La pénurie d'eau douce constitue un défi de plus en plus sérieux pour le développement social. On rapporte que 29 % de la population mondiale manque d'eau potable, et la demande en eau propre continue d'augmenter en raison de la croissance démographique et des problèmes environnementaux. L'eau propre associée à l'assainissement est particulièrement importante dans le contexte actuel de l'épidémie de coronavirus (pneumonie à néocoronavirus). L'évaporation de l'eau par l'énergie solaire est considérée comme l'une des technologies les plus prometteuses pour produire de l'eau propre à partir de l'eau de mer et des eaux usées en utilisant la lumière solaire comme seule source d'énergie. Cette technologie s'appuie fortement sur des absorbeurs solaires, qui agissent comme des évaporateurs pour convertir l'énergie solaire en chaleur afin de produire de la vapeur. Pour atteindre des taux d'évaporation de l'eau et des rendements de conversion de la chaleur solaire élevés, le matériau idéal doit présenter une large plage d'absorption afin d'exploiter efficacement une grande partie du spectre solaire, une faible conductivité thermique pour limiter les pertes de chaleur et des canaux poreux tridimensionnels (3D) pour un transport efficace de l'eau. Jusqu'à présent, les scientifiques ont développé divers matériaux photothermiques à base de carbone (par exemple, le graphène ou les nanotubes de carbone), de polymères, de métaux, d'oxydes métalliques et de leurs hybrides, etc.
Les scientifiques ont travaillé dur pour explorer et réaliser de nombreuses percées ces dernières années, alors apprenons de plusieurs publications d'actualité sur les progrès de la recherche dans la production d'eau propre photothermique ces dernières années.
- Nature Communications : Les feuilles des plantes inspirent un purificateur d'eau à énergie solaire et à haute efficacité
Les feuilles des plantes vasculaires naturelles exploitent les différences de pression osmotique, la transpiration et l'excrétion pour produire d'importantes quantités d'eau pure, grâce à l'énergie solaire. S'inspirant de ce phénomène, des chercheurs de l'équipe de Chun Li à l'Université de Qinghua ont mis au point un purificateur d'eau solaire performant. Ce purificateur est constitué d'un hydrogel de poly(N-isopropylacrylamide) (PN) thermosensible, ancré sur une structure en mousse de mélamine superhydrophile et recouvert d'une membrane filtrante en graphène (PG) modifiée par du PNIPAm. Des simulations de dynamique moléculaire et des résultats expérimentaux ont démontré que la superhydrophileur de la structure relativement rigide en mélamine accélère considérablement le gonflement et le dégonflement du purificateur PNPG-F. Sous un même rayonnement solaire, cette structure optimisée a permis de collecter 4.2 kg/m²/h et d'éliminer plus de 99 % des ions d'une solution saline, grâce à la synergie entre l'évaporation et l'ajout par goutte-à-goutte. L'auteur entrevoit de grandes applications potentielles pour ce système solaire très performant dans divers domaines du traitement de l'eau. L'étude a été publiée dans la revue Nature Communications sous le titre « Purificateur solaire inspiré des feuilles de plantes pour une production d'eau propre à haut rendement ».
- Progrès scientifiques : Réseaux polymères hautement hydratables d'hydrogels absorbant la lumière pour la purification solaire de l'eau
L'évaporation solaire de l'eau pour la purification de l'eau est une technologie prometteuse pour la production d'eau douce. Cependant, la production de vapeur solaire est énergivore, ce qui entraîne une faible production d'eau sous la lumière naturelle. Il est donc crucial de développer de nouveaux matériaux capables de réduire la demande énergétique pour l'évaporation de l'eau et d'accélérer la purification solaire de l'eau. L'équipe du professeur Guihua Yu à Austin, Texas, États-Unis, a présenté un hydrogel hautement hydraté absorbant la lumière (h-LAH), composé d'alcool polyvinylique et de chitosane comme squelette d'hydratation et de polypyrrole comme absorbeur de lumière. Ce dernier peut utiliser moins d'énergie (< 50 % du volume d'eau) pour évaporer l'eau. Il a été démontré qu'une augmentation de la capacité d'hydratation du h-LAH peut modifier l'état de l'eau et l'activer partiellement, facilitant ainsi son évaporation. Le h-LAH a augmenté la production de vapeur solaire à un taux record d'environ 3.6 kg/m²/h en un seul soleil. L'évaporation solaire de l'eau à base de h-LAH a également démontré une durabilité à long terme et des propriétés antisalissures contre les contaminants ioniques complexes. Cette recherche a été publiée dans un article intitulé « Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production » (Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production) dans la sous-revue Science Advances.
- Angew : Matériaux COF à superhydrophilie et absorption de la lumière à large longueur d'onde pour l'évaporation photothermique de l'eau
L'hydrophobicité inhérente et l'absorption lumineuse limitée des polymères organiques poreux, en particulier dans la région proche infrarouge (NIR), sont deux goulots d'étranglement qui entravent leur application dans la production de vapeur solaire (SSG). Des chercheurs du groupe de Xiaoli Yan à l'Université de Jilin ont développé une structure organique covalente (COF) à base de 1,4,5,8 tétrakis(phénylamino)anthracène-9,10-dione (TPAD) (TPAD-COF), qui se caractérise par une superhydrophilie et une large absorption lumineuse couvrant la SSG de toute la région NIR UV/visible. Le TPAD-COF, en tant que matériau de conversion photothermique efficace sans aucun additif, présente une excellente évaporation de l'eau de 1.42 kg/m²/h et atteint un rendement de conversion énergétique élevé de 2 % sous une irradiation d'intensité solaire. Une extension supplémentaire de la plage d'absorption lumineuse du COF à base de TPAD a été obtenue par modification post-synthétique de molécules de BF² chélatée. Des expériences de contrôle systématique et des analyses confirment que l'hydrophilie du matériau de conversion photothermique joue un rôle prépondérant dans les COF actuels à base de TPAD utilisés pour l'évaporation photothermique de l'eau. Les travaux de recherche, intitulés « Superhydrophile 94D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation », ont été publiés dans la revue internationale de renom Angewise.
- JACS : Hydrogel COF/graphène à double région hydrophile-hydrophobe pour l'évaporation photothermique de l'eau
L'évaporation solaire de l'eau est une technologie durable de traitement de l'eau qui peut contribuer à atténuer la pénurie mondiale d'eau. Cependant, cette technologie est confrontée à d'importants défis en raison de sa forte consommation énergétique et de son faible taux d'évaporation. L'équipe du professeur Arne Thomas de l'Université technique de Berlin, en Allemagne, présente un hydrogel à double région structure organique covalente (COF)/graphène, qui contient des régions hydrophiles et hydrophobes dans un même matériau grâce à une stratégie de croissance in situ simple. La COF hydrophile recouvre une partie de la région hydrophobe du graphène. Grâce à un contrôle précis des deux régions de mouillage, l'hydrogel hybride présente une capture efficace de la lumière, une mouillabilité réglable, une teneur en eau optimisée et un besoin énergétique réduit pour l'évaporation de l'eau. En tant qu'absorbeur solaire, l'hydrogel à double région atteint un taux de génération de vapeur allant jusqu'à 3.69 kg/m²/h pour 2 irradiation solaire (1 kW/m²), comparable à celui d'autres matériaux avancés. De plus, cet évaporateur d'hydrogel peut être utilisé pour produire de l'eau potable à partir d'eau de mer et d'eaux usées, démontrant ainsi le potentiel du traitement de l'eau. Les travaux de recherche ont été publiés dans la revue JACS, une revue internationale de premier plan, sous le titre « A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation ».
- Progrès scientifiques : Évaporateur d'eau photothermique à haut rendement inspiré de la structure en forme de lame de nénuphar
Ces dernières années, la production de vapeur solaire interfaciale a montré un fort potentiel pour atteindre un rendement énergétique élevé pour le dessalement et le traitement des eaux usées. Cependant, des taux d'évaporation élevés ne peuvent être maintenus en raison de l'accumulation, apparemment inévitable, d'encrassement ou de sel sur l'absorbeur solaire. La dégradation s'accélère avec l'augmentation de la concentration en soluté. Français Pour résoudre ce problème, le groupe du professeur Jia Zhu à l'Université de Nanjing, inspiré par la structure des feuilles de nénuphar, a conçu un dispositif de conversion photothermique-vapeur à structure multi-étages (structure hiérarchique inspirée du nénuphar (WHS), qui peut atteindre une efficacité de conversion photothermique de 80 % lors du traitement de 10 % en poids d'eau salée hautement concentrée et de 30 % en poids d'eaux usées. Il convient de mentionner que l'efficacité de conversion photothermique ne diminue pas de manière significative pendant le traitement de saumure et d'eaux usées hautement concentrées jusqu'à ce que l'évaporation soit complète (c'est-à-dire « zéro rejet »), et que la surface reste propre. Le travail a été publié dans Science Advance sous le titre « A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine ».
- Nanoénergie : le disulfure de molybdène pour l'évaporation photothermique de l'eau
Des chercheurs du groupe de Lifeng Wan à l'Institut des matériaux de pointe de l'Université Deakin ont mis au point une série d'hétérostructures à base de disulfures de métaux de transition et de nitrures riches en azote pour l'évaporation solaire de l'eau par transformation cristalline partielle. Ces hétérostructures 2D avancées présentent notamment une absorption spectrale accrue dans l'infrarouge et une excellente stabilité chimique dans différentes solutions, y compris l'eau, les acides et les bases. Plus important encore, grâce à l'intensité d'absorption spectrale renforcée et aux pertes thermiques réduites, le dispositif solaire thermique MoS₂-Mo₅N₆/ mousse de mélamine (MF) affiche un taux d'évaporation élevé (2.31 kg m⁻² h⁻¹) et un rendement de conversion de 106.6 %, soit respectivement 1.4 et 4.7 fois supérieurs à ceux des dispositifs solaires MoS₂/MF et MF/eau. Ces travaux proposent une série d'hétérostructures 2D-2D TMD-nitrures riches en azote performantes pour la production d'eau solaire. Ce travail a été publié dans Nano Energy, une revue internationale de premier plan, sous le titre « Hétérostructures 2D-2D avancées de dichalcogénures de métaux de transition et de nitrures riches en azote pour la production d'eau solaire ».
La technologie d'évaporation de l'eau photothermique solaire devrait résoudre la pénurie mondiale d'eau propre. Ce qui doit être résolu maintenant, c'est la préparation à faible coût des matériaux photothermiques, le fonctionnement à haute efficacité, ainsi que la stabilité et la portabilité de l'utilisation dans des environnements d'application pratiques, dans l'attente de plus de résultats à l'avenir pour le bénéfice immédiat de toute l'humanité !
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