Un dessalinisateur fonctionnant à la lumière solaire
Le manque d’eau potable est un problème mondial, exacerbé par la pollution.
Des chercheurs chinois de la Nanjing Forestry University, Nanjing, de la Suzhou University of Science and Technology, Suzhou, et de la Beijing Forestry University, Beijing, ont développé un évaporateur interfacial solaire qui conjugue de forts taux d’évaporation avec une importante évacuation du sel.
Dans le domaine de la dessalinisation, plusieurs tentatives ont eu pour but le drainage automatique du sel. Et cela grâce à l’utilisation de matériaux « intelligents » répondant à des stimuli externes, lumière, chaleur, champs électrique ou magnétique, pour obtenir une élimination efficace du sel. Mais le contrôle de ces divers facteurs était difficile à réaliser à l’échelle des réalisations grandeur nature.
Yahul Cai et al. ont imaginé une stratégie plus simple et efficace, basée sur l’utilisation du Spiropyran, pour améliorer l’élimination autonome du sel.
Le Spiropyran (SP) est un matériau »intelligent » dont la mouillabilité est contrôlable par la lumière.
Exposé à la lumière visible, il est hydrophobe. S’il est exposé à un rayonnement UV ou simplement à l’obscurité, il se transforme en un composé hydrophile, la merocyanine (MC), Ce changement est réversible.
Ils ont développé un évaporateur à photo-contrôle dynamique du débit d’eau (en anglais photocontrol dynamic water gate evaporator – PGE -) basé sur les propriétés des spiropyrans (Fig.1.a). Le PGE est composé de dépôts de spiropyran » intelligent » modifié, de nanotubes de carbone (CNT) et d’aérogel de bois (un aérogel est un matériau semblable à un gel où le composant liquide est remplacé par un gaz). Les révêtements de spiropyrans modifiés AOA-SP) sont synthétisés par la condensation de l’ aminopropyltriethoxysilane octadecyl acrylate (AOA) avec le spiropyran.
L’évaporateur PGE a une structure à 2 couches composée d’une couche sur laquelle agit la lumière située sur le dessus (on la nommera PGE-T) et d’une couche hydrophile en bas (PGE-B). Un évaporateur muni seulement d’une surface en bois carbonisé (appelé CWE) sert comme référence d’évaporation standard. Dans le CWE, la solution salée de haute concentration arrive à la surface de l’évaporateur sous l’effet de la force capillaire (Fc )et des gradients de pression dus à l’évaporation et les cristaux de sel précipitent et couvrent la surface de l’évaporateur après les changements de phase de l’eau (Fig.1. b).
A la différence des CWE traditionnels, les PGEs ont une couche photothermique avec une mouillabilité adaptative régulée par l’exposition à la lumière qui empêche l’accumulation de sel à sa surface.
Réaction à la lumière de la couche photo-thermique
La figure suivante représente les mouvements de l’eau en fonction de la lumière appliquée à l’évaporateur :
Fig.1. Fonctionnement du PGE
a) Décharge dynamique de sel par l’opération réversible entre AOA-SP(nettoyage ) et AOA-MC (dépôt de sel)
b) Processus d’accumulation du sel en surface dans lcas du CWE.
c) Le contrôle dynamique du mouvement de l’eau augmente l’évacuation du sel dans le cas du PGE. Nature Communications | (2025)16:9622 Open Access.
Quand la couche d’AOA-SP est couverte de sel qui bloque la lumière (obscurité), elle s’isomérise en AOA-merocyanine (AOA-MC) hydrophile, ce qui facilite le reflux des ions sel. Cette diminution du sel en surface entraîne un retour de la lumière qui induit une isomérisation de AOA-MC en AOA-SP hydrophobe à la lumière, empêchant la saumure de recouvrir à nouveau la surface du PGE.(Fig.1.c).
Le PGE assure ainsi une une alimentation continue en eau via la capillarité et les gradients de pression, tandis que sa couche de surface hydrophobe (AOA-SP) augmente l’évaporation en stabilisant l’interface et en minimisant les pertes de chaleur. Le PGE fournit ainsi un processus d’auto-nettoyage et d’évacuation du sel exploitant les phases d’obscurité ( dépôt de sel ) et d’illumination (évacuation du sel).
Le PGE est préparé en appliquant une solution d’AOA-SP dans l’éthanol sur la surface de l’aérogel de bois(WA) qu’on a auparavant plongé dans une solution aqueuse de nanotubes de carbone qui ont imprégné le WA (CNT@WA). L’aérogel de bois (WA) est obtenu à partir de balsa, extrêmement divisé et léger, dont on supprime la lignine et l’hemicellulose par immersion dans une solution à 80°C de ClO2 Na puis dans la soude caustique (Fig.2. ci-dessous).
Fig.2 Processus de préparation des dépôts à la surface du PGE
Les chercheurs chinois ont mis au point une méthode simple de préparation d’un dépôt »intelligent » de AOA-SP qui soit résistant au sel et piloté par la lumière. L’évaporateur, dynamiquement photo-contrôlé grâce aux propriétés des dépôts placés à sa surface, a de bonnes performances d’évaporation, d’élimination du sel et de durabilité.
Sous l’effet de l’obscurité due au dépôt de sel à la surface hydrophobe de l’évaporateur, celle-ci devient hydrophile, ce qui élimine le sel. Des calculs théoriques ont confirmé que cette élimination du sel était bien due à la différence d’hydrophilité entre le spiropyran et son isomère, la merocyanine. La stratégie d’élimination du sel est capitale dans la conception de dessalinisateurs à évaporation qui doivent garder leur efficacité durant de longues périodes de fonctionnement continu.
Pour en savoir plus :
Light-adaptive interfacial solar steam
evaporation enhanced by dynamic
water gating
Nature Communications | (2025)16:9622
