuvent filtrer l'eau salée à un rythme plus rapide que les membranes RO.
Lorsque les molécules d'eau (rouge et blanche) et les ions sodium et chlore (vert et violet) dans l'eau salée, sur la droite, rencontrer une feuille de graphène (bleu pâle, centre) percé de trous de la bonne dimension, l'eau passe (côté gauche), mais le sodium et le chlore du sel sont bloqués. Graphique :David Cohen-Tanugi
Cependant, c'est la première fois que des scientifiques explorent le rôle potentiel du graphène nanoporeux en tant que filtre pour le dessalement de l'eau. Graphène monocouche, qui n'a qu'un atome de carbone d'épaisseur, est la membrane mince ultime, ce qui le rend avantageux pour le dessalement de l'eau puisque le flux d'eau à travers une membrane varie en raison inverse de l'épaisseur de la membrane.
En utilisant des simulations de dynamique moléculaire classiques, Cohen-Tanugi et Grossman ont examiné la perméabilité à l'eau du graphène nanoporeux avec différents diamètres de pores (1,5 à 62 Å 2 ) et la chimie des pores. Comme les expériences précédentes l'ont démontré, les nanopores peuvent être introduits dans le graphène par diverses méthodes, y compris le forage par faisceau d'ions d'hélium et la gravure chimique. Dans leurs simulations, les scientifiques ont renforcé les nanopores en les passivant, ou blindage, chaque atome de carbone au bord des pores avec soit des atomes d'hydrogène, soit des groupes hydroxyle.
Perméabilité à l'eau de diverses techniques de dessalement. Les nanopores de graphène peuvent rejeter les ions sels avec une perméabilité à l'eau de 2 à 3 ordres de grandeur supérieure aux techniques commerciales d'osmose inverse (OI). Crédit image :Cohen-Tanugi et Grossman. ©2012 Société chimique américaine
« Parce que ces atomes de carbone au bord des pores seraient assez réactifs sans passivation, d'une manière ou d'une autre dans des conditions expérimentales réalistes, ils auront probablement une certaine forme de fonctionnalisation chimique, », a déclaré Grossman. « Cela peut être contrôlé dans une certaine mesure, nous avons donc voulu explorer les deux limites des chimies de bord hydrophobes et hydrophiles. Si nous n'avions pas de groupes fonctionnels (juste du carbone nu), alors en peu de temps, les molécules d'eau se dissocieraient au bord des pores et probablement hydrogéneraient ou hydroxyleraient ces carbones.
Les scientifiques ont comparé les deux chimies, avec différentes tailles de pores, de graphène nanoporeux dans leurs simulations en faisant couler de l'eau salée avec une salinité de 72 g/L sur les membranes, qui est environ deux fois la salinité de l'eau de mer moyenne (environ 35 g/L).
Ils ont trouvé que, bien que les plus gros nanopores puissent filtrer l'eau au taux le plus élevé, de grands nanopores ont permis à certains ions de sel de passer à travers. Les simulations ont identifié une gamme intermédiaire de diamètres de nanopores où les nanopores étaient suffisamment grands pour permettre le passage des molécules d'eau mais suffisamment petits pour restreindre les ions de sel.
Les simulations ont également montré que le graphène hydroxylé améliore considérablement la perméabilité à l'eau, que les scientifiques attribuent à la nature hydrophile des groupes hydroxyle. Depuis, en revanche, les pores hydrogénés sont hydrophobes, les molécules d'eau ne peuvent s'écouler que dans un nombre limité de configurations hautement ordonnées. Mais les groupes hydrophiles permettent aux molécules d'eau d'avoir un plus grand nombre de configurations de liaison hydrogène à l'intérieur des pores, et ce manque de restrictions augmente le flux d'eau.
Globalement, les résultats montrent que le graphène nanoporeux peut théoriquement surpasser les membranes RO en termes de perméabilité à l'eau, qui s'exprime en litres de débit par centimètre carré de membrane par jour et par unité de pression appliquée. Alors que l'osmose inverse à haut flux a une perméabilité à l'eau de quelques dixièmes, les simulations ont montré que la perméabilité à l'eau du graphène nanoporeux variait de 39 à 66 pour les configurations de pores qui présentaient un rejet total du sel (23,1 Å 2 pores hydrogénés et 16,3 Å 2 pores hydroxylés). Le graphène avec les plus gros pores hydroxylés atteint 129, mais a permis un certain passage des ions de sel.
Les scientifiques expliquent qu'il existe deux principaux défis auxquels l'utilisation du graphène nanoporeux à des fins de dessalement est confrontée. L'un est d'obtenir une distribution étroite de la taille des pores, bien que des progrès expérimentaux rapides dans la synthèse de graphène poreux hautement ordonné suggèrent que cela pourrait bientôt être faisable. L'autre défi est la stabilité mécanique sous pression appliquée, ce qui pourrait être réalisé en utilisant une couche de support en film mince telle que celle utilisée dans les matériaux RO.
« Calculatoirement, nous examinons une gamme d'autres façons potentiellement nouvelles de concevoir des membranes pour le dessalement et la décontamination, », a déclaré Grossman. « À titre expérimental, nous fabriquons actuellement des membranes nanoporeuses et espérons tester leurs performances de dessalement dans les prochains mois.
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