La disponibilité de l’eau douce est en baisse dans de nombreuses parties du monde, un problème qui devrait croître avec les populations. Une source prometteuse d’approvisionnement en eau potable et pratiquement illimitée dans le monde est l’eau de mer, mais la technologie de dessalement a été jusqu’ici trop cher pour une utilisation généralisée.
Des chercheurs du MIT ont mis au point une nouvelle approche en utilisant un autre type de matériau de filtration : des feuilles de graphène. Il s’agit d’une couche d’un atome d’épaisseur de l’élément carbone, qui, disent-ils, peut être beaucoup plus efficace et peut-être moins cher que les systèmes de dessalement existants.
« Il n’y a pas beaucoup de gens qui travaillent sur le dessalement d’un point de vue matériaux », explique Jeffrey Grossman, professeur agrégé Carl Richard Soderberg en Génie électrique dans le Département du MIT de Science et Génie des Matériaux, qui est l’auteur principal d’un article décrivant le nouveau processus dans la revue Nano Letters.
Grossman et l’étudiant diplômé David Cohen-Tanugi, à la tête de l’étude qui vise à ‘contrôler les propriétés de la matière jusqu’au niveau atomique’, ont produit une feuille de graphène perforée de trous d’une taille très précise. Ils ont également ajouté d’autres éléments à la matière, qui font en sorte que les bords de ces ouvertures minuscules interagissent chimiquement avec les molécules d’eau – soit en les repoussant, soit en les attirant.
« Nous avons été très agréablement surpris par la performance du graphène par rapport aux systèmes conçus par simulations informatiques », a dit Grossman.
Une méthode courante de dessalement, appelée l’osmose inversée, utilise des membranes pour filtrer le sel de l’eau. « Mais ces systèmes nécessitent une très haute pression – et, par conséquent, une forte consommation d’énergie – pour forcer le passage de l’eau à travers les membranes épaisses, qui le sont environ mille fois plus que le graphène. Le nouveau système de graphène fonctionne à une pression beaucoup plus faible, et pourrait donc purifier l’eau à un coût beaucoup moins élevé », ont souligné les chercheurs.
Alors que l’osmose inversée a été utilisée pendant des décennies, « les mécanismes de base de la séparation de sel de l’eau ne sont pas réellement bien compris, ils sont très complexes », a dit Cohen-Tanugi, ajoutant qu’il « est très difficile de faire des expériences à l’échelle des molécules individuelles et des ions. Mais le nouveau système basé sur le graphène fonctionne des centaines de fois plus rapidement que les techniques actuelles, avec la même pression » – ou, alternativement, le système pourrait fonctionner à des taux similaires aux systèmes actuels, mais avec moins de pression.
La clé de ce nouveau processus est un contrôle très précis de la taille des trous dans la feuille de graphène. « Il y a un juste équilibre entre les pores, mais il est très restreint », a souligné Grossman. De sorte que « le sel pourrait passer à travers mais les petites molécules d’eau seraient bloquées. La taille idéale est à peu près un nanomètre, soit un milliardième de mètre. Si les trous sont juste un peu plus petits – 0,7 nanomètre par exemple – l’eau ne s’écoule pas du tout ».
« D’autres groupes de recherche ont travaillé pour créer des pores dans le graphène », a dit Cohen-Tanugi, « mais à des tailles très différentes et à des fins très différentes. Par exemple, faire des trous beaucoup plus grands pour filtrer les grosses molécules comme l’ADN, ou séparer différents types de gaz. Les méthodes utilisées pour ces processus ne sont pas assez précises pour faire des trous minuscules nécessaires pour le dessalement, mais des techniques plus avancées, telles que le bombardement d’ions d’hélium pour faire des trous précis dans les systèmes de graphène, la gravure chimique ou l’auto-assemblage, peuvent être appropriées ».
Pour l’instant, Grossman et Cohen-Tanugi ont fait des simulations informatiques du processus afin de déterminer ses caractéristiques optimales. « Nous allons commencer à travailler sur des prototypes de cet été », a exprimé Grossman.
Parce que le graphène est l’objet de recherches dans de nombreuses applications différentes, il y a eu beaucoup de travail pour trouver des façons de faire à peu de frais et en grande quantité. Et pour le dessalement, parce que le graphène est un tel matériau solide – atome par atome, c’est le matériau le plus résistant connu – les membranes doivent être plus durables que celles utilisées actuellement pour l’osmose inversée.
En outre, le matériel nécessaire pour le dessalement n’a pas besoin d’être aussi pure que pour des utilisations électroniques ou optiques. D’après Grossman, « Quelques défauts n’ont pas d’importance, aussi longtemps que ce n’est pas ouvert » au risque que le sel puisse passer à travers.
Joshua Schrier, professeur adjoint de chimie à Haverford College, a dit : « les simulations précédentes avaient étudié la circulation de l’eau à travers de très petits trous dans le graphène, et la conception de pores qui permettent le passage d’ions sélectionnés, mais – en dépit de la pertinence sociale et de l’ingénierie de dessalement – personne n’avait songé à examiner l’intersection de ces deux domaines. Le travail réalisé par l’équipe du MIT pourrait ouvrir une toute nouvelle approche pour le dessalement ».
Schrier a ajouté que « la fabrication très précises des structures de pores que l’on retrouve dans le présent document sera difficile à mettre en œuvre à grande échelle avec les méthodes existantes ». Cependant, complète-t-il, « les prévisions sont assez excitante pour qu’elles puissent motiver les ingénieurs chimistes d’effectuer des analyses économiques plus détaillées de dessalement de l’eau … avec ces types de matériaux ».
Les travaux ont été financés par le MIT Energy Initiative et la bourse John S. Hennessy, et ont utilisé les ressources informatiques du Centre de Recherche Énergétiques, Informatique et Scientifique National.
Citations du MIT
Crédit image À-la-Une : © David Cohen-Tanugi – Lorsque les molécules d’eau (en rouge et blanc) et les ions de sodium et de chlore (vert et violet) dans l’eau salée, sur la droite, rencontrent une feuille de graphène (bleu pâle, au centre) percée de trous de la bonne taille, l’eau passe à travers (à gauche), mais le sodium et le chlore du sel sont bloqués.
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