L'approche solaire de l'Université Rice pour purifier l'eau salée avec la lumière du soleil et des nanoparticules est encore plus efficace que ne le pensaient ses créateurs.

Des chercheurs du laboratoire Rice pour la nanophotonique (LANP) ont montré cette semaine qu'ils pouvaient augmenter l'efficacité de leur système de dessalement à l'énergie solaire de plus de 50 % simplement en ajoutant des lentilles en plastique bon marché pour concentrer la lumière du soleil dans des « points chauds ». Les résultats sont disponibles en ligne dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

« La façon typique d'améliorer les performances des systèmes à énergie solaire est d'ajouter des concentrateurs solaires et d'apporter plus de lumière, " dit Pratiksha Dongare, un étudiant diplômé en physique appliquée à la Brown School of Engineering de Rice et co-auteur principal de l'article. "La grande différence ici est que nous utilisons la même quantité de lumière. Nous avons montré qu'il est possible de redistribuer cette puissance à moindre coût et d'augmenter considérablement le taux de production d'eau purifiée."

Dans la distillation membranaire conventionnelle, chaud, l'eau salée s'écoule sur un côté d'une membrane en forme de feuille alors qu'elle est froide, l'eau filtrée traverse l'autre. La différence de température crée une différence de pression de vapeur qui entraîne la vapeur d'eau du côté chauffé à travers la membrane vers le refroidisseur, côté basse pression. La mise à l'échelle de la technologie est difficile car la différence de température à travers la membrane - et la production d'eau propre qui en résulte - diminue à mesure que la taille de la membrane augmente. La technologie de « distillation par membrane solaire activée par la nanophotonique » (NESMD) de Rice résout ce problème en utilisant des nanoparticules absorbant la lumière pour transformer la membrane elle-même en un élément chauffant à énergie solaire.

Dongare et ses collègues, y compris le co-auteur principal de l'étude Alessandro Alabastri, enduire la couche supérieure de leurs membranes à faible coût, des nanoparticules disponibles dans le commerce conçues pour convertir plus de 80 % de l'énergie solaire en chaleur. Le chauffage solaire par nanoparticules réduit les coûts de production, et les ingénieurs de Rice travaillent à étendre la technologie pour des applications dans des zones reculées qui n'ont pas accès à l'électricité.

Le concept et les particules utilisés dans le NESMD ont été démontrés pour la première fois en 2012 par la directrice du LANP Naomi Halas et le chercheur Oara Neumann, qui sont tous deux co-auteurs de la nouvelle étude. Dans l'étude de cette semaine, Halas, Dongaré, Alabastri, Neumann et le physicien du LANP Peter Nordlander ont découvert qu'ils pouvaient exploiter une relation non linéaire inhérente et auparavant non reconnue entre l'intensité lumineuse incidente et la pression de vapeur.

Alabastri, un physicien et professeur assistant de recherche Texas Instruments au département de génie électrique et informatique de Rice, utilisé un exemple mathématique simple pour décrire la différence entre une relation linéaire et non linéaire. "Si vous prenez deux nombres qui égalent 10—sept et trois, cinq et cinq, six et quatre, vous obtiendrez toujours 10 si vous les additionnez. Mais si le processus est non linéaire, vous pouvez les mettre au carré ou même les couper en cubes avant de les ajouter. Donc si nous avons neuf et un, ce serait neuf au carré, ou 81, plus un au carré, ce qui équivaut à 82. C'est bien mieux que 10, ce qui est le mieux que vous puissiez faire avec une relation linéaire."

Dans le cas du NESMD, l'amélioration non linéaire vient de la concentration de la lumière du soleil dans de minuscules taches, un peu comme un enfant pourrait le faire avec une loupe par une journée ensoleillée. La concentration de la lumière sur un minuscule point de la membrane entraîne une augmentation linéaire de la chaleur, mais le chauffage, à son tour, produit une augmentation non linéaire de la pression de vapeur. Et la pression accrue force plus de vapeur purifiée à traverser la membrane en moins de temps.

"Nous avons montré qu'il est toujours préférable d'avoir plus de photons dans une zone plus petite que d'avoir une distribution homogène de photons sur toute la membrane, " a déclaré Alabastri.

Halas, un chimiste et ingénieur qui a passé plus de 25 ans à faire œuvre de pionnier dans l'utilisation de nanomatériaux activés par la lumière, mentionné, "Les efficacités fournies par ce processus optique non linéaire sont importantes car la pénurie d'eau est une réalité quotidienne pour environ la moitié de la population mondiale, et une distillation solaire efficace pourrait changer cela.

« Au-delà de la purification de l'eau, cet effet optique non linéaire pourrait également améliorer les technologies qui utilisent le chauffage solaire pour piloter des processus chimiques comme la photocatalyse, " dit Halas.

Par exemple, LANP développe une nanoparticule à base de cuivre pour convertir l'ammoniac en carburant hydrogène à pression ambiante.

Halas est le professeur Stanley C. Moore de génie électrique et informatique, directeur du Rice's Smalley-Curl Institute et professeur de chimie, bio-ingénierie, physique et astronomie, et la science des matériaux et la nano-ingénierie.

Le NESMD est en cours de développement au Rice-based Center for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) et a remporté un financement de recherche et développement du programme de dessalement solaire du ministère de l'Énergie en 2018.