Faciliter l'accès à l'eau potable en réduisant les coûts du dessalement

Les membranes utilisées dans les usines de dessalement pour séparer le sel de l'eau n'autorisent qu'un débit assez faible, ce qui contribue au coût élevé du processus. Grâce à la simulation moléculaire, des scientifiques rennais et clermontois ont montré que les monocouches de nitrure de bore pouvaient améliorer les performances de ces membranes, la perméabilité du matériau étant contrôlée en modifiant la chimie de surface du nanopore. Publication dans The Journal of Physical Chemistry.

Faciliter l'accès à l'eau potable en réduisant les coûts du dessalement
  1. Un enjeu planétaire
  2. Seuls recours : le dessalement et le recyclage de l'eau
  3. Premiers travaux
  4. Découverte et perspectives
  5. Référence

Un enjeu planétaire

La disponibilité de l'eau potable est devenue aujourd'hui un problème mondial, en raison d'une croissance continue de la demande qui n'est pas compensée par une recharge suffisante. Les Nations Unies prévoient que d'ici 2025, près des deux tiers de la population mondiale vivra dans des zones de stress hydrique important caractérisé par un déficit en eau pour la consommation, l'industrie ou encore l'agriculture. L'accès des populations à l’eau est donc un défi majeur pour les décennies à venir, pour les pays en développement comme pour les pays industrialisés.

Seuls recours : le dessalement et le recyclage de l'eau

Les seules méthodes permettant d'augmenter l'approvisionnement en eau au-delà des possibilités naturelles du cycle hydrologique sont le dessalement et le recyclage des eaux. Dans ce contexte, les techniques membranaires sont particulièrement attractives et s’inscrivent pleinement dans une stratégie d'intensification des procédés. Ainsi, l'osmose inverse est aujourd’hui le procédé le plus utilisé à l’échelle mondiale pour le dessalement des eaux saumâtres et de l’eau de mer. Cette technologie a prouvé son efficacité en terme de rétention d’ions, mais elle reste coûteuse. En cause : la faible perméabilité de l’eau aux travers des membranes actuelles.

Premiers travaux

Récemment il a été montré que l’utilisation de graphène nanoporeux permettait d’améliorer la perméabilité de l’eau, réduisant ainsi le coût énergétique d’une usine de dessalement. Bien que de nombreux travaux aient été consacrés au « design moléculaire » de ces membranes afin d’accroître la perméabilité de l’eau et la rétention des ions, les phénomènes physiques impliqués dans les mécanismes de transport de l’eau et des ions à travers ces membranes graphitiques sont encore mal compris.

Découverte et perspectives

En utilisant la simulation moléculaire, une équipe de physiciens de l'IPR et de chimistes de l'ISCR, associée à un collègue clermontois de l'ICCF a montré, pour la première fois, que des membranes de nitrure de bore hexagonal (h-BN) présentaient une perméabilité plus importante que les membranes à base de graphène.

Cette différence de perméation de l’eau a été expliquée par la mise en évidence d’un gradient de tension de surface près de la surface de nitrure de bore, entraînant un écoulement plus rapide.

Par ailleurs, en alignant en série plusieurs monocouches de nitrure de bore, les scientifiques ont mis en évidence une tension de surface locale négative. Il en résulte un mouillage à longue portée, à l’origine de la dégradation des propriétés de transport de l’eau.

Ces résultats montrent que les monocouches de nitrure de bore sont des candidats potentiels pour le dessalement de l’eau de mer et que la perméabilité de l’eau peut être contrôlée en modifiant la chimie de surface du nanopore.

Transport de l’eau à travers une monocouche de nitrure de bore hexagonale nanoporeuse (au centre). Comparaison des profils de tension de surface pour le graphène et le nitrure de bore hexagonal. Crédit : L. Garnier, A. Ghoufi et al.

Référence

Physics behind Water Transport through Nanoporous Boron Nitride and Graphene
Ludovic Garnier, Anthony Szymczyk, Patrice Malfreyt, and Aziz Ghoufi
J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, pp 3371–3376
DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b01365
Date de publication (Web) : 9 août 2016