Vue d'artiste de nanotubes de carbone de petit diamètre qui traversent les molécules d'eau (rouge et blanc) et rejettent les ions (bleu). La haute permsélectivité des nanotubes de petit diamètre peut permettre des technologies avancées de dessalement de l'eau. Crédit :A. Noy, T.A. Pham, Y. Li, Z. Li, F. Aydin (LLNL). Illustration par Ella Maru Studios.
Les séparations membranaires sont devenues essentielles à l'existence humaine, sans meilleur exemple que la purification de l'eau. Alors que la pénurie d'eau devient de plus en plus courante et que les communautés commencent à manquer d'eau disponible bon marché, ils doivent compléter leurs approvisionnements avec de l'eau dessalée provenant de sources d'eau de mer et d'eau saumâtre.
Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont créé des pores de nanotubes de carbone (CNT) qui sont si efficaces pour éliminer le sel de l'eau qu'ils sont comparables aux membranes de dessalement commerciales. Ces minuscules pores ne mesurent que 0,8 nanomètre (nm) de diamètre. En comparaison, un cheveu humain vaut 60 ans, 000 nm de diamètre. La recherche apparaît sur la couverture du numéro du 18 septembre de la revue Avancées scientifiques .
La technologie dominante pour éliminer le sel de l'eau, osmose inverse, utilise des membranes composites à couche mince (TFC) pour séparer l'eau des ions présents dans les flux d'alimentation salins. Cependant, certains problèmes de performance fondamentaux subsistent. Par exemple, Les membranes TFC sont contraintes par les compromis perméabilité-sélectivité et ont souvent un rejet insuffisant de certains ions et traces de micropolluants, nécessitant des étapes de purification supplémentaires qui augmentent l'énergie et le coût.
Canaux d'eau biologiques, également appelées aquaporines, fournir un modèle pour les structures qui pourraient offrir des performances accrues. Ils ont un pore interne extrêmement étroit qui réduit l'eau en une configuration à une seule file qui permet une perméabilité à l'eau extrêmement élevée, avec des taux de transport dépassant 1 milliard de molécules d'eau par seconde à travers chaque pore.
« Les nanotubes de carbone représentent certaines des structures d'échafaudage les plus prometteuses pour les canaux d'eau artificiels en raison de la faible friction de l'eau sur leurs surfaces intérieures lisses, qui imitent les canaux d'eau biologiques, " a déclaré Alex Noy, Chimiste du LLNL et co-auteur principal du rapport.
L'équipe a développé des porines de CNT (CNTP) - de courts segments de CNT qui s'auto-insèrent dans des membranes biomimétiques - qui forment des canaux d'eau artificiels qui imitent la fonctionnalité des canaux d'aquaporine et l'arrangement d'eau à file unique intracanal. Les chercheurs ont ensuite mesuré le transport de l'eau et des ions chlorure à travers des CNTP de 0,8 nm de diamètre à l'aide de tests basés sur la fluorescence. Des simulations informatiques et des expériences utilisant des pores de NTC dans des membranes lipidiques ont démontré le mécanisme d'un flux amélioré et d'un fort rejet d'ions à travers les canaux internes des nanotubes de carbone.
"Ce processus nous a permis de déterminer la valeur précise de la permsélectivité eau-sel dans les pores étroits des NTC, " a déclaré Tuan Anh Pham, scientifique des matériaux de LLNL et co-auteur principal, qui a dirigé les efforts de simulation de l'étude. "Les simulations atomistiques fournissent une vue détaillée à l'échelle moléculaire de l'eau entrant dans les canaux CNTP et prennent en charge les valeurs d'énergie d'activation."
