Nouvelle méthode de filtration de l'eau conçue

C'est une expression populaire utilisée pour décrire des personnes, des choses et des idées qui ne se mélangent tout simplement pas – ‘comme l'huile et l'eau’. Sauf que ce n'est pas tout à fait vrai. L'huile et l'eau peuvent se mélanger et peuvent être très difficiles à séparer complètement lorsqu'elles sont réunies. Pensez aux déversements d'hydrocarbures dans l'environnement ou au traitement des eaux usées, et vous réalisez rapidement que la séparation des huiles indésirables pour restaurer l'eau à un état naturel ou pur peut être une tâche monumentale.

Dans un article de recherche publié le 22 mars, Journée mondiale de l'eau désignée par les Nations Unies, des ingénieurs et des physiciens de Tufts décrivent comment ils ont conçu une membrane à faible coût capable de filtrer rapidement l'huile de l'eau et des mélanges d'huile sans que la membrane ne soit encrassée.

Les progrès de la science des matériaux pourraient changer la donne dans la lutte contre la pollution. Il est bien connu que l'eau contaminée par le pétrole peut avoir des effets nocifs à long terme sur la faune et l'environnement. Les stratégies actuelles pour atténuer ces dommages comprennent la combustion du pétrole sur place ou l'utilisation de dispositifs mécaniques, tels que des barrages, des écumoires ou des matériaux absorbants, pour aider à nettoyer les dégâts. En pratique, ces méthodes sont coûteuses et peu efficaces, en particulier pour le nettoyage de grandes marées noires.

‘La filtration est une méthode de traitement de l'eau simple et économe en énergie, et pourrait être un moyen efficace de nettoyer ces déversements d'hydrocarbures’, a déclaré Ayse Asatekin, professeur adjoint à la Tufts School of Engineering et auteur correspondant de l'étude, publiée dans le revue ACS Applied Polymer Materials . « Une membrane de séparation est relativement peu coûteuse et réutilisable, et la technologie de nettoyage couvre un faible encombrement. Grâce à notre collaboration, nous avons développé un nouveau matériau filtrant capable d'effectuer la séparation et de maintenir un débit élevé sans être encrassé par l'accumulation d'huile.

Les feuilles de lotus ont inspiré le nouveau matériau filtrant : elles sont hydrophobes, empêchant l'eau de pénétrer afin que la feuille ne soit jamais mouillée, et également oléophiles, de sorte que les liquides organiques comme l'huile se répandent rapidement sur la feuille. Photo : Pixabay Heureusement, la nature fournit quelques exemples de matériaux qui interagissent très différemment avec l'eau et l'huile. ‘Prenez la feuille de lotus, par exemple’, a déclaré Ilin Sadeghi, étudiant diplômé en ingénierie au laboratoire d'Asatekin et premier auteur de l'étude. ‘La surface de la feuille est hydrophobe, ce qui signifie qu'elle retient l'eau si efficacement que la feuille ne se mouille jamais – l'eau perle juste à la surface. Mais il est aussi très oléophile – si nous plaçons un liquide organique comme de l'huile à la surface, il se répand rapidement sur la feuille. En modélisant sur la nature, nous pouvons concevoir la chimie et la morphologie de surface pour fabriquer des matériaux filtrants hydrofuges et super oléophiles.

La feuille de lotus atteint son double comportement avec une combinaison d'une chimie de surface cireuse et d'une texture nanostructurée sur la surface. La surface texturée emprisonne l'air dans de minuscules poches, ce qui rend difficile le contact de l'eau avec la feuille en raison de la tension superficielle élevée de l'eau, formant des gouttelettes. La création d'une membrane filtrant l'huile pourrait utiliser une combinaison similaire de chimie de surface et de texture pour séparer l'huile de l'eau.

Rejointe par la professeure Peggy Cebe et l'étudiante diplômée Nelaka Govinna au département de physique et d'astronomie de Tufts, l'équipe de recherche a créé un matériau qui combinait la chimie hydrofuge et la texture en utilisant une technique appelée électrofilage.

Govinna, qui a fabriqué les membranes de filtration, explique l'électrofilage comme une technique qui crée un flux liquide de polymère chargé électriquement sortant d'une aiguille très étroite. Au fur et à mesure qu'il s'écoule de l'aiguille, le polymère sèche sous forme de fil fin et se dépose de manière aléatoire sur la surface cible, créant une nappe de fibres poreuse non tissée.

Le polymère qu'ils ont utilisé était une chaîne chimique entourée d'atomes de fluor, ce qui lui confère des propriétés hydrofuges, tandis que le tissage aléatoire emprisonne l'air comme la feuille de lotus pour aider à minimiser la pénétration de l'eau. En revanche, les substances huileuses et organiques s'écoulent sur le fluoropolymère et à travers la membrane.

« Nous avons créé ce matériau de membrane en mélangeant une matrice polymère courante utilisée dans les filtres, le fluorure de polyvinylidène ou PVDF, avec un polymère fonctionnel ; nous l'appelons PFDMA », a déclaré Cebe. ‘Nous pouvons modifier le comportement de la membrane filtrante en modifiant le polymère fonctionnel.’

Dans ce cas, le type de polymère fonctionnel a fourni aux membranes des propriétés idéales : l'huile et les produits chimiques organiques traversent rapidement la membrane, jusqu'à dix-sept fois plus vite que la membrane PVDF sans additif, tandis que l'eau est retenue.

Les membranes déshuileuses PVDF-PFDMA, qui laissent passer l'huile et les solvants organiques, ne s'encrassent pas comme les membranes déshydratantes ont tendance à le faire, et pourraient donc être appliquées à des applications à long terme à l'échelle industrielle. L'utilisation de différents polymères additifs pourrait ajuster les propriétés du filtre pour différentes applications, du nettoyage des déversements d'hydrocarbures à la purification de l'eau.