Récemment, des chercheurs chinois et américains ont réalisé des progrès importants dans la recherche sur le traitement de l'eau par membrane d'osmose inverse. Ils ont développé un nouveau matériau de membrane, le matériau de membrane en polyester (DHMBA), qui a de vastes perspectives d'application dans le dessalement de l'eau de mer, l'épuration des eaux usées municipales et d'autres domaines.
Cette découverte a été récemment publiée dans la revue Science. Elle a été réalisée conjointement par le professeur Zhang Xuan de l'université des sciences et technologies de Nanjing, l'équipe de Huo Mingxin et Wang Xianze de l'école d'environnement de l'université normale du Nord-Est, et le professeur Menachem Elimelech (université Yale), académicien de l'Académie américaine d'ingénierie.
La « membrane polyester » défie la « membrane polyamide »
En tant que seule technologie capable de réaliser l'augmentation open source des ressources en eau douce à partir de la source, le dessalement de l'eau de mer est le premier choix pour résoudre le problème mondial de pénurie d'eau et une partie importante de la refonte du plan de « sécurité de l'eau » de mon pays.
À l’heure actuelle, le type de membrane de dessalement de l’eau de mer commercial le plus répandu est le film polyamide composite (TFC-PA), parmi lequel les produits de DuPont, Hydraulic Energy, Toray et d’autres sociétés aux États-Unis occupent la grande majorité des parts de marché mondiales.
Les membranes composites à couche mince d'osmose inverse sont la technologie de référence pour le dessalement et la purification de l'eau depuis près d'un demi-siècle. Les membranes composites à couche mince d'osmose inverse en polyamide (TFC-RO) sont devenues la technologie de choix pour le dessalement et la réutilisation des eaux usées en raison de leur excellente efficacité de séparation.
Ces membranes sont préparées par polymérisation interfaciale, ce qui donne une surface rugueuse susceptible d'adsorption de contaminants. Bien que les oxydants puissent réduire l'encrassement biologique, les membranes en polyamide sont facilement endommagées en présence de chlore.
Le traitement des eaux industrielles nécessite donc des étapes de prétraitement coûteuses telles que la coagulation, l'ajout d'agents antisalissures, la désinfection et la déchloration pour protéger les membranes. Bien que des membranes résistantes à l'encrassement et au chlore soient récemment apparues, leurs performances de dessalement sont inférieures à celles des membranes en polyamide.
Un cas particulier est celui d'une couche sélective de polyester formée sur un substrat PES, qui présente une bonne résistance au chlore et une bonne capacité de dessalement, mais qui est susceptible de s'hydrolyser au-dessus d'un pH de 8.0. Le développement de membranes résistantes qui peuvent éviter le prétraitement réduira considérablement les coûts de dessalement et les impacts environnementaux.
Pour résoudre ces problèmes, l'équipe de recherche du professeur Zhang Xuan à la NUST a commencé à mettre en place des innovations matérielles dans le domaine des membranes d'osmose inverse en 2014 et a mené un grand nombre de recherches fondamentales appliquées. Ils se sont également concentrés sur le système de matériaux des membranes de séparation en polyester et ont continué à réaliser des créations structurelles et des innovations technologiques.
Enfin, les chercheurs ont conçu une membrane composite d'osmose inverse en film polyester (DHMBA) présentant une forte perméabilité à l'eau, une résistance élevée au chlorure de sodium et au bore et une résistance totale au chlore. Par rapport aux membranes en polyamide, la surface ultra-lisse et à faible énergie de la membrane peut également empêcher l'encrassement et l'entartrage des minéraux.
Ces membranes offrent un moyen de réduire considérablement les étapes de prétraitement du dessalement de l’eau de mer en optimisant davantage la sélectivité eau-sel, posant ainsi un défi croissant aux membranes en polyamide.
De plus, la membrane d'osmose inverse en polyester DHMBA suit le processus de production des membranes commerciales existantes, ce qui améliore la faisabilité de la production à grande échelle, ce qui constitue une étape importante dans le développement de l'industrie de l'osmose inverse.
Quelles sont les propriétés améliorées du nouveau matériau membranaire ?
1. Performances de dessalement
Les chercheurs ont caractérisé la membrane DHMBA préparée et ont confirmé que sa surface était exempte de défauts et présentait une densité de réticulation supérieure à 92 %, indiquant la formation d'une structure polyester stable.
Les observations au microscope électronique à balayage et au microscope à force atomique ont montré que la surface de la membrane était lisse et moins rugueuse que les membranes en polyamide traditionnelles.
La sonde atomique et d'autres techniques ont également confirmé l'uniformité et l'épaisseur appropriée de la membrane. Par rapport aux membranes commerciales du marché, la membrane DHMBA a obtenu de meilleurs résultats en matière de dessalement, notamment en termes de rejet de sel et de flux d'eau.
De plus, il a obtenu de meilleurs résultats que les technologies actuelles en matière d’élimination du bore, démontrant sa capacité à maintenir des taux d’élimination élevés dans différentes conditions, ce qui peut être lié à ses caractéristiques chimiques et de charge uniques.
2. Stabilité du chlore membranaire
Les chercheurs ont également testé la stabilité au chlore des membranes DHMBA et SW30. Conformément aux études précédentes, les performances des membranes à base de polyamide SW30 se sont rapidement détériorées lorsqu'elles ont été exposées au chlore actif dans toutes les conditions de pH, en particulier dans des conditions acides en raison de la corrosion directe des espèces HOCl.
En revanche, la membrane DHMBA a montré d’excellentes propriétés antioxydantes car les substituants à des positions spécifiques de sa structure ont empêché les réactions de chloration directes.
En particulier dans des conditions acides de pH 0, la membrane DHMBA a maintenu des performances de dessalement stables, et les calculs DFT et les résultats XPS ont soutenu cette conclusion, indiquant sa résistance aux réactions de substitution aromatique.
Dans des conditions de pH neutre, la membrane DHMBA peut maintenir la stabilité dans les tests jusqu'à 2000 heures et peut résister à des concentrations extrêmement élevées d'exposition au chlore libre même à des valeurs de pH aussi élevées que 9,0, démontrant son excellente résistance aux alcalis.
3. Membrane antifouling
Les chercheurs ont comparé la capacité des membranes en polyester et des membranes SW30 à traiter les polluants inorganiques (minéraux) et organiques.
Lors de tests avec des solutions de plâtre modèles et de l'eau de mer simulée, le flux d'eau de la membrane SW30 à base de polyamide a chuté rapidement, tandis que les performances de la membrane en polyester sont restées pratiquement inchangées pendant 24 heures de fonctionnement.
Grâce à l'observation au microscope électronique à balayage, on peut voir que la surface de la membrane DHMBA reste presque dans son état initial après le test de dessalement de l'eau de mer, tandis que des cristaux ou des agrégats se forment à la surface de la membrane SW30.
De même, lors du traitement de saumures contenant des contaminants organiques simulés tels que l'alginate de sodium et l'acide humique, la membrane DHMBA a montré une réduction minimale du flux d'eau par rapport à la membrane SW30. Les images FE-SEM ont révélé une accumulation d'encrassement moindre sur la surface de la membrane DHMBA par rapport au gâteau de filtration épais et dense formé sur la surface de la membrane SW30.
Ces capacités antisalissures et anti-adhérences de la membrane DHMBA peuvent être attribuées à ses propriétés de surface ultra-lisses, à faible énergie et à faible charge.
Lors de tests réels en eau de mer et de conditions de traitement au chlore régulières, la membrane DHMBA a montré une excellente stabilité, avec seulement 2 % de réduction du flux d'eau après 15 jours, soulignant son potentiel pour des applications réelles.
