bruce Anane
Les ingénieurs et collaborateurs du MIT ont développé un dispositif alimenté par l’énergie solaire qui évite les problèmes de colmatage par le sel communs à d’autres conceptions.
Des ingénieurs du MIT et de Chine visent à transformer l’eau de mer en eau potable grâce à un dispositif entièrement passif inspiré de l’océan et alimenté par le soleil.
Dans un article paru aujourd’hui dans la revue Joule, l’équipe présente la conception d’un nouveau système de dessalement solaire qui absorbe l’eau salée et la chauffe avec la lumière naturelle du soleil.
La configuration de l’appareil permet à l’eau de circuler dans des vortex tourbillonnants, semblables à la circulation « thermohaline » beaucoup plus importante de l’océan. Cette circulation, combinée à la chaleur du soleil, provoque l’évaporation de l’eau, laissant derrière elle le sel. La vapeur d’eau résultante peut ensuite être condensée et collectée sous forme d’eau pure et potable. Pendant ce temps, le sel restant continue de circuler dans et hors de l’appareil, au lieu de s’accumuler et d’obstruer le système.
Le nouveau système a un taux de production d’eau et un taux d’expulsion de sel plus élevés que tous les autres concepts de dessalement solaire passif actuellement testés.
Les chercheurs estiment que si le système était agrandi jusqu’à la taille d’une petite valise, il pourrait produire 4 à 6 litres d’eau potable par heure et durer plusieurs années avant de nécessiter des pièces de rechange. À cette échelle et avec ces performances, le système pourrait produire de l’eau potable à moindre coût et de manière plus rentable que l’eau du robinet.
« Pour la première fois, il est possible que l’eau produite par la lumière du soleil soit encore moins chère que l’eau du robinet », explique Lenan Zhang, chercheur au Device Research Laboratory du MIT.
L’équipe envisage qu’un appareil à grande échelle pourrait produire passivement suffisamment d’eau potable pour répondre aux besoins quotidiens d’une petite famille. Le système pourrait également approvisionner les communautés côtières hors réseau où l’eau de mer est facilement accessible.
Les co-auteurs de l’étude de Zhang incluent Yang Zhong, étudiant diplômé du MIT et Evelyn Wang, professeur d’ingénierie chez Ford, ainsi que Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang et Zhenyuan Xu de l’Université Jiao Tong de Shanghai en Chine.
Une convection puissante
Le nouveau système de l’équipe améliore la conception précédente : un concept similaire de plusieurs niveaux, appelés étapes. Chaque étage contenait un évaporateur et un condenseur qui utilisaient la chaleur du soleil pour séparer passivement le sel de l’eau entrante. Cette conception, que l’équipe a testée sur le toit d’un bâtiment du MIT, convertissait efficacement l’énergie solaire pour évaporer l’eau, qui était ensuite condensée en eau potable. Mais le sel restant s’est rapidement accumulé sous forme de cristaux qui ont obstrué le système au bout de quelques jours. Dans un environnement réel, un utilisateur devrait placer des phases avec une certaine fréquence, ce qui augmenterait considérablement le coût global du système.
Dans un effort ultérieur, ils ont conçu une solution avec une configuration en couches similaire, cette fois avec une fonctionnalité supplémentaire qui permettait de faire circuler l’eau entrante et le sel restant. Même si cette conception empêchait le sel de se déposer et de s’accumuler sur l’appareil, elle dessalait l’eau à un rythme relativement lent.
Dans la dernière version, l’équipe pense être parvenue à une conception permettant d’atteindre à la fois un taux élevé de production d’eau et un rejet élevé de sel, ce qui signifie que le système peut produire de l’eau potable de manière rapide et fiable pendant une période prolongée. La clé de leur nouvelle conception est une combinaison des deux concepts précédents : un système à plusieurs étages d’évaporateurs et de condenseurs, également configuré pour augmenter la circulation de l’eau – et du sel – au sein de chaque étage.
« Nous introduisons désormais une convection encore plus puissante, similaire à celle que nous observons généralement dans l’océan, à des échelles kilométriques », explique Xu.
Les petites circulations générées dans le nouveau système de l’équipe sont similaires à la convection « thermohaline » dans l’océan, un phénomène qui détermine le mouvement de l’eau à travers le monde, basé sur les différences de température et de salinité de la mer (« thermohaline »). .
« Lorsque l’eau de mer est exposée à l’air, la lumière du soleil provoque son évaporation. Une fois que l’eau quitte la surface, le sel reste. Et plus la concentration en sel est élevée, plus le liquide est dense et plus l’eau lourde a tendance à s’écouler vers le bas », explique Zhang. « En imitant ce phénomène qui s’étend sur un kilomètre dans une petite boîte, nous pouvons exploiter cette fonctionnalité pour repousser le sel. »
Taper
Le cœur du nouveau design de l’équipe est une scène unique qui ressemble à une fine boîte recouverte d’un matériau sombre qui absorbe efficacement la chaleur du soleil. À l’intérieur, la boîte est divisée en une partie supérieure et une partie inférieure. L’eau peut s’écouler à travers la moitié supérieure, où le plafond est recouvert d’une couche d’évaporateur qui utilise la chaleur du soleil pour chauffer et évaporer l’eau par contact direct. La vapeur d’eau est ensuite acheminée vers la moitié inférieure de la boîte, où une couche de condensation refroidit l’air pour en faire un liquide potable sans sel. Les chercheurs ont incliné la boîte entière à l’intérieur d’un récipient vide plus grand, puis ont connecté un tube de la moitié supérieure de la boîte au fond du récipient et ont fait flotter le récipient dans l’eau salée.
Dans cette configuration, l’eau peut naturellement remonter à travers le tube et dans la boîte, où l’inclinaison de la boîte, combinée à l’énergie thermique du soleil, fait tourner l’eau lorsqu’elle s’écoule. Les petits vortex aident à mettre l’eau en contact avec la couche d’évaporation supérieure, permettant ainsi au sel de circuler, plutôt que de se déposer et de se boucher.
L’équipe a construit plusieurs prototypes, à un, trois et dix étages, et testé leurs performances dans des eaux de salinité variable, notamment de l’eau de mer naturelle et de l’eau sept fois plus salée.
A partir de ces tests, les chercheurs ont calculé que si chaque étage était agrandi à un mètre carré, il produirait jusqu’à 5 litres d’eau potable par heure, et que le système pourrait dessaler l’eau sans accumuler de sel pendant plusieurs années. Compte tenu de cette durée de vie prolongée et du fait que le système est entièrement passif et ne nécessite aucune électricité pour fonctionner, l’équipe estime que le coût global d’exploitation du système serait moins cher que celui de la production d’eau du robinet aux États-Unis.
« Nous avons démontré que cet appareil peut avoir une longue durée de vie », déclare Zhong. « Cela signifie que, pour la première fois, l’eau potable produite par la lumière du soleil pourrait être moins chère que l’eau du robinet. Cela ouvre la possibilité au dessalement solaire de résoudre des problèmes réels.
« Il s’agit d’une approche très innovante qui atténue efficacement les principaux défis dans le domaine du dessalement », explique Guihua Yu, qui développe des systèmes durables de stockage d’eau et d’énergie à l’Université du Texas à Austin et n’a pas participé à la recherche. « Le projet est particulièrement bénéfique pour les régions confrontées à une eau à forte salinité. Sa conception modulaire le rend particulièrement adapté à la production d’eau domestique, permettant une évolutivité et une adaptabilité pour répondre aux besoins individuels.
Article original: Le système de dessalement pourrait produire de l’eau douce moins chère que l’eau du robinet
Plus de: Institut de technologie du Massachusetts | Université Jiao Tong de Shanghai
