Une percée dans l’osmose inverse pourrait mener au dessalement de l’eau de mer le plus éconergétique de tous les temps

(Nanowerk Nouvelles) La fabrication d’eau douce à partir de l’eau de mer nécessite généralement d’énormes quantités d’énergie. Le processus de dessalement le plus répandu est appelé osmose inverse, qui agit en faisant couler de l’eau de mer sur une membrane à haute pression pour éliminer les minéraux.

Maintenant, les ingénieurs de l’Université Purdue ont développé une variante du processus appelée « osmose inverse par lots », qui promet une meilleure efficacité énergétique, un équipement plus durable et la capacité de traiter de l’eau de salinité beaucoup plus élevée. Il pourrait finir par faire la différence en matière de sécurité de l’eau dans le monde entier.

L’osmose inverse est utilisée dans de nombreux pays; dans des endroits arides comme le Moyen-Orient, plus de la moitié de l’approvisionnement en eau potable provient des installations de dessalement. Mais pour maintenir le niveau élevé de pression requis pour le processus – jusqu’à 70 fois la pression atmosphérique – une usine de dessalement doit utiliser un grand nombre de pompes et d’autres équipements. Et cela consomme beaucoup d’énergie.

« Environ un tiers du coût à vie d’une usine de dessalement est de l’énergie », a déclaré David Warsinger, professeur adjoint de génie mécanique à Purdue. « Même de petites améliorations au processus – quelques points de pourcentage de différence – peuvent permettre d’économiser des centaines de millions de dollars et aider à garder le CO2 hors de l’atmosphère. »

Au cours de ses travaux de doctorat au MIT, Warsinger a d’abord développé l’idée de « l’osmose inverse par lots ». Plutôt que de maintenir un débit constant d’eau de mer à ces niveaux de pression élevés, un processus par lots prend une quantité définie d’eau à la fois; le traite; le décharge; puis répète le processus avec le lot suivant.

« Chaque lot dure environ une à deux minutes », a déclaré Warsinger. « Nous augmentons la pression au fil du temps, réduisons le volume au fil du temps et nous finissons par utiliser beaucoup moins d’énergie pour produire la même quantité d’eau douce. »

Les étudiants diplômés Abhimanyu Das (à gauche) et Akshay Rao ajustent un réservoir de piston, l’élément clé d’un nouveau processus de dessalement appelé « osmose inverse par lots à double effet ». (Image : Jared Pike, Université Purdue)                

Bien que certaines usines de dessalement aient tenté d’utiliser des techniques de semi-mélange, aucune n’a jamais mis en œuvre un système de traitement complet par lots , en partie à cause des pauses de temps entre les lots.

« Il faut du temps et de l’énergie pour pomper chaque lot d’eau, puis pomper le prochain lot d’eau pour le traitement », a déclaré Warsinger. « Dépenser ce temps et cette énergie annule généralement les gains d’efficacité que vous obtiendriez en utilisant le processus par lots. C’est pourquoi nous avons développé une solution appelée 'osmose inverse par lots à double action'.

Piston à double service

Ce nouveau procédé utilise un réservoir à pistons - un récipient à haute pression avec un piston au milieu. Alors qu’un côté du piston envoie de l’eau de mer vers l’avant dans la boucle de traitement, l’autre côté du piston se remplit simultanément avec le prochain lot d’eau de mer dans la file d’attente. Lorsqu’un processus de traitement par lots se termine, le piston injecte de manière transparente le lot suivant d’eau de mer dans le système tout en remplissant simultanément son autre côté avec le prochain lot d’eau de mer dans la file d’attente, et le processus se répète en continu.

« Au lieu de vider complètement le piston à chaque fois ou d’utiliser un autre liquide ou gaz pour pressuriser le piston, nous le remplissons avec le prochain lot d’eau de mer », a déclaré Warsinger. « Donc, plutôt qu’un côté du piston soit essentiellement un espace mort, nous utilisons l’eau de mer elle-même pour obtenir un double devoir de ce piston, donc il n’y a presque pas de temps d’arrêt.

« Selon nos modèles, ce système proposé offre la plus faible consommation d’énergie jamais consommée pour le dessalement de l’eau de mer. C’est un jalon de premier plan.

Leurs recherches ont été publiées dansdessalement(« Configuration par osmose inverse par lots à double action pour une efficacité optimale et un faible temps d’arrêt »).

« Les temps d’arrêt sont vraiment quelque chose que vous voulez éviter », a déclaré Sandra Cordoba, étudiante à la maîtrise purdue en génie mécanique et première auteure de l’article. « Si vous devez entretenir le système après chaque cycle, vous perdez toute votre efficacité énergétique. Réduire ou éliminer ces temps d’arrêt est l’élément clé qui rend possible l’osmose inverse par lots.

Cordoue a également développé les modèles hydrauliques théoriques utilisés dans le document.

« L’osmose inverse est un processus complexe », a déclaré Cordoba. « Pour mesurer son succès, il faut suivre de nombreuses variables : pression de l’eau, volume, salinité, taux de récupération, temps et énergie. Avec ces modèles, nous avons pu déterminer la bonne quantité de pression au fil du temps pour obtenir les meilleurs résultats en utilisant la quantité minimale d’énergie.

Quelle est la taille du réservoir de piston? Cela dépend de la taille du système.

« L’osmose inverse fonctionne sur une large gamme d’échelles », a déclaré Warsinger. « Les ménages en Inde ont souvent un système de micro-osmose inverse pour leur propre maison, où vous pouvez le tenir dans vos mains. Pour nos expériences, nous avons construit un système modèle où le réservoir à piston est à peu près de la taille d’un extincteur. Dans une usine à grande échelle, il pourrait être d’une centaine de pieds de long. Mais la beauté de cela est que ce n’est pas une pièce d’équipement complexe; c’est essentiellement un tuyau, avec un piston étanche au milieu. Mais ce réservoir de piston change tout. »

Le laboratoire de Warsinger a utilisé ce développement par lots à double action pour alimenter plusieurs nouvelles avancées dans le dessalement. Abhimanyu Das, un étudiant au doctorat purdue en génie mécanique, a publié des recherches décrivant une variante du processus appelée « osmose inverse à contre-courant par lots ». En recirculant certaines concentrations d’eau des deux côtés de la membrane, le processus de Das s’avère être le processus de dessalement le plus économe en énergie pour l’eau à haute salinité, tout en nécessitant moins de composants. Et Michael Roggenburg, étudiant à la maîtrise de Purdue, a publié des recherches montrant qu’une combinaison d’osmose inverse par lots et d’énergie renouvelable pourrait éventuellement fournir de l’eau douce à toute la frontière de 1 954 miles entre les États-Unis et le Mexique.

« La sécurité de l’eau est un énorme problème dans le monde entier, sur lequel j’ai passé toute ma carrière à travailler », a déclaré Warsinger. « Ces résultats avec l’osmose inverse par lots sont vraiment excitants. Si nous faisons baisser un peu le coût, alors le dessalement devient une option viable pour plus d’endroits. Cela pourrait être transformateur.