Membrane hautement fonctionnelle pour la production d’eau douce à partir d’eau de mer


Membrane hautement fonctionnelle pour la production d'eau douce à partir d'eau de mer

Schéma de la membrane. La perméation de l’eau est induite par les nanocanaux. Il est difficile les ions de pénétrer dans les nanocanaux de sorte qu’ils ne puissent pas facilement pénétrer dans la membrane. Crédit photo: Université de Kobe

Le groupe de recherche du professeur Matsuyama Hideto au Centre de recherche sur la des membranes et des films de l’Université de Kobe a développé avec succès une nouvelle membrane de dessalement. Ils y sont parvenus en stratifiant un matériau de carbone bidimensionnel sur la surface d’une membrane polymère poreuse.

Les membranes de dessalement sont utilisées pour fabriquer de l’eau douce à partir de l’eau de mer. Pour résoudre le problème mondial de l’insuffisance des ressources en eau douce, les chercheurs s’efforcent de développer des membranes de dessalement qui non seulement imprègnent l’eau plus rapidement que celles actuellement utilisées, mais éliminent également efficacement le sel afin de mettre en œuvre des systèmes de dessalement plus efficaces et à faible consommation d’énergie.

Dans cette étude de recherche, des nanofeuillets d’oxyde de graphène, sorte de nanomatériau bidimensionnel, ont été empilés sur la surface d’une membrane poreuse après un traitement de réduction chimique, qui a permis de développer une couche de membrane de dessalement d’environ 50 nanomètres (nm) (un nanomètre équivaut à 1/20 000e de millimètre) . La membrane développée a le potentiel d’effectuer un dessalement très efficace car les espaces entre ses nanofeuillets et la charge sur les surfaces des nanofeuilles peuvent être contrôlés. On espère que cette recherche contribuera à l’application et à la mise en œuvre de membranes de dessalement futuristes.

Cette recherche a été publiée dans Journal de chimie des matériaux A. le 18 novembre 2020.

points principaux

  • Les chercheurs ont développé avec succès une nouvelle membrane de dessalement avec des nanofeuillets bidimensionnels.
  • Le traitement de réduction chimique des nanofeuillets d’oxyde de graphène a amélioré l’empilement π-π entre les nanofeuilles.
  • L’empilement π-π a amélioré la stabilité de la membrane stratifiée avec une nanofeuille et a permis de manipuler l’intervalle entre les couches entre chaque nanofeuille.
  • Des molécules planaires à de porphyrine avec des groupes chargés et un système π conjugué ont été insérées entre les nanofeuilles. Cela a créé une répulsion électrostatique entre l’oxyde de graphène et la charge négative de la jonction plane, ce qui a permis aux chercheurs de contrôler le mouvement des anions dans les nanocanaux.
  • La membrane laminée en nanofeuille développée grâce à cette recherche a pu rejeter la perméation du chlorure de sodium (NaCl) à 95%. Ces résultats de recherche peuvent contribuer à la création de nouvelles technologies de membranes hautes performances pour le dessalement à l’avenir.

Fond de recherche

97,5% de l’eau sur terre est de l’eau de mer et seulement 2,5% est de l’eau douce. À l’intérieur de ce pourcentage, seulement 0,01% des ressources en eau douce peuvent facilement être traitées pour être utilisées par l’humanité. Cependant, la population humaine continue de croître chaque année. En conséquence, il a été prédit que dans quelques années, les deux tiers de la population mondiale n’auront pas un accès adéquat à l’eau douce. Une pénurie mondiale d’eau est l’un des plus grands problèmes auxquels l’humanité est confrontée. Par conséquent, les technologies qui préservent les ressources nécessaires en convertissant l’abondante eau de mer de la terre en eau douce sont d’une importance capitale.

Des méthodes d’évaporation ont été utilisées pour convertir l’eau de mer en eau douce, mais elles nécessitent de grandes quantités d’énergie pour évaporer l’eau de mer et éliminer le sel (dessalement). D’autre part, les procédés de séparation par membrane offrent une alternative à faible énergie; Ils permettent la création d’eau douce en filtrant l’eau de la mer et en éliminant le sel. Des méthodes de d’eau douce à partir d’eau de mer à l’aide de membranes ont été mises en œuvre, mais avec les membranes de dessalement développées précédemment, il y a toujours un compromis entre la vitesse de perméation et la capacité de dessalement. Par conséquent, il est important de développer une membrane de dessalement révolutionnaire fabriquée à partir de nouveaux matériaux pour résoudre ce compromis et permettre le dessalement de l’eau de mer avec un taux d’efficacité plus élevé.

Membrane hautement fonctionnelle pour la production d'eau douce à partir d'eau de mer

Micrographie électronique à balayage de la membrane stratifiée nanofeuille développée grâce à cette recherche. Crédit photo: Membrane Engineering Group, Kobe University

Méthodologie de recherche

Cette équipe de recherche a développé une membrane de dessalement hautement fonctionnelle en stratifiant la membrane avec un matériau de carbone bidimensionnel d’environ l’épaisseur d’un atome de carbone. Ces matériaux de carbone 2-D étaient des nanofeuilles d’oxyde de graphène qui ont été chimiquement réduites pour créer une interaction π-π améliorée.

En appliquant des revêtements en nanofeuille avec intercalation de molécules planes à base de porphyrine (avec des groupes chargés et un système π conjugué) à la surface d’une membrane poreuse, le groupe de recherche a pu construire une couche de membrane de dessalement ultra-mince d’une épaisseur d’environ 50 nm.

Cette couche présentait une fonctionnalité de blocage d’ions élevée car la taille des nanocanaux (les espaces entre chaque nanofeuille) pouvait être contrôlée à moins de 1 nm. De plus, les espaces entre les nanocanaux dans la membrane stratifiée nanofeuille ont montré une stabilité à l’eau continue en raison du fort empilement π-π entre les couches, suggérant qu’il pourrait être utilisé pendant une longue période de temps. De plus, il n’y a pas eu de perte de fonctionnalité de dessalement même à une pression de 20 bars.

Les chercheurs ont montré que le transfert d’ions au sein de la membrane stratifiée nanofeuille développée était efficacement supprimé par répulsion électrostatique sur la surface de la nanoparticule. Cette répulsion électrostatique était très efficace lorsque la largeur des nanocanaux était contrôlée de manière appropriée. Pour le matériau en feuille nanométrique utilisé dans cette étude, la largeur des nanocanaux pourrait être limitée en contrôlant le processus de réduction chimique et le rapport d’intercalation des molécules planaires à base de porphyrine.

Le NaCl est le composant principal des ions d’eau de mer et il est particulièrement difficile de l’empêcher de pénétrer dans la membrane. Cependant, une membrane stratifiée avec une feuille nanométrique fabriquée dans des conditions optimales était capable de bloquer environ 95% de NaCl.

Développements ultérieurs

La membrane stratifiée nanofeuille 2-D développée grâce à cette recherche a été réalisée en régulant la réduction de la couche de graphène oxydé et le rapport d’intercalation des molécules planes, qui à son tour pourrait contrôler à la fois l’ intercouche entre les nanofeuillets et l’effet de répulsion électrostatique. En plus des membranes de dessalement, cette technique peut également être utilisée pour développer diverses membranes de séparation d’électrolytes.

Les technologies de dessalement à faible consommation d’énergie avec membranes de séparation sont essentielles pour réduire les pénuries d’eau. On espère que cette technologie aidera à résoudre le problème de la déshydratation des ressources mondiales en eau. Ensuite, l’équipe de recherche tentera d’améliorer encore la fonctionnalité élevée de la membrane développée afin qu’elle puisse être mise en œuvre.


Un revêtement ciblé améliore les membranes d’oxyde de graphène pour la nanofiltration


Plus d’information:
Kecheng Guan et al., Nanochannel-Bounded Charge Repulsion of Ions in a Reduced Graphene Oxide Membrane, Journal de chimie des matériaux A. (2020). DOI: 10.1039 / D0TA08881A

Fourni par l’Université de Kobe

Citation: Membrane hautement fonctionnelle pour générer de l’eau douce à partir de l’eau de mer (2021, 22 janvier), consulté le 22 janvier 2021 sur https://phys.org/news/2021-01-highly-functional-membrane-freshwater-seawater.html

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