Rendre le dessalement plus respectueux de l’environnement: de nouvelles membranes pourraient aider à éliminer les déchets de saumure

Les membranes pourraient aider les usines de dessalement à minimiser ou à éliminer les déchets de saumure produits comme sous-produit de transformation de l’eau de mer en eau potable. Aujourd’hui, les déchets de saumure liquide sont stockés dans des étangs jusqu’à ce que l’eau s’évapore, laissant derrière lui un sel solide ou une saumure concentrée qui peut être traitée davantage. Mais la saumure a besoin de temps pour s’évaporer, offrant de nombreuses opportunités de contaminer les eaux souterraines.

L’espace est également un problème. Pour chaque litre d’eau potable produite à la plante de dessalement typique, 1,5 litre de saumure est produit. Plus de 37 milliards de gallons de déchets de saumure sont produits à l’échelle mondiale chaque jour, selon une étude des Nations Unies. Lorsque l’espace pour les étangs d’évaporation fait défaut, les usines de dessalement injectent la saumure sous terre ou la jettent dans l’océan. La hausse des niveaux de sel près des plantes de dessalement peut nuire aux écosystèmes marins.

« Il y a une grande poussée dans l’industrie du dessalement pour une meilleure solution », a déclaré Jovan Kamcev, professeur adjoint de génie chimique et de l’UM et l’auteur correspondant de l’étude publiée aujourd’hui dans Génie chimique de la nature. « Notre technologie pourrait aider les usines de dessalement être plus durables en réduisant les déchets tout en utilisant moins d’énergie. »

Pour éliminer les déchets de saumure, les ingénieurs de dessalement aimeraient concentrer le sel de telle sorte qu’il peut être facilement cristallisé dans les cuves industrielles plutôt que dans les étangs qui peuvent occuper plus d’une centaine d’acres. L’eau séparée pourrait être utilisée pour la consommation d’alcool ou l’agriculture, tandis que le sel solide pourrait ensuite être récolté pour des produits utiles. L’eau de mer contient non seulement du chlorure de sodium – ou du sel de table – mais des métaux précieux tels que le lithium pour les batteries, le magnésium pour les alliages légers et le potassium pour les engrais.

Les plantes de dessalement peuvent concentrer les saumures en chauffant et en évaporant l’eau, ce qui est très important d’énergie, ou avec une osmose inverse, qui ne fonctionne qu’à une salinité relativement faible. L’électrodialyse est une alternative prometteuse car elle fonctionne à des concentrations élevées de sel et nécessite relativement peu d’énergie. Le processus utilise l’électricité pour concentrer le sel, qui existe dans l’eau comme des atomes et des molécules chargés appelés ions.

Voici comment fonctionne le processus. L’eau s’écoule dans de nombreux canaux séparés par des membranes, et chaque membrane a la charge électrique opposée de ses voisins. Le ruisseau entier est flanqué d’une paire d’électrodes. Les ions de sel positifs se déplacent vers l’électrode chargée négativement et sont arrêtés par une membrane chargée positivement. Les ions négatifs se déplacent vers l’électrode positive, arrêté par une membrane négative. Cela crée deux types de canaux – l’un que les ions positifs et négatifs laissent et un autre dans lequel les ions entrent, résultant en des cours d’eau d’eau purifiée et de saumure concentrée.

Mais, l’électrodialyse a ses propres limites de salinité. À mesure que les concentrations de sel augmentent, les ions commencent à fuir à travers les membranes électrodialysées. Bien que les membranes résistantes aux fuites existent sur le marché, elles ont tendance à transporter les ions trop lentement, ce qui rend les besoins en puissance peu pratiques pour les saumures plus de six fois plus salées que l’eau de mer moyenne.

Les chercheurs ont surmonté cette limite en emballant un nombre record de molécules chargées dans la membrane, augmentant leur puissance de réparation des ions et leur conductivité – ce qui signifie qu’ils peuvent déplacer plus de sel avec moins de puissance. Avec leur chimie, les chercheurs peuvent produire des membranes dix fois plus conductrices que des membranes relativement résistantes à la fuite sur le marché aujourd’hui.

La charge dense attire généralement de nombreuses molécules d’eau, ce qui limite la quantité de charge qui peut s’adapter aux membranes électrodialysées conventionnelles. Les membranes gonflent en absorbant l’eau et la charge est diluée. Dans les nouvelles membranes, les connecteurs en carbone empêchent l’enflure en verrouillant les molécules chargées ensemble.

Le niveau de restriction peut être modifié pour contrôler la fuite et la conductivité des membranes. Permettre un certain niveau de fuite peut pousser la conductivité au-delà des membranes disponibles dans le commerce d’aujourd’hui. Les chercheurs espèrent que la personnalisation de la membrane l’aidera à décoller.

« Chaque membrane n’est pas apte à toutes les fins, mais notre étude démontre un large éventail de choix », a déclaré David Kitto, boursier postdoctoral en génie chimique et premier auteur de l’étude. « L’eau est une ressource si importante, il serait donc incroyable d’aider à faire du dessalement une solution durable à notre crise mondiale de l’eau. »

La recherche a été financée par le Département américain de l’Énergie et s’est appuyée sur des installations de rayons X financées par la NSF au Centre de sciences et d’ingénierie de la recherche de matériaux de l’Université de Pennsylvanie.

L’équipe a demandé la protection des brevets avec l’aide de partenariats UM Innovation.