Technologie de membrane révolutionnaire : purification des eaux usées et efficacité énergétique accrues

• Un nouveau type de membrane nécessite une pression bien inférieure aux membranes standard pour filtrer les particules en suspension de l'eau.
• Elle dure 3 fois plus longtemps et économise deux fois plus d'énergie que les membranes conventionnelles.

Les techniques de purification de l'eau diminuent la concentration de certaines matières comme les bactéries, champignons, virus, algues, parasites et particules en suspension. Il existe plusieurs procédés physiques, biologiques et chimiques, et au cours des dernières décennies, nous avons utilisé des rayonnements électromagnétiques comme la lumière UV pour purifier l'eau.

Le processus de filtration et de traitement de l'eau – pour la boisson et les applications chimiques et industrielles – représente près de 13 % de la consommation totale d'électricité aux États-Unis, ce qui libère 290 millions de tonnes métriques de dioxyde de carbone dans l'atmosphère chaque année. Pour mettre cela en perspective, c'est l'équivalent du poids combiné de tous les humains dans le monde.

Pour purifier l'eau, on la fait généralement passer à travers une membrane à minuscules pores. La taille de ces pores est suffisamment petite pour filtrer les impuretés ou particules plus grosses que les molécules d'eau. Comme ces membranes ont tendance à « s'user et se déchirer » en raison du colmatage, elles nécessitent des tensions plus élevées pour pousser les molécules d'eau, et les membranes colmatées doivent souvent être remplacées, augmentant le coût du traitement de l'eau.

Maintenant, des chercheurs de l'Université Harvard ont développé un nouveau type de membrane qui nécessite une pression bien inférieure aux membranes traditionnelles pour filtrer les particules en suspension de l'eau. Ils l'appellent membranes à grilles liquides (LGMs). Elle est deux fois plus efficace (en termes de consommation d'énergie) et dure trois fois plus longtemps que les membranes existantes.

Les LGMs peuvent être utilisées dans une large gamme de paramètres de traitement de l'eau, réduisant la consommation d'électricité et le coût des grands processus industriels, y compris le forage de gaz et de pétrole.

Comment ça marche ?

Chaque membrane à grille liquide est revêtue d'un liquide spécial qui remplit et scelle les pores dans une phase « fermée », servant de porte réversible. Lorsque vous appliquez la pression (pour filtrer l'eau), le liquide dans les pores de la membrane est entraîné vers les extrémités, formant des pores ouverts, qui peuvent être configurés pour laisser passer certains gaz ou liquides.

Référence : AIP | doi:10.1063/1.5047480 | Université Harvard

Cela empêche « l'usure » des membranes grâce à la surface glissante du liquide. Et comme les LGMs sont capables de séparer la ou les substances cibles de différents mélanges liquides, elles pourraient être utilisées dans le traitement industriel des liquides.

Pression transmembranaire (TMP) pour membrane standard et à grille | Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Pour créer une LGM, les chercheurs ont imprégné de minuscules disques (25 millimètres) d'une membrane filtrante conventionnelle avec un lubrifiant liquide spécial, le perfluoropolyéther, utilisé dans l'industrie aéronautique depuis plus de 3 décennies.

Tests et applications

Les chercheurs ont mélangé de l'argile bentonite dans de l'eau et l'ont fait passer à travers les pores des LGMs en appliquant une pression appropriée. Ensuite, ils ont comparé les résultats avec des membranes conventionnelles.

Les membranes à grilles liquides ont montré des signes d'usure bien plus tard que les conventionnelles : elles ont filtré l'eau efficacement 3 fois plus longtemps que les membranes non traitées avant d'avoir besoin d'un processus pour enlever manuellement les substances accumulées sur la membrane. De plus, elles avaient 60 % moins de nanargile accumulée sur leur membrane pendant la filtration.

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Pour initier la filtration, les LGMs nécessitent 16 % de pression en moins, économisant ainsi plus d'énergie. Cela pourrait augmenter le taux de filtration des mécanismes de traitement de l'eau utilisés dans diverses industries, y compris le textile, la pétrochimie, la fabrication biopharmaceutique et l'agroalimentaire.