Pour une désalinisation de l’eau de mer plus efficace, une nouvelle étude a vu des ingénieurs en mécanique se concentrer sur le mouvement des fluides plutôt que sur de nouveaux matériaux.
Ils ont ajouté des micro-canaux à l’intérieur des électrodes similaires à des batteries, constituées de bleu de Prusse – un pigment bleu intense souvent utilisé en art avec des propriétés chimiques spécifiques. Ces chercheurs ont ainsi augmenté l’ampleur de la désalinisation de l’eau de mer, atteignant des niveaux de salinité inférieurs à ceux de l’eau douce.
Les chercheurs ont utilisé un analogue chimique du bleu de Prusse.
Les résultats s’orientent vers des applications en désalinisation, conversion et stockage d’énergie, capture et conversion du CO2, remédiation environnementale, et récupération de ressources et nutriments.
“Auparavant, nous avions prédit que la désalinisation pouvait être réalisée avec cette méthode, mais personne n’avait validé la désalinisation au niveau de la mer en laboratoire“, a déclaré le Pr. Kyle Smith de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign (USA). “Entre-temps, nous avons découvert que la configuration du système compte tout autant que le type de matériau utilisé dans les électrodes.“
Le matériau analogue au bleu de Prusse fonctionne en capturant les ions positifs comme le sodium dans la structure cristalline du pigment. Cependant, il peut se transformer en une sorte de structure piège, où les ions entrent facilement mais se retrouvent piégés dans un dédale de pores moléculaires à l’échelle microscopique à l’intérieur de l’électrode.
L’équipe a découvert qu’elle devait utiliser un appareil spécialisé pour effectuer un commutation complexe de valves et une synchronisation de courant à l’intérieur de la cellule de flux pour maintenir la désalinisation en continu, sans quoi l’efficacité du système est compromise.
En gravant de multiples canaux de 100 micromètres de large – environ la largeur d’un cheveu humain – sur l’électrode de 5 centimètres, les chercheurs ont pu fournir aux fluides un passage clair sans perdre la capacité d’extraire les ions de sel de l’eau.
L’installation utilisée pour cette étude peut désaliniser l’eau de mer préparée en laboratoire à un rythme de quelques millilitres par heure. La prochaine étape de l’équipe est donc de passer à une échelle supérieure.
“L’objectif de la subvention de la Navy qui a financé cette étude est de désaliniser deux à quatre gallons par heure (soit 9 à 18 litres par heure) – en utilisant du diesel comme source d’énergie – pour fournir un dispositif portable d’approvisionnement en eau aux troupes militaires en petites unités expéditionnaires“, a précisé le Pr. Kyle Smith.
Et d’ajouter : “Bien sûr, notre groupe est intéressé par des applications beaucoup plus larges pour ces dispositifs similaires à des batteries, mais il sera essentiel de passer à une échelle supérieure pour y arriver.“
“Un aspect remarquable de cette étude est l’avantage de l’ingénierie mécanique que nous apportons“, a commenté de son côté l’étudiant diplômé Vu Do. “Dans la communauté de recherche, l’accent est souvent mis sur les matériaux et leur chimie. Mais nous avons montré que la mécanique des fluides du système a beaucoup d’importance pour tirer le meilleur parti d’un excellent matériau lorsqu’il est intégré de manière appropriée.”
L’étude dirigée par Kyle Smith, professeur en mécanique et sciences à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, et l’étudiant diplômé Vu Do a été publiée dans la revue Energy and Environmental Science.
L’article “Embedded, micro-interdigitated flow fields in high area-loading intercalation electrodes towards seawater desalination and beyond” est disponible en ligne. DOI : 10.1039/D3EE01302B
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