Rendre l’eau de mer potable : une université japonaise et les nanotubes de carbone face à un problème mondial

Une université japonaise au premier plan de l’innovation

En 2013, l’Université Shinshû a fondé le Centre d’innovation Global Aqua, un organisme de recherche coopérative associant le secteur privé, le secteur public et l’enseignement en vue de répondre à ces besoins. La recherche a notamment été axée sur la mise au point de membranes d’osmose inverse faisant appel à un élément clef de la nanotechnologie moderne, les nanotubes de carbone.

Les nanotubes de carbone sont des fibres creuses, de taille nanométrique, ultrafines, de forme cylindrique, d’atomes de carbones. On peut les obtenir à partir d’hydrocarbures comme le méthane à une température d’environ 1 000 °C via une catalyse des particules de métaux tels que le fer. D’une épaisseur de un 50 000^e de cheveu humain, ils sont très légers et bien plus solides que l’acier. Leur stabilité chimique et leur efficacité en termes de transfert de chaleur et d’électricité permettent de les employer comme additifs aux électrodes des batteries au lithium-ion, dont le rendement est ainsi accru. Leur usage est également très répandu comme additifs dans la fabrication des plastiques renforcés avec des fibres de carbone, par exemple pour les raquettes de tennis ou les manches des crosses de golf. Étant donné qu’on peut les produire à partir du biométhane, les nanotubes de carbone sont en outre des matériaux nanotechnologiques respectueux de l’environnement, avec l’hydrogène comme principal sous-produit.

En 2018, l’Université Shinshû a réussi à mettre au point une membrane innovante d’osmose inverse en mélangeant des nanotubes de carbone et du polyamide aromatique réticulé. L’association bien dosée de nanomatériels a chargé positivement la membrane et réduit les irrégularités de surface, si bien que les impuretés, aussi appelées salissures, sont devenues moins susceptibles d’adhérer.

Les images ci-dessus représentent une membrane conventionnelle d’osmose inverse. On voit en bas la membrane nanocomposite mise au point à l’Université Shinshû, au bout de 48 heures sur l’image de gauche, au bout de 52 heures sur l’image de droite. Les protéines vertes adhèrent à la membrane conventionnelle, mais les petits agrégats de protéines adhérant à la membrane nanocomposite se détachent et ont pratiquement disparu au bout de 52 heures. (© Université Shinshû)

Des protéines adhérent à la membrane conventionnelle représentée à gauche (le matériau fibreux de couleur bleue en bas), alors que leur adhésion à la membrane de l’Université Shinshû, représentée à droite, est faible, si bien qu’un simple rinçage suffit à les éliminer. (© Université Shinshû)

L’usage des membranes nanocomposites résistantes aux bouchons et contenant des nanotubes de carbone permettra la mise en œuvre d’une technologie de « désalinisation verte » respectueuse de l’environnement, économe en énergie et en produits chimiques, et donc idéale en cet ère soucieuse de l’environnement.

Module de désalinisation de l’eau de mer fait de membranes nanocomposites. Le passage de l’eau de mer à traves ce module élimine le sel qu’elle contient. (© Université Shinshû)

La chaîne de production de nanotubes de carbone du Centre international pour la science et l’innovation (CISI) de l’Université Shinshû. (© Université Shinshû)

Un processus de désalinisation à long terme

L’université, qui utilise depuis 2020 des membranes nanocomposites pour la désalinisation de l’eau de mer au Water Plaza de Kita-Kyûshû, a vérifié expérimentalement leur efficacité en matière d’élimination des polluants. Ces essais de validation du principe ont montré que les membranes peuvent contribuer à réduire le besoin de traitements chimiques et qu’elles ont une durée de vie supérieure à celle des membranes conventionnelles. Si bien que les membranes nanocomposites pourraient déboucher sur la mise en œuvre d’un processus de désalinisation à long terme, avec la possibilité d’une réduction des coûts de l’ordre de 10 à 15 %. Les installations de pré-traitement, dont les coûts de fonctionnement sont eux aussi élevés, pourraient en outre s’en trouver simplifiées.

L’installation pilote de désalinisation du Water Plaza de Kita-Kyûshû. L’équipement du conteneur permet de procéder tous les jours à de précieuses expériences, menées pendant plusieurs mois d’affilée, en vue d’évaluer la durabilité des membranes nanocomposites en utilisant de l’eau de mer. (© Université Shinshû)

En collaboration avec des entreprises et des instituts de recherche actifs dans le secteur de la désalinisation sur toute la surface de la planète, le centre travaille actuellement à la promotion de l’utilisation des membranes nanocomposites dans les installations de désalinisation. Les membranes de l’Université Shinshû peuvent aussi être employées dans le traitement des eaux usées et le recyclage des effluents industriels, mais il reste des progrès à faire en ce domaine, extrêmement prometteur pour les systèmes de recyclage de l’eau, avec tous les bénéfices qui en résulteront tant pour l’environnement que pour la société. Je pense que les membranes nanocomposites mises au point par l’Université Shinshû, qui est à l’avant-garde de la technologie des nanotubes, peuvent apporter une gigantesque contribution à la résolution des problèmes d’eau auxquels le monde va se trouver confronté tout au long de ce siècle.