Moins de 1% de l'eau de la Terre est potable. L'élimination du sel et d'autres minéraux de notre plus grande source d'eau disponible, l'eau de mer, peut aider à satisfaire une population mondiale croissante assoiffée d'eau douce à boire, agriculture, transport, chauffage, froid et industrie. Mais le dessalement est un processus énergivore, qui concerne ceux qui souhaitent étendre son application.

Maintenant, une équipe d'expérimentateurs dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a démontré une technologie de dessalement écoénergétique qui utilise une membrane poreuse faite de solides, Graphène mince - un nid d'abeilles en carbone d'un atome d'épaisseur. Les résultats sont publiés dans le numéro en ligne anticipé du 23 mars de Nature Nanotechnologie .

"Notre travail est une preuve de principe qui démontre comment vous pouvez dessaler l'eau salée en utilisant des installations autonomes, graphène poreux, " a déclaré Shannon Mark Mahurin de la division des sciences chimiques de l'ORNL, qui a co-dirigé l'étude avec Ivan Vlassiouk dans la division des sciences de l'énergie et des transports de l'ORNL.

"C'est une énorme avancée, " dit Vlassiouk, soulignant une richesse de l'eau se déplace à travers la membrane poreuse de graphène. "Le flux à travers les membranes de graphène actuelles était au moins d'un ordre de grandeur supérieur à [celui à travers] les membranes polymères d'osmose inverse à la pointe de la technologie."

Les méthodes actuelles de purification de l'eau comprennent la distillation et l'osmose inverse. Distillation, ou chauffer un mélange pour extraire les composants volatils qui se condensent, nécessite une quantité importante d'énergie. Osmose inverse, un procédé plus économe en énergie qui nécessite néanmoins une bonne quantité d'énergie, est la base de la technologie ORNL.

Faire des pores dans le graphène est la clé. Sans ces trous, l'eau ne peut pas passer d'un côté de la membrane à l'autre. Les molécules d'eau sont tout simplement trop grosses pour passer à travers les mailles fines du graphène. Mais percez des trous dans le maillage qui sont juste de la bonne taille, et les molécules d'eau peuvent pénétrer. Ions de sel, en revanche, sont plus gros que les molécules d'eau et ne peuvent pas traverser la membrane. La membrane poreuse permet l'osmose, ou passage d'un fluide à travers une membrane semi-perméable dans une solution dans laquelle le solvant est plus concentré. "Si vous avez de l'eau salée d'un côté d'une membrane poreuse et de l'eau douce de l'autre, une pression osmotique a tendance à ramener l'eau du côté de l'eau salée. Mais si tu surmontes ça, et tu inverses ça, et vous poussez l'eau du côté eau salée vers le côté eau douce - c'est le processus d'osmose inverse, " expliqua Mahurin.

Aujourd'hui, les filtres à osmose inverse sont généralement des polymères. Un filtre est mince et réside sur un support. Il faut une pression importante pour pousser l'eau du côté eau salée vers le côté eau douce. "Si vous pouvez rendre la membrane plus poreuse et plus mince, vous pouvez augmenter le flux à travers la membrane et réduire les exigences de pression, Sans limite, " a déclaré Mahurin. " Tout cela sert à réduire la quantité d'énergie qu'il faut pour conduire le processus. "

Le graphène à la rescousse Le graphène n'a qu'un atome d'épaisseur, pourtant flexible et solide. Ses stabilités mécanique et chimique le rendent prometteur dans les membranes pour les séparations. Une membrane poreuse en graphène pourrait être plus perméable qu'une membrane polymère, ainsi l'eau séparée traverserait plus rapidement la membrane dans les mêmes conditions, raisonnaient les scientifiques. "Si nous pouvons utiliser cette seule couche de graphène, nous pourrions alors augmenter le flux et réduire la surface de la membrane pour accomplir ce même processus de purification, ", a déclaré Mahurin.

Pour faire du graphène pour la membrane, les chercheurs ont fait circuler du méthane dans un four tubulaire à 1, 000 degrés C sur une feuille de cuivre qui a catalysé sa décomposition en carbone et hydrogène. Les atomes de carbone déposés par vapeur chimique se sont auto-assemblés en hexagones adjacents pour former une feuille d'un atome d'épaisseur.

Les chercheurs ont transféré la membrane de graphène sur un support en nitrure de silicium avec un trou de la taille d'un micromètre. Ensuite, l'équipe a exposé le graphène à un plasma d'oxygène qui a éliminé les atomes de carbone du réseau de grillage à l'échelle nanométrique du graphène pour créer des pores. Plus la membrane de graphène a été exposée au plasma, plus les pores qui se sont formés sont gros, et le plus fait.

La membrane préparée séparait deux solutions aqueuses :l'eau salée d'un côté, frais de l'autre. La puce en nitrure de silicium maintenait la membrane de graphène en place tandis que l'eau la traversait d'une chambre à l'autre. La membrane a permis un transport rapide de l'eau à travers la membrane et a rejeté près de 100 pour cent des ions de sel, par exemple., des atomes de sodium chargés positivement et des atomes de chlorure chargés négativement.

Pour déterminer la meilleure taille de pores pour le dessalement, les chercheurs se sont appuyés sur le Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL. Là, imagerie par microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) corrigée des aberrations, dirigé par Raymond Unocic, autorisé pour l'imagerie à résolution atomique du graphène, que les scientifiques ont utilisé pour corréler la porosité de la membrane de graphène avec les propriétés de transport. Ils ont déterminé que la taille optimale des pores pour un dessalement efficace était de 0,5 à 1 nanomètre, dit Mahurin.

Ils ont également découvert que la densité optimale de pores pour le dessalement était d'un pore pour 100 nanomètres carrés. "Plus vous obtenez de pores, le meilleur, jusqu'à un certain point jusqu'à ce que vous commenciez à dégrader toute stabilité mécanique, ", a déclaré Mahurin.

Vlassiouk a déclaré que la fabrication des membranes poreuses de graphène utilisées dans l'expérience est viable à l'échelle industrielle, et d'autres méthodes de production des pores peuvent être explorées. « Différentes approches ont été essayées, y compris l'irradiation avec des électrons et des ions, mais aucun d'eux n'a fonctionné. Jusque là, l'approche plasma d'oxygène a fonctionné le mieux, " a-t-il ajouté. Il s'inquiète davantage des gremlins qui infestent les membranes d'osmose inverse d'aujourd'hui - des excroissances sur les surfaces des membranes qui les obstruent (appelées "biofouling") et assurent la stabilité mécanique d'une membrane sous pression.