Une fine couche de nanomatériau 2-D nitrure de bore hexagonal est l'ingrédient clé d'une technologie rentable développée par les ingénieurs de l'Université Rice pour le dessalement de la saumure de qualité industrielle.

Plus de 1,8 milliard de personnes vivent dans des pays où l'eau douce est rare. Dans de nombreuses régions arides, l'eau de mer ou les eaux souterraines salées sont abondantes mais coûteuses à dessaler. En outre, de nombreuses industries paient des coûts d'élimination élevés pour les eaux usées contenant des concentrations élevées de sel qui ne peuvent pas être traitées à l'aide de technologies conventionnelles. Osmose inverse, la technologie de dessalement la plus courante, nécessite une pression de plus en plus grande au fur et à mesure que la teneur en sel de l'eau augmente et ne peut pas être utilisé pour traiter une eau extrêmement salée, ou hypersalin.

Eau hypersaline, qui peut contenir 10 fois plus de sel que l'eau de mer, est un défi de plus en plus important pour de nombreuses industries. Certains puits de pétrole et de gaz le produisent en grandes quantités, par exemple, et c'est un sous-produit de nombreuses technologies de dessalement qui produisent à la fois de l'eau douce et de la saumure concentrée. L'augmentation de la conscience de l'eau dans toutes les industries est également un moteur, dit Qilin Li de Rice, co-auteur d'une étude sur la technologie de dessalement de Rice publiée dans Nature Nanotechnologie .

« Il n'y a pas que l'industrie pétrolière, " dit Li, co-directeur du Rice-based Nanotechnology Enabled Water Treatment Center (NEWT). "Processus industriels, en général, produisent des eaux usées salées car la tendance est à la réutilisation de l'eau. De nombreuses industries essaient d'avoir des systèmes d'eau en « boucle fermée ». Chaque fois que vous récupérez de l'eau douce, le sel qu'il contient devient plus concentré. Finalement, les eaux usées deviennent hypersalines et vous devez soit les dessaler, soit payer pour vous en débarrasser."

La technologie conventionnelle pour dessaler l'eau hypersaline a des coûts d'investissement élevés et nécessite une infrastructure étendue. TRITON, un centre de recherche en ingénierie (ERC) de la National Science Foundation (NSF) dont le siège est à la Brown School of Engineering de Rice, utilise les dernières avancées de la nanotechnologie et de la science des matériaux pour créer des des technologies adaptées pour un traitement plus efficace de l'eau potable et des eaux usées industrielles.

L'une des technologies de NEWT est un système de dessalement hors réseau qui utilise l'énergie solaire et un processus appelé distillation membranaire. Lorsque la saumure s'écoule sur un côté d'une membrane poreuse, il est chauffé à la surface de la membrane par un revêtement photothermique qui absorbe la lumière du soleil et génère de la chaleur. Lorsque de l'eau douce froide s'écoule de l'autre côté de la membrane, la différence de température crée un gradient de pression qui entraîne la vapeur d'eau à travers la membrane du côté chaud vers le côté froid, laissant derrière eux les sels et autres contaminants non volatils.

Une grande différence de température de chaque côté de la membrane est la clé de l'efficacité du dessalement de la membrane. Dans la version solaire de la technologie de NEWT, des nanoparticules activées par la lumière fixées à la membrane captent toute l'énergie nécessaire du soleil, résultant en une efficacité énergétique élevée. Li travaille avec un partenaire industriel de NEWT pour développer une version de la technologie pouvant être déployée à des fins humanitaires. Mais l'énergie solaire non concentrée à elle seule n'est pas suffisante pour le dessalement à haut débit de la saumure hypersaline, elle a dit.

"L'intensité énergétique est limitée avec l'énergie solaire ambiante, " dit Li, professeur de génie civil et environnemental. "L'apport d'énergie n'est que d'un kilowatt par mètre carré, et le taux de production d'eau est lent pour les systèmes à grande échelle."

L'ajout de chaleur à la surface de la membrane peut produire des améliorations exponentielles du volume d'eau douce que chaque pied carré de membrane peut produire chaque minute, une mesure connue sous le nom de flux. Mais l'eau salée est très corrosive, et il devient plus corrosif lorsqu'il est chauffé. Les éléments chauffants métalliques traditionnels se détruisent rapidement, et de nombreuses alternatives non métalliques s'en tirent à peine mieux ou ont une conductivité insuffisante.

"Nous recherchions vraiment un matériau qui serait très conducteur électriquement et supporterait également une forte densité de courant sans être corrodé dans cette eau très salée, " dit Li.

La solution est venue des co-auteurs de l'étude Jun Lou et Pulickel Ajayan du département de science des matériaux et nano-ingénierie (MSNE) de Rice. Lou, Chercheurs postdoctoraux Ajayan et NEWT et co-auteurs principaux de l'étude Kuichang Zuo et Weipeng Wang, et le co-auteur de l'étude et étudiant diplômé Shuai Jia a mis au point un procédé pour revêtir un fin maillage en acier inoxydable d'un film mince de nitrure de bore hexagonal (hBN).

La combinaison de résistance chimique et de conductivité thermique du nitrure de bore a fait de sa forme céramique un atout précieux dans les équipements haute température, mais hBN, la forme 2-D d'épaisseur atomique du matériau, est généralement cultivé sur des surfaces planes.

"C'est la première fois que ce magnifique revêtement hBN est cultivé sur une surface irrégulière, surface poreuse, " dit Li. " C'est un défi, parce que partout où vous avez un défaut dans le revêtement hBN, vous allez commencer à avoir de la corrosion."

Jia et Wang ont utilisé une technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) modifiée pour faire croître des dizaines de couches de hBN sur une surface non traitée, maille en acier inoxydable disponible dans le commerce. La technique a étendu les recherches précédentes de Rice sur la croissance de matériaux 2D sur des surfaces courbes, qui a été soutenu par le Center for Atomically Thin Multifunctional Coatings, ou ATOMIQUE. Le centre ATOMIC est également hébergé par Rice et soutenu par le programme de recherche coopérative industrie/université de la NSF.

Les chercheurs ont montré que le revêtement en treillis métallique, qui n'avait qu'environ un 10 millionième de mètre d'épaisseur, était suffisant pour envelopper les fils entrelacés et les protéger des forces corrosives de l'eau hypersaline. L'élément chauffant en treillis métallique revêtu a été attaché à une membrane de difluorure de polyvinylidène disponible dans le commerce qui a été enroulée dans un module enroulé en spirale, une forme peu encombrante utilisée dans de nombreux filtres commerciaux.

Dans les essais, les chercheurs ont alimenté l'élément chauffant avec une tension à une fréquence domestique de 50 hertz et des densités de puissance aussi élevées que 50 kilowatts par mètre carré. A la puissance maximale, le système a produit un flux de plus de 42 kilogrammes d'eau par mètre carré de membrane par heure, soit plus de 10 fois plus que les technologies de distillation à membrane solaire ambiante, avec une efficacité énergétique bien supérieure à celle des technologies de distillation à membrane existantes.

Li a déclaré que l'équipe recherchait un partenaire industriel pour étendre le processus de revêtement CVD et produire un prototype plus grand pour des tests sur le terrain à petite échelle.

« Nous sommes prêts à poursuivre certaines applications commerciales, ", a-t-elle déclaré. " Passer d'un processus à l'échelle du laboratoire à une grande feuille CVD 2D nécessitera un soutien externe. "