Des ingénieurs de l'Université de l'Illinois ont trouvé un matériau écoénergétique pour éliminer le sel de l'eau de mer qui pourrait réfuter la complainte du poète Samuel Taylor Coleridge, "L'eau, l'eau, partout, ni aucune goutte à boire."

Le matériel, une feuille de bisulfure de molybdène (MoS2) d'une épaisseur nanométrique, criblée de minuscules trous appelés nanopores, est spécialement conçu pour laisser passer de grands volumes d'eau mais garder le sel et d'autres contaminants à l'extérieur, un processus appelé le dessalement. Dans une étude publiée dans la revue Communication Nature , l'équipe de l'Illinois a modélisé diverses membranes à couche mince et a découvert que le MoS2 présentait la plus grande efficacité, filtrant jusqu'à 70 pour cent d'eau en plus que les membranes en graphène.

"Même si nous avons beaucoup d'eau sur cette planète, il y a très peu de buvable, " a déclaré Narayana Aluru, responsable de l'étude, un U. of I. professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie. « Si nous pouvions trouver un low-cost, moyen efficace de purifier l'eau de mer, nous ferions de grands progrès dans la résolution de la crise de l'eau.

"Trouver des matériaux pour un dessalement efficace a été un gros problème, et je pense que ce travail jette les bases des matériaux de nouvelle génération. Ces matériaux sont efficaces en termes de consommation d'énergie et d'encrassement, qui sont des problèmes qui minent la technologie de dessalement depuis longtemps, " dit Aluru, qui est également affilié au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'U. of I.

La plupart des technologies de dessalement disponibles reposent sur un processus appelé osmose inverse pour pousser l'eau de mer à travers une fine membrane en plastique pour produire de l'eau douce. La membrane a des trous assez petits pour ne pas laisser passer le sel ou la saleté, mais assez grand pour laisser passer l'eau. Ils sont très bons pour filtrer le sel, mais ne donnent qu'un filet d'eau douce. Bien que mince à l'œil, ces membranes sont encore relativement épaisses pour filtrer au niveau moléculaire, il faut donc appliquer beaucoup de pression pour faire passer l'eau.

"L'osmose inverse est un procédé très coûteux, " Aluru a déclaré. "C'est très énergivore. Il faut beaucoup de puissance pour faire ce processus, et ce n'est pas très efficace. En outre, les membranes échouent à cause du colmatage. Nous aimerions donc le rendre moins cher et rendre les membranes plus efficaces afin qu'elles ne tombent pas aussi souvent en panne. Nous ne voulons pas non plus avoir à utiliser beaucoup de pression pour obtenir un débit d'eau élevé."

Une façon d'augmenter considérablement le débit d'eau est de rendre la membrane plus mince, puisque la force requise est proportionnelle à l'épaisseur de la membrane. Les chercheurs se sont penchés sur des membranes nanométriques telles que le graphène. Cependant, le graphène présente ses propres défis dans la façon dont il interagit avec l'eau.

Le groupe d'Aluru a déjà étudié les nanopores de MoS2 comme plate-forme pour le séquençage de l'ADN et a décidé d'explorer ses propriétés pour le dessalement de l'eau. En utilisant le supercalculateur Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications de l'U. of I., ils ont découvert qu'une feuille monocouche de MoS2 surpassait ses concurrents grâce à une combinaison de finesse, géométrie des pores et propriétés chimiques.

Une molécule de MoS2 a un atome de molybdène pris en sandwich entre deux atomes de soufre. Une feuille de MoS2, alors, a un revêtement de soufre de chaque côté avec le molybdène au centre. Les chercheurs ont découvert que la création d'un pore dans la feuille qui laissait un anneau de molybdène exposé autour du centre du pore créait une forme en forme de buse qui aspirait l'eau à travers le pore.

"MoS2 a des avantages inhérents en ce que le molybdène au centre attire l'eau, puis le soufre de l'autre côté le repousse, nous avons donc un taux d'eau beaucoup plus élevé qui traverse le pore, " a déclaré l'étudiant diplômé Mohammad Heiranian, le premier auteur de l'étude. "C'est inhérent à la chimie du MoS2 et à la géométrie du pore, donc nous n'avons pas à fonctionnaliser le pore, qui est un processus très complexe avec le graphène."

En plus des propriétés chimiques, les feuilles monocouches de MoS2 présentent les avantages de la finesse, nécessitant beaucoup moins d'énergie, ce qui à son tour réduit considérablement les coûts d'exploitation. Le MoS2 est également un matériau robuste, Ainsi, même une feuille aussi mince est capable de résister aux pressions et aux volumes d'eau nécessaires.

Les chercheurs de l'Illinois établissent des collaborations pour tester expérimentalement le MoS2 pour le dessalement de l'eau et pour tester son taux d'encrassement, ou colmatage des pores, un problème majeur pour les membranes plastiques. Le MoS2 est un matériau relativement nouveau, mais les chercheurs pensent que les techniques de fabrication s'amélioreront à mesure que ses hautes performances deviendront plus recherchées pour diverses applications.

"La nanotechnologie pourrait jouer un grand rôle dans la réduction du coût des usines de dessalement et leur efficacité énergétique, " a déclaré Amir Barati Farimani, qui a travaillé sur l'étude en tant qu'étudiant diplômé à l'Illinois et est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford. "Je suis en Californie maintenant, et on parle beaucoup de la sécheresse et de la façon d'y faire face. J'ai bon espoir que ce travail puisse aider les concepteurs d'usines de dessalement. Ce type de membrane mince peut augmenter le retour sur investissement car ils sont beaucoup plus économes en énergie. »