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New water purification technology helps turn seawater into drinking water without tons of chemicals
TRADUCTION ET COMMENTAIRES DE DE RICHARD O. HARTMANSHENN
Une nouvelle technologie de purification de l'eau permet de transformer l'eau de mer en eau potable sans tonnes de produits chimiques
par l'Université du Michigan
Jovan Kamcev, professeur adjoint de génie chimique et de science et d'ingénierie macromoléculaires à l'U-M, place une membrane filtrante entre deux électrodes, qui mesurent la capacité de la membrane à conduire l'électricité. Cela aide son équipe à prédire dans quelle mesure elle peut purifier l'eau. Crédit : Marcin Szczepanski, Michigan Engineering.
Les usines de dessalement de l'eau pourraient remplacer les produits chimiques coûteux par de nouvelles électrodes en tissu de carbone qui éliminent le bore de l'eau de mer, une étape importante pour transformer l'eau de mer en eau potable.
Une étude décrivant la nouvelle technologie a été publiée dans Nature Water par des ingénieurs de l'Université du Michigan et de l'Université Rice.
Le bore est un composant naturel de l'eau de mer qui devient un contaminant toxique dans l'eau potable lorsqu'il se faufile à travers les filtres conventionnels pour éliminer les sels. Les niveaux de bore de l'eau de mer sont environ deux fois plus élevés que les limites les plus indulgentes de l'Organisation mondiale de la santé pour l'eau potable, et cinq à douze fois plus élevés que la tolérance de nombreuses plantes agricoles.
« La plupart des membranes d’osmose inverse n’éliminent pas beaucoup de bore, donc les usines de dessalement doivent généralement effectuer un post-traitement pour se débarrasser du bore, ce qui peut être coûteux », a déclaré Jovan Kamcev, professeur adjoint de génie chimique et de sciences et d’ingénierie macromoléculaires à l’U-M et co-auteur correspondant de l’étude. « Nous avons développé une nouvelle technologie qui est assez évolutive et qui peut éliminer le bore de manière économe en énergie par rapport à certaines des technologies conventionnelles. »
Dans l’eau de mer, le bore existe sous forme d’acide borique électriquement neutre, il passe donc à travers des membranes d’osmose inverse qui éliminent généralement le sel en repoussant les atomes et les molécules chargés électriquement appelés ions. Pour contourner ce problème, les usines de dessalement ajoutent normalement une base à leur eau traitée, ce qui provoque la charge négative de l’acide borique. Une autre étape de l’osmose inverse élimine le bore nouvellement chargé, et la base est neutralisée ensuite par l’ajout d’acide. Ces étapes de traitement supplémentaires peuvent être coûteuses.
Ce diagramme montre comment le bore est éliminé par les électrodes des chercheurs. Tout d'abord, la majorité des ions de sel sont éliminés par osmose inverse. Ensuite, l'eau s'écoule dans une cellule contenant une membrane avec des couches positives (rose) et négatives (orange). Des électrodes chargées de manière similaire font face aux couches de la membrane et, lorsqu'un courant est appliqué, les molécules d'eau à l'interface des membranes se divisent en ions hydrogène et hydroxyde. Les ions hydroxyde adhèrent au bore, ce qui le fait adhérer à l'électrode positive. Crédit : Jovan Kamcev, Kamcev Research Lab, University of Michigan, et Weiyi Pan, Elimelech Research Lab, Rice University.
"Notre dispositif réduit les besoins chimiques et énergétiques du dessalement de l'eau de mer, améliorant considérablement la durabilité environnementale et réduisant les coûts jusqu'à 15 %, soit environ 20 cents par mètre cube d'eau traitée", a déclaré Weiyi Pan, chercheur postdoctoral à l'université Rice et co-premier auteur de l'étude.
Étant donné que la capacité mondiale de dessalement s'élevait à 95 millions de mètres cubes par jour en 2019, les nouvelles membranes pourraient permettre d'économiser environ 6,9 milliards de dollars par an. Les grandes usines de dessalement, comme l'usine de dessalement Claude « Bud » Lewis Carlsbad de San Diego, pourraient économiser des millions de dollars en un an.
Ce type d'économies pourrait contribuer à faire de l'eau de mer une source d'eau potable plus accessible et à atténuer la crise croissante de l'eau. Selon un rapport de 2023 de la Commission mondiale sur l'économie de l'eau, les réserves d'eau douce devraient répondre à 40 % de la demande d'ici 2030.
Les nouvelles électrodes éliminent le bore en le piégeant dans des pores parsemés de structures contenant de l'oxygène. Ces structures se lient spécifiquement au bore tout en laissant passer d'autres ions de l'eau de mer, maximisant ainsi la quantité de bore qu'elles peuvent capturer.
Mais les structures qui captent le bore ont encore besoin que le bore ait une charge négative. Au lieu d'ajouter une base, la charge est créée en divisant l'eau entre deux électrodes, créant des ions hydrogène positifs et des ions hydroxyde négatifs. L'hydroxyde se fixe au bore, lui donnant une charge négative qui le fait adhérer aux sites de capture à l'intérieur des pores de l'électrode positive.
La capture du bore avec les électrodes permet également aux usines de traitement d'éviter de dépenser plus d'énergie sur une autre étape de l'osmose inverse. Ensuite, les ions hydrogène et hydroxyde se recombinent pour produire une eau neutre, sans bore.
"Notre étude présente une plateforme polyvalente qui exploite les changements de pH qui pourraient transformer d'autres contaminants, tels que l'arsenic, en formes facilement éliminables", a déclaré Menachem Elimelech, professeur Nancy et Clint Carlson de génie civil et environnemental et de génie chimique et biomoléculaire à l'université Rice, et co-auteur correspondant de l'étude.
« De plus, les groupes fonctionnels de l'électrode peuvent être ajustés pour se lier spécifiquement à différents contaminants, facilitant ainsi une eau économe en énergie.
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COMMENTAIRES
C est le développement industriel futur qui dira ce que vaut cette technologie d origine universitaire ....
Mais pour mes jeunes apprentis je réponds d'abord a quelques questions :
Pour un dessalement efficace de ces eaux de mer , il est essentiel en tout premier lieu
de prétraiter l'eau de mer par ultrafiltration (UF). Cette méthode de prétraitement sépare les solides microscopiques des composés solubles à l'aide d'un milieu à membranes ultrafines et sous pression.
1/Quel est le processus de dessalement de l'eau ?
Les systèmes de dessalement thermique chauffent l'eau de manière à ce qu'elle s'évapore en vapeur, laissant derrière elle des impuretés qui se condensent ensuite en un liquide destiné à la consommation humaine. Pourtant, ces changements de phase (du liquide à la vapeur, puis de nouveau au liquide) signifient que le dessalement thermique consomme plus d'énergie que les technologies à membrane modernes.
2/Quelle technologie permet de transformer l'eau de mer en eau potable ?
L'osmose inverse
Il s'agit du procédé le plus utilisé et le moins énergivore, car il repose sur l'utilisation de membranes semi-perméables qui laissent passer l'eau, mais pas le sel. Ces membranes sont fabriquées en polyamide ultra-fin, qui peut être contaminé par des bactéries et il faut donc traiter l'eau.
3/ L 'article traduit estime que les usines de dessalement de l’eau pourraient remplacer les produits chimiques coûteux par de nouvelles électrodes en tissu de carbone qui éliminent le bore de l’eau de mer, une étape importante pour transformer l’eau de mer en eau potable.
XXXXXXXXXMore information: Weiyi Pan et al, A highly selective and energy efficient approach to boron removal overcomes the Achilles heel of seawater desalination, Nature Water (2025). DOI: 10.1038/s44221-024-00362-y
Journal information: Nature Water
Provided by University of Michigan
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