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Les Inédits du CNRS

Dessaler l'eau de mer : des membranes plus rentables et plus écologiques

01.04.2021, par

Mihail Barboiu

Croissance démographique, sécheresses : l’accès à l’eau potable est un enjeu majeur de santé publique. De nouvelles membranes pour dessaler l’eau de mer pourraient permettre de réduire la facture tout en préservant l’environnement, comme nous l'explique dans ce billet publié avec Libération le chimiste Mihail Barboiu, membre de l'Institut européen des membranes de Montpellier qui a coordonné ces travaux.

Une fois par mois, retrouvez sur notre site les Inédits du CNRS, des analyses scientifiques originales publiées en partenariat avec Libération.

Plus de 2,2 milliards de personnes – soit un être humain sur trois – manquent d’eau potable. Compte tenu de l’évolution rapide de la croissance de la population mondiale et de ses activités économiques sur fond de changement climatique, de nombreux pays auront besoin de solutions urgentes. Dessaler l’eau de mer est une idée séduisante. Pour ce faire, des membranes filtrantes, laissant passer les molécules d’eau mais stoppant les ions qui composent le selFermerLe sel, ou chlorure de sodium (NaCl), est formé des ions Na+ et Cl-., ont été mises au point depuis une cinquantaine d’années. Mais leurs performances n’ont jusqu’à présent permis d’obtenir que des solutions très coûteuses en énergie, contribuant elles-mêmes au changement climatique. La membrane hybride que nous avons mise au point 1^,2 pourrait changer la donne. Combinaison d’une matrice en polyamideFermerMatière synthétique de la famille des polymères, c’est-à-dire dont la structure chimique se caractérise par la répétition, un grand nombre de fois, d’un ou de plusieurs atomes ou de groupes d’atomes. Le nylon est un polyamide., déjà utilisée par les industriels de la désalinisation, et de canaux artificiels d'eau, elle permet de dessaler trois fois plus d'eau et de consommer 12 % d'énergie en moins pour chaque mètre cube d'eau traité que les méthodes actuelles.

©Mihail Barboiu/ Institut Européen des membranes

La membrane hybride biomimétique mise au point par l'équipe de chercheurs. Celle-ci est coordonnée par l'Institut européen des membranes de Montpellier.

Environ 100 millions de mètres cubes d'eau par jour sont actuellement dessalés dans le monde. Plusieurs technologies de pointe sont utilisées. Elles sont majoritairement fondées sur un procédé inspiré de la nature : l’osmose. Celle-ci correspond par exemple au passage spontané d’eau à travers les pores d’une membrane qui sépare deux solutions de concentrations différentes en sel : l’eau passe de la moins concentrée à la plus concentrée, ce qui dilue cette dernière et aboutit à réduire la différence de concentration entre les deux solutions. Mais pour dessaler l’eau de mer, il faut au contraire « pousser » l’eau dans le sens inverse à ce mouvement spontané, afin d’obtenir des concentrations en sel très différentes de part et d’autre de la membrane, voire une concentration nulle ou presque d’un côté. Il faut pour cela appliquer de fortes pressions sur l’eau. On parle d’osmose inverse sous pression.

La synthèse de telles membranes, dites biomimétiques car elles reproduisent des processus biologiques, bénéficie des progrès constants de la chimie. Plus d'un demi-siècle s'est écoulé depuis la conception de la première membrane utilisée pour le dessalement par osmose inverse. Réalisée sous la forme d'une couche mince de polyamide, elle présente une perméabilité d’eau allant de 1 à 1,5 litre par mètre cube par heure par bar, et un taux de rejet de sel de 99 %. Plus récemment, la fabrication de membranes constituées de films minces en polyamide englobant des nanoparticules a amélioré la perméabilité avec cependant un plus faible taux de rejet du sel.

Des protéines pour membranes bio-assistées

D’autres membranes, mises au point dans les années 2010, ont misé sur une imitation encore plus poussée de la nature. Elles incorporent des protéines, les aquaporines, formant des canaux perméables à l’eau et rejetant les ions. La découverte de ces aquaporines, qui assurent cette tâche au sein de la membrane des cellules biologiques, a valu le prix Nobel de chimie au biologiste américain Peter Agre en 2003. Grâce à elles, la perméabilité des membranes s’est améliorée d’environ de 30 %, mais avec une sélectivité aux ions réduite (le taux de rejet du sel n’est que de 97 %). Et surtout, les applications à grande échelle de membranes hybrides polyamide-aquaporines souffrent toujours de nombreux inconvénients : coût élevé de production des aquaporines par biosynthèse, faible stabilité, contraintes de fabrication, instabilité aux hautes pressions...

Canaux artificiels et fils d’eau moléculaire

Pour améliorer les membranes pour le dessalement, les aquaporines peuvent être remplacées par des canaux synthétiques, les canaux artificiels d'eau3 (ou AWC pour artificial water channel), pour lesquels l’intérêt s'est considérablement accru ces dix dernières années. Nous avons par exemple travaillé sur des canaux dits « I-quartet4 » qui peuvent s’insérer dans une bicouche lipidique, semblable à la membrane de nos cellules biologiques. Nous avons alors découvert que pour traverser ces canaux, les molécules d’eau s’alignent sélectivement en file indienne (on parle de fils d’eau moléculaire). Mieux encore : celles-ci sont orientées d’une façon bien précise qui s’explique par la polarité de la molécule d'eauFermerUne molécule d’eau (H₂O) se comporte comme un petit aimant avec deux pôles positifs et un négatif. Cette polarité conduit les molécules d’eau à s’attirer les unes les autres (le côté positif de l’une attirant le côté négatif d’une autre). Elle est notamment dû à la forme en « V » évasée selon laquelle sont assemblés les deux atomes d’hydrogène et l’atome d’oxygène qui forment la molécule H₂O. conjuguée à l'asymétrie des canaux eux-mêmes.

Vue schématique de molécules d'eau alignées en file indienne dans un canal artificiel d'eau.

Comparé à un agencement aléatoire, cet arrangement dit chiralFermerUn objet est chiral s’il n'est pas superposable à son image dans un miroir. Le terme vient de chyros, « main » en grec, car nos deux mains sont l’image l'une de l'autre dans un miroir mais ne sont pas superposables. De la même façon, deux molécules sont dites chirales si elles sont l’image l'une de l'autre dans un miroir et ne sont pas superposables. engendre une plus grande mobilité des molécules d'eau dans les canaux, favorisant ainsi les transports de matière, avec un apport énergétique extérieur réduit.

Ces canaux artificiels d'eau ont donc vite représenté une alternative prometteuse mais fabriquer à l'échelle du mètre de telles membranes biomimétiques s’est avéré complexe. Pour réussir ce passage à l'échelle, nous avons donc plutôt misé sur la combinaison des AWC avec l'éprouvé polyamide des premiers temps. Tout l'enjeu étant d’intégrer les AWC en douceur sans créer de défauts dans la membrane. Nous y sommes parvenus en améliorant le processus conventionnel de polymérisationFermerRéaction chimique ou procédé permettant de concevoir de grosses molécules (contenant un grand nombre d’atomes) en faisant réagir entre elles de plus petites molécules. Elle est par exemple au cœur de la fabrication des matières plastiques. utilisé pour produire les membranes polyamide. Et nous avons obtenu une structure hybride AWC-polyamide en forme de « super-éponge ».

Des membranes hautement sélectives

Ces travaux ont fait l'objet d'une demande de brevet en 2019 et de telles membranes hybrides sont en cours de développement avec plusieurs partenaires industriels. Leurs performances en perméabilité (3 litres par mètre cube par heure par bar) et rejet de sel (supérieure à 99,5 %) permettent de réduire de 12 % la facture d’énergie pour trois fois plus d’eau produite qu’avec les méthodes actuelles dont les rendements stagnent depuis cinquante ans.

Vue au microscope électronique à balayage, la membrane révèle sa structure de "super-éponge".

Elles constituent donc un changement d'échelle, tout en offrant une amélioration de la stabilité à long terme de ces matériaux et la réduction des dimensions des installations de dessalement. On pourrait aussi envisager l’utilisation de ces membranes pour la production d’une façon plus simple d’eau ultra-pure nécessaire à la fabrication des vaccins ou des composants de la microélectronique, tout en évitant d’utiliser des procédés coûteux d’échange ionique très sensibles à la dureté de l’eau dans certaines régions du monde.

Comprendre l’écoulement sélectif de l’eau dans des canaux artificiels est un domaine tendant un pont entre des recherches fondamentales et des applications industrielles. Étonnamment, des canaux artificiels d’eau de dimension nanométriques (un nanomètre vaut un millionième de millimètre, soit 10^-9 mètre !) permettent de fabriquer des mètres carrés de membranes pour produire des millions de mètres cubes d’eau dessalée par jour… C’est la beauté de la chimie qui a le pouvoir de construire ses objets à des échelles différentes et pour des applications si diverses. ♦

Les points de vue, les opinions et les analyses publiés dans cette rubrique n’engagent que leur(s) auteur(s). Ils ne sauraient constituer une quelconque position du CNRS.

À lire
Étonnante chimie. Découvertes et promesses du XXI^e siècle, sous la direction de Claire-Marie Pradier, coordonné par Francis Teyssandier et Olivier Parisel, CNRS Editions, 268 p., 22 euros, disponible en pré-commande sur le site de CNRS Éditions et en librairies à partir du 22 avril 2021.

À lire sur le site du CNRS :
Des membranes artificielles bio-inspirées pour filtrer l'eau

Notes

1. Coordonnée par l'Institut européen des membranes de Montpellier, l’équipe du CNRS a coopéré avec des chercheurs de l'École polytechnique de Turin, de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah (Arabie saoudite) et du Lehn Institute of Functional Materials, School of Chemistry (Chine).
2. Di Vincenzo, M. et al. (2020), "Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination', Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-020-00796-x
3. Licsandru, E. et al. (2016), “Salt-excluding artificial water channels exhibiting enhanced dipolar water and proton translocation", J. Am. Chem. Soc., 138, 5403.
4. Kocsis I. et al. (2018) “Oriented chiral water wires in artificial transmembrane channels”, Science Adv. 4, eaao5603 ; Barboiu, M. (2018) “Artificial Water channels: ”, Faraday Discussions, vol. 209, Royal Society of Chemistry.