La lumière UV est prometteuse pour un dessalement économe en énergie

Une équipe de chercheurs de l’université de Californie à Riverside (UCR) a fait une découverte qui pourrait constituer une avancée majeure dans le domaine du dessalement solaire et réduire le recours à des traitements de l’eau salée très énergivores.

Dirigée par Luat Vuong, professeur agrégé de génie mécanique au Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering de l’UCR, l’équipe a démontré pour la première fois comment les fréquences les plus élevées de la lumière solaire, en particulier les rayons ultraviolets (UV) invisibles, peuvent rompre les liaisons tenaces entre le sel et l’eau.

« À notre connaissance, personne d’autre n’a encore mis en évidence ce canal UV profond pour la séparation de l’eau salée », a déclaré M. Vuong. « La lumière UV dans la gamme de longueurs d’onde de 300 à 400 nanomètres est utilisée pour la désinfection, mais ce canal UV profond d’environ 200 nanomètres est peu connu. Nous sommes peut-être les premiers à réfléchir réellement à la manière dont on peut l’exploiter pour le dessalement. »

Bien qu’il reste encore beaucoup de travail à accomplir avant de parvenir à des applications pratiques, cette découverte ouvre clairement la voie à de nouvelles recherches et innovations.

L’étude menée par Mme Vuong et ses collègues détaille la manière dont l’équipe a fabriqué une mèche en nitrure d’aluminium, une céramique dure et blanche, afin de séparer le sel de l’eau en exploitant des longueurs d’onde spécifiques qui interagissent avec l’eau salée sans chauffer le liquide en vrac. Contrairement aux méthodes traditionnelles de dessalement solaire, qui reposent sur des matériaux sombres pour absorber la chaleur et faire bouillir l’eau, l’approche de Vuong pourrait permettre de contourner complètement les processus thermiques.

Les expériences ont consisté à placer des paires de mèches en céramique dans une chambre fermée, chacune pouvant s’équilibrer ou s’adapter à des conditions environnementales similaires. Sous la lumière UV, les taux d’évaporation de l’eau salée ont augmenté de manière significative par rapport aux échantillons témoins conservés dans l’obscurité ou exposés à la lumière rouge, jaune ou infrarouge.

« Le nitrure d’aluminium est bien adapté à l’émission de lumière UV en raison de sa structure cristalline », a expliqué M. Vuong.

Ce matériau pourrait déclencher un processus appelé « conversion ascendante des photons », dans lequel des photons à faible énergie se combinent en un seul photon à haute énergie. Ce photon converti à la hausse délivre une puissance plus importante, potentiellement suffisante pour rompre les liaisons de l’eau salée. Si ce processus de conversion ascendante se produit sans générer de chaleur excessive, ce qui reste à déterminer, cette approche pourrait offrir une alternative non photothermique aux systèmes traditionnels de dessalement solaire qui font bouillir ou chauffent l’eau salée pour produire de la vapeur, qui se condense ensuite en eau douce.

De tels systèmes solaires pourraient également réduire les besoins élevés en électricité des systèmes d’osmose inverse, qui utilisent des pompes à haute pression pour forcer l’eau salée à travers des membranes. Le système pourrait également traiter les déchets concentrés de saumure d’osmose inverse, qui sont toxiques pour la vie marine lorsqu’ils sont rejetés dans les cours d’eau.

D’autres applications potentielles de l’approche par mèche pourraient concerner d’autres processus de gestion des déchets, la récolte de minéraux dans des environnements extrêmes ou le remplacement des refroidisseurs « à marais » par des systèmes d’évaporation d’eau salée.

Toutefois, M. Vuong a souligné que des recherches supplémentaires sont nécessaires avant que les systèmes de dessalement solaire à base de nitrure d’aluminium puissent être conçus pour une utilisation à grande échelle.

« D’autres matériaux peuvent être conçus pour être tout aussi efficaces, mais le nitrure d’aluminium est pratique. Il est peu coûteux, largement disponible, non toxique, très hydrophile et durable », a conclu M. Vuong.

Article : « Spectrum Selective Interfaces and Materials toward Nonphotothermal Saltwater Evaporation: Demonstration with a White Ceramic Wick » – DOI : 10.1021/acsami.5c12331

Source : UC Riverside