Le dessalement et le recyclage des eaux

La disponibilité de l'eau potable est devenue aujourd'hui un problème mondial en raison d'une croissance continue de la demande qui n'est pas compensée par une recharge suffisante. Les Nations Unies prévoient que d'ici 2025, près des deux tiers de la population mondiale vivra dans des zones de stress hydrique important caractérisé par un déficit en eau pour la consommation, l'industrie ou l'agriculture. L'accès des populations à l’eau est donc un défi majeur pour les décennies à venir, non seulement pour les pays en développement mais aussi pour les pays industrialisés.

Illustration du transport de l’eau à travers une monocouche de nitrure de bore hexagonale nanoporeuse

 
Les seules méthodes permettant d'augmenter l'approvisionnement en eau au-delà de ce qui est possible à partir du cycle hydrologique sont le dessalement et le recyclage des eaux. Dans ce contexte, les techniques membranaires sont particulièrement attractives et s’inscrivent pleinement dans une stratégie d'intensification des procédés. A titre d’exemple, l'osmose inverse est aujourd’hui le procédé le plus utilisé à l’échelle mondiale pour le dessalement des eaux saumâtres et de l’eau de mer. Tandis, que cette technologie a prouvé son efficacité en terme de rétention d’ions, elle reste néanmoins relativement couteuse étant donnée la faible perméabilité de l’eau aux travers des membranes actuelles.
 
Récemment il a été montré que  l’utilisation de graphène nanoporeux permettait d’améliorer la perméabilité de l’eau réduisant ainsi le cout énergétique d’une de dessalement [1]. Bien que de nombreux travaux aient été consacrés au « design moléculaire » de ces membranes afin d’accroitre la perméabilité de l’eau et la rétention des ions, les phénomènes physiques impliqués dans les mécanismes de transport de l’eau et des ions à travers ces membranes graphitiques sont encore mal compris. 
 
En utilisant la simulation moléculaire, une équipe de physiciens et de chimistes a montré, pour la première fois, que des membranes de nitrure de bore hexagonale (h-BN) présentaient une perméabilité plus importante que les membranes à base de graphène [2]. Cette différence de perméation de l’eau a été expliquée par la mise en évidence  d’un gradient de tension de surface près de la surface de nitrure de bore (Figure 1) entrainant un écoulement plus rapide. Par ailleurs, en alignant en série plusieurs monocouches de nitrure de bore ils ont mis en évidence une tension de surface locale négative entrainant un mouillage à longue portée à l’origine de la dégradation des propriétés de transport de l’eau.  Ces résultats montrent que les monocouches de nitrure de bore sont des candidats potentiels pour le dessalement de l’eau de mer et que la perméabilité de l’eau peut être contrôlée  en modifiant  la chimie de surface du nanopore.

[1] D. Cohen-Tanugi and J.C. Grossman, Water desalination across Nanoporous Graphene, Nanoletters, 2012, 12, 3602.
[2] L. Garnier,  A. Szymczyk, P. Malfreyt and A. Ghoufi, Physics behind Water Transport through Nanoporous Boron Nitride and Graphene, J. Phys. Chem. Letters, 2016, 7, 3371.