Le schéma de procédé des membranes de nanobois pour la distillation membranaire (MD). (A) Schéma de MD utilisant la membrane en bois. (B) Photographie numérique du nanowood et des propriétés bénéfiques correspondantes pour les applications MD. (C) Schéma de l'eau (vapeur) et du transfert de chaleur dans la membrane de bois pendant le MD. Crédit photo :T. Li, Université du Maryland. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw3203
Lors du dessalement de l'eau, la distillation membranaire (DM) est remise en cause par l'inefficacité de la séparation thermique de l'eau des solutés dissous, en raison de sa dépendance à la porosité de la membrane et à la conductivité thermique. Par exemple, les membranes dérivées du pétrole existantes ont fait face à des obstacles majeurs au développement. Dans un nouveau rapport maintenant sur Avancées scientifiques , Dianxun Hou et ses collègues des départements interdisciplinaires de civil, environnemental, Génie architectural, science des matériaux et génie mécanique aux États-Unis, La Norvège et la Chine ont fabriqué pour la première fois une membrane MD robuste directement à partir de bois durable.
Ils ont utilisé une membrane de nanobois hydrophobe à porosité élevée et à structure de pores hiérarchique avec une large distribution de taille de pores de nanofibrilles de cellulose cristalline, vaisseaux de xylème et lumina pour faciliter le transport de la vapeur d'eau. La conductivité thermique était extrêmement faible dans la direction transversale de la construction pour réduire les pertes de chaleur par conduction, bien qu'une conductivité thermique élevée le long de la fibre ait permis une dissipation thermique efficace le long de la direction axiale. La membrane a démontré une excellente perméabilité intrinsèque à la vapeur et une excellente efficacité thermique. Les propriétés combinées d'efficacité thermique, flux d'eau, l'évolutivité et la durabilité ont rendu le nanobois hautement souhaitable pour les applications de MD (distillation membranaire).
La pénurie d'eau est un défi mondial et les Nations Unies (ONU) rapportent qu'actuellement près de la moitié de la population mondiale vit dans des régions potentiellement pauvres en eau pendant au moins 1 mois par an. Le problème est exacerbé par le changement climatique et l'urbanisation rapide, comme en témoignent les longues périodes de sécheresse et les incendies de forêt fréquents dans l'État de Californie aux États-Unis. Le dessalement peut aider à atténuer le stress hydrique en extrayant de l'eau douce d'une gamme de sources salines ou contaminées, y compris l'eau de mer, eaux souterraines saumâtres ou eaux usées. Les scientifiques ont stimulé le dessalement en utilisant la nanotechnologie et la fabrication de pointe.
Caractérisation structurale de la membrane nanowood. (A) Photo de la membrane de nanobois hydrophobe. (B) Photo qui montre l'hydrophobie après traitement au silane. (C) Angle de contact avec l'eau de la membrane nanowood. (D) Images SEM de la surface du nanobois qui présentent une texture alignée, vaisseaux du xylème, et lumina (canaux). (E) Images SEM qui présentent des mésopores [(G) section transversale et (H) fosses] poussant sur les parois des vaisseaux du xylème et de la lumière. (F) Images SEM qui présentent des pores microscopiques au milieu des fibres de cellulose. (I) PSD des membranes hydrophobes en bois naturel et nanobois. Crédit photo :D. Hou, Université du Colorado. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw3203.
Les techniques existantes de dessalement de l'eau telles que l'osmose inverse sont cependant énergivores et à leur limite d'efficacité énergétique (~50 pour cent). Les chercheurs souhaitent donc utiliser des sources d'énergie renouvelables et à faible coût comme stratégie alternative rentable pour atténuer les problèmes de stockage d'énergie. La distillation membranaire (DM) est une procédé de séparation thermique basé sur la température et la pression de vapeur utilisant l'énergie solaire, thermique ou d'autres sources renouvelables. Dans son mécanisme d'action, l'eau s'évapore du côté alimentation chaude des cellules MD pour diffuser à travers une membrane hydrophobe poreuse pour se condenser du côté perméat froid.
Pendant le DM, le transport de vapeur d'eau peut conduire à un transfert de chaleur par convection pour réduire le gradient et abaisser la force motrice pour le transfert de masse à travers la membrane. Les scientifiques envisagent qu'une membrane MD idéale combinera une grande taille de pores, faible tortuosité des pores, faible conductivité thermique, haute porosité, épaisseur optimale, bonne résistance mécanique, rentabilité et un faible impact environnemental. Cependant, les membranes MD existantes en polymères synthétiques ne répondent pas aux normes optimales en raison de plusieurs défauts.
Dans le travail present, donc, Hou et al. a développé la première membrane MD robuste directement à partir de bois durable en tant que solution naturelle pour la purification de l'eau. Le matériau nanocellulosique abondant en terre est généralement utilisé dans des produits ayant un impact minimal sur l'environnement ou la santé pour construire des échafaudages, biocarburants ou filtres à eau. Les scientifiques des matériaux ont développé la version actuelle du nanobois en éliminant directement la lignine et l'hémicellulose avec un traitement chimique et une lyophilisation pour préserver la nanostructure anisotrope et l'alignement hiérarchique des fibres de bois.
Caractérisation de la conductivité thermique des membranes bois. (A) Photo de la membrane de nanobois hydrophobe. (B) Photo de la membrane en bois naturel hydrophobe. (C) Représentation schématique de la mesure de la source de chaleur par contact. Thermographies IR de (D) les membranes de bois. (E) Mesure de la conductivité thermique des membranes en bois de 40° à 60°C. (F) Comparaison de la conductivité thermique des bois à 60°C avant et après traitement hydrophobe au silane. Les barres d'erreur représentent les SD basés sur trois expériences indépendantes. Crédit photo :D. Hou, Université du Colorado. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aaw3203
Les scientifiques ont préparé le bois en un matériau en vrac anisotrope et thermiquement isolant à haute porosité, faible conductivité thermique et bonne résistance mécanique en tant que substrat idéal pour la nouvelle membrane MD. L'équipe de recherche a utilisé du bois nanostructuré de tilleul d'Amérique naturel suivi d'un revêtement de silane pour former une membrane de surface hydrophobe à haute porosité et à faible conductivité thermique. Ils ont ensuite comparé les membranes en bois hydrophobes avec des membranes commerciales en ce qui concerne la structure et les performances lors de la purification de l'eau.
Les nouvelles membranes présentaient une structure de pores unique avec des vaisseaux de xylème formés naturellement et une lumière parallèle à la surface de la membrane par rapport aux membranes commerciales synthétiques à pores verticaux. L'équipe de recherche a directement observé l'alignement naturel des nanofibrilles de cellulose en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB). Ils ont noté la structure résultante avec des nanofibrilles cristallines alignées maintenues ensemble par des liaisons hydrogène intermoléculaires et des forces de van de Waal. En éliminant les composants mélangés de lignine et d'hémicellulose, les scientifiques ont contribué à environ 70 % de perte de masse et à une meilleure porosité de la membrane hydrophobe en nanobois. Hou et al. utilisé les pores situés entre les nanofibrilles ou sur les parois des canaux pour le transport de la vapeur d'eau.
En raison de la grande porosité du matériau d'ingénierie, la conductivité thermique théorique de la membrane hydrophobe en nanobois a diminué de 0,210 à 0,04 W m -1 K -1 à 25°C, contribuer à la réduction des pertes de chaleur par conduction, tout en augmentant le transfert de chaleur par convection. Les scientifiques ont traité le bois avec du fluoroalkylsilane (FAS) pour induire une hydrophobie, ce qu'ils ont vérifié en utilisant des mesures d'angle de contact avec l'eau pour obtenir des angles de contact supérieurs à 140 degrés. Les valeurs étaient supérieures à celles observées avec des membranes commerciales telles que le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le polyfluorure de vinylidène (PVDF). La morphologie et la structure des pores sont restées intactes avant et après le traitement de surface. Les scientifiques ont comparé les membranes en bois hydrophobes avec des membranes commerciales par rapport aux structures membranaires, y compris la dimension de la taille des pores (PSD), conductivité thermique et performances.
Performance MD du bois et des membranes commerciales. (A) Flux d'eau et (B) conductivités thermiques expérimentales pour les membranes en bois hydrophobes avec une température d'alimentation variant en continu entre 40° et 60°C et une température de distillat de 20°C. (C) Perméabilité intrinsèque des membranes. (D) Efficacité thermique par rapport au flux d'eau des membranes en bois et des membranes commerciales. Les barres d'erreur représentent les SD basés sur trois expériences indépendantes. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aaw3203.
Démontrer les capacités d'isolation thermique de la membrane en nanobois hydrophobe fabriquée, les chercheurs ont testé le spécimen sous une source de chaleur conductrice et ont stimulé la distillation membranaire par contact direct (DCMD). Au cours des expériences, ils ont appliqué cinq températures différentes et les ont mesurées à l'aide d'une caméra infrarouge (IR). Dans les résultats, la nanomembrane hydrophobe a montré une faible conductivité thermique et une propriété anisotrope lorsque les températures sont passées de 40 0 C—60 0 C. Selon les résultats, l'élimination de la lignine et de l'hémicellulose mélangées lors de la préparation du nanobois a contribué à des changements significatifs dans la conductivité thermique du bois.
Hou et al. puis testé le dessalement thermiquement efficace de la membrane de nanobois en observant le flux d'eau (vapeur) à travers les membranes. En raison de l'augmentation de la porosité et de la taille des pores, la membrane hydrophobe de nanobois a démontré un flux d'eau plus élevé avec une résistance au transfert de vapeur considérablement réduite. Ils ont comparé les performances du nanowood MD avec les MD commerciaux et ont proposé l'utilisation de membranes de bois plus minces pour fabriquer un meilleur flux dans les études futures. Les membranes hydrophobes ont montré une bonne efficacité thermique (71 ± 2% à 60°C) pour représenter les valeurs les plus élevées atteintes en MD jusqu'à présent. Au total, les résultats suggèrent que la taille des pores plus grande et la PSD (dimension de la taille des pores) plus large de la membrane nanowood pour compenser les inconvénients d'une porosité plus faible.
La membrane nanowood hydrophobe nouvellement développée a montré des propriétés supérieures et un potentiel MD pour le dessalement de l'eau. La membrane a montré un bon afflux d'eau (transport de vapeur d'eau) et une excellente efficacité thermique en raison d'une perméabilité intrinsèque élevée et d'une conductivité thermique très faible (0,040 W m -1 K -1 ) pour favoriser le transfert de chaleur par convection et conduction. De cette façon, Dianxun Hou et ses collègues ont fabriqué une membrane en nanobois à l'aide d'un approche descendante avec des traitements chimiques simples. Le nouvellement développé, La membrane nanowood évolutive est une membrane thermiquement efficace avec un grand potentiel d'utilisation de la chaleur de faible qualité provenant de diverses sources lors de la distillation membranaire (MD) pour le dessalement de l'eau.
Les scientifiques peuvent améliorer la taille et l'épaisseur des pores en sélectionnant d'autres essences de bois pour le processus à l'avenir. Ils proposent également l'utilisation de l'électrofilage pour fabriquer des fibres de nanocellulose. En raison de la nature hydrophile des matériaux nanocellulosiques, Hou et al. visent à améliorer encore l'efficacité du traitement hydrophobe pour la durabilité des membranes à haute température et dans des conditions chimiques. L'équipe de recherche a l'intention d'optimiser davantage les méthodes de fabrication pour concevoir des matériaux de membrane plus minces et plus grands pour de futures applications dans le dessalement de l'eau
Schémas, images, et interface de commande de l'appareil de distillation membranaire à contact direct (DCMD). (A) Schémas de l'appareil pour la distillation membranaire par contact direct (DCMD). Images visuelles de (B) le réacteur DCMD et (C) du système de contrôle LabVIEW
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