Vers un nouveau nanomatériau pour dessaler l'eau de mer
Publié par Redbran le 08/11/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Des simulations numériques ont montré que le nitrure de bore hexagonal constitue un matériau nanoporeux très efficace pour le dessalement de l'eau de mer à moindre coût. Ce résultat a débouché sur la réalisation de membranes en cours de test.


Principe de la désalinisation de l'eau de mer à travers une membrane de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) nanoporeuse © IPR (CNRS/Univ. Rennes 1)

De nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...), le dessalement (Le dessalement de l'eau (également appelé dessalage ou désalinisation) est un processus qui permet d'obtenir de l'eau douce, (potable ou, plus...) est devenu une solution tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait abordable pour faire face au manque d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) douce dans de nombreuses régions du globe. Le cœur du procédé de dessalement est basé sur la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) d'Osmose Inverse (L’osmose inverse est un système de purification de l'eau contenant des matières en solution par un système de filtrage très fin qui ne laisse...) (OI). Bien qu'elle ait prouvé son efficacité, elle reste relativement coûteuse car il faut injecter l'eau à de très fortes pressions pour compenser la faible perméabilité des membranes très denses de polymères d'OI.

De nombreux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) ont été développés afin de contourner ce problème, comme les nanotubes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) ou les membranes nanoporeuses de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.). Mais si les matériaux bidimensionnels (2D) comme le graphène ou le disulfure de molybdène sont très étudiés pour ces applications, le nitrure de bore hexagonal (hBN), qui présente une tenue mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...) supérieure à celle du graphène (condition indispensable dans les procédés d'OI), n'a jamais été considéré comme membrane potentielle.

C'est désormais chose faite. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) de Rennes (ISCR, CNRS/Univ. Rennes 1/INSA Rennes/ENSC Rennes), en collaboration avec l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Sherbrooke au Canada, ont utilisé des simulations de type dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour la compréhension de résultats expérimentaux.) afin de démontrer que les membranes de nitrure de bore nanoporeuses permettaient une augmentation drastique de la perméabilité. Elles surpassent de plusieurs ordres de grandeur celle des membranes actuelles. Et leur capacité à retenir les ions avoisine les 100 %. Les chercheurs ont également montré que la membrane possédant la plus petite taille de pore (8 Angström (Un ångström ou angström (symbole Å) est une unité de mesure en physique atomique qui n'appartient pas au système international (SI). Il est...) de diamètre) présentait les propriétés de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions...) les plus intéressantes. En effet, les molécules d'eau se disposent dans ce cas en "file indienne" et passent ainsi plus facilement l'ouverture que si elles se présentaient de façon désordonnée. Quant à l'excellente rétention des ions, elle vient du fait que leur passage à travers la membrane nécessiterait qu'ils soient déshydratés auparavant. Or, ce processus a un coût énergétique élevé, le système privilégie donc plutôt le blocage des ions d'un côté de la membrane, plus économe que la déshydratation (La déshydratation est la perte ou l'élimination de l'eau d'un corps. Cette dernière peut être partielle ou totale. Toutefois le terme de dessiccation est plus utilisé pour parler de déshydratation...).

Ces conclusions issues de simulations numériques ont ouvert la voie à une démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment...) de faisabilité. Une membrane en nitrure de bore a d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs mixte en région wallonne (intercommunales...) et déjà été élaborée et est en cours de test. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) de ces résultats permet d'envisager de nouvelles applications dans les technologies de dessalement et de nanofiltration (La nanofiltration, tout comme l'osmose inverse, l'ultrafiltration et la microfiltration est un procédé de séparation effectué par l'application d'une pression qui en est la force motrice.) en général.

Référence publication:
High water flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...) with lons Sieving in a desalination 2D sub-nanoporous boron nitride material
X. Davoy, A. Gellé, J.-C. Lebreton, H. Tabuteau, A. Soldera, A. Szymczyk et A. Ghoufi
ACS Omega, 3 (6), pp 6305–6310, (2018)
DOI: 10.1021/acsomega.8b01076

Contact chercheur:
Aziz Ghoufi, maître de conférences à l'Université Rennes 1 et chercheur à l'IPR

Informations complémentaires:
- Institut de physique de Rennes (IPR, CNRS/Univ. Rennes 1)
- Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR, CNRS/Univ. Rennes 1/INSA Rennes/ENSC Rennes)
- Département de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) de l'Université de Sherbrooke (Canada)
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