La réduction des coûts énergétiques et donc financiers, ainsi que l'amélioration de la simplicité du dessalement de l'eau, pourraient aider les communautés du monde entier ayant un accès limité à l'eau potable. Crédit :© 2022 Itoh et al.
La rareté de l'eau est un problème croissant dans le monde. Le dessalement de l'eau de mer est une méthode établie pour produire de l'eau potable, mais s'accompagne d'énormes coûts énergétiques. Pour la première fois, des chercheurs utilisent des nanostructures à base de fluor pour filtrer avec succès le sel de l'eau. Par rapport aux méthodes de dessalement actuelles, ces nanocanaux fluorés fonctionnent plus rapidement, nécessitent moins de pression et moins d'énergie, et constituent un filtre plus efficace.
Si vous avez déjà cuisiné avec une poêle à frire antiadhésive revêtue de téflon, vous avez probablement vu la façon dont les ingrédients humides glissent facilement autour d'elle. Cela se produit parce que le composant clé du téflon est le fluor, un élément léger qui est naturellement hydrofuge ou hydrophobe. Le téflon peut également être utilisé pour recouvrir les tuyaux afin d'améliorer l'écoulement de l'eau. Un tel comportement a attiré l'attention du professeur agrégé Yoshimitsu Itoh du département de chimie et de biotechnologie de l'Université de Tokyo et de son équipe. Cela les a inspirés à explorer comment les tuyaux ou les canaux fabriqués à partir de fluor pourraient fonctionner à une échelle très différente, l'échelle nanométrique.
"Nous étions curieux de voir à quel point un nanocanal fluoré pourrait être efficace pour filtrer sélectivement différents composés, en particulier l'eau et le sel. Et, après avoir exécuté des simulations informatiques complexes, nous avons décidé que cela valait la peine de créer un échantillon de travail, " dit Itô. "Il existe actuellement deux façons principales de dessaler l'eau :thermiquement, en utilisant la chaleur pour évaporer l'eau de mer afin qu'elle se condense en eau pure, ou par osmose inverse, qui utilise la pression pour forcer l'eau à travers une membrane qui bloque le sel. Les deux méthodes nécessitent beaucoup d'énergie. , mais nos tests suggèrent que les nanocanaux fluorés nécessitent peu d'énergie et présentent également d'autres avantages."
L'équipe a créé des membranes de filtration de test en synthétisant chimiquement des anneaux de fluor nanoscopiques, qui ont été empilés et intégrés dans une couche lipidique autrement imperméable, similaire aux molécules organiques qui composent les parois cellulaires. Ils ont créé plusieurs échantillons de test avec des nanoanneaux entre environ 1 et 2 nanomètres. Pour référence, un cheveu humain mesure près de 100 000 nanomètres de large. Pour tester l'efficacité de leurs membranes, Itoh et l'équipe ont mesuré la présence d'ions chlore, l'un des principaux composants du sel, l'autre étant le sodium, de part et d'autre de la membrane de test.
"C'était très excitant de voir les résultats de première main. Le plus petit de nos canaux de test rejetait parfaitement les molécules de sel entrantes, et les canaux plus grands constituaient également une amélioration par rapport aux autres techniques de dessalement et même aux filtres à nanotubes de carbone de pointe", a déclaré Itoh. "La vraie surprise pour moi a été la rapidité avec laquelle le processus s'est déroulé. Notre échantillon a fonctionné environ plusieurs milliers de fois plus vite que les appareils industriels typiques, et environ 2 400 fois plus vite que les appareils expérimentaux de dessalement à base de nanotubes de carbone."
Comme le fluor est électriquement négatif, il repousse les ions négatifs tels que le chlore présent dans le sel. Mais un avantage supplémentaire de cette négativité est qu'elle décompose également ce que l'on appelle les amas d'eau, essentiellement des groupes de molécules d'eau faiblement liés, de sorte qu'ils traversent les canaux plus rapidement. Les membranes de dessalement de l'eau à base de fluor de l'équipe sont plus efficaces, plus rapides, nécessitent moins d'énergie pour fonctionner et sont également conçues pour être très simples à utiliser, alors quel est le problème ?
"À l'heure actuelle, la façon dont nous synthétisons nos matériaux est elle-même relativement énergivore ; cependant, c'est quelque chose que nous espérons améliorer dans les recherches à venir. Et, compte tenu de la longévité des membranes et de leurs faibles coûts d'exploitation, les coûts énergétiques globaux être beaucoup plus faible qu'avec les méthodes actuelles », a déclaré Itoh. « D'autres mesures que nous souhaitons prendre sont bien sûr la mise à l'échelle. Nos échantillons de test étaient des nanocanaux uniques, mais avec l'aide d'autres spécialistes, nous espérons créer une membrane d'environ 1 mètre de diamètre dans plusieurs années. Parallèlement à ces problèmes de fabrication, nous étudions également si des membranes similaires pourraient être utilisées pour réduire le dioxyde de carbone ou d'autres déchets indésirables rejetés par l'industrie."
Les résultats sont publiés dans Science . Le dessalement de l'eau s'accélère
