Calculer de l’eau propre – Technoguide

L’eau est peut-être la ressource naturelle la plus critique de la Terre. Compte tenu de la demande croissante et des ressources en eau de plus en plus épuisées, les scientifiques recherchent des moyens plus innovants d’utiliser et de réutiliser l’eau existante, ainsi que de concevoir de nouveaux matériaux pour améliorer les méthodes de purification de l’eau. Les membranes polymères semi-perméables créées synthétiquement utilisées pour l’élimination des solutés contaminants peuvent fournir un niveau de traitement avancé et améliorer l’efficacité énergétique du traitement de l’eau; cependant, les lacunes existantes dans les connaissances limitent les progrès transformateurs de la technologie des membranes. Un problème de base consiste à apprendre comment l’affinité, ou l’attraction, entre les solutés et les surfaces membranaires a un impact sur de nombreux aspects du processus de purification de l’eau.

«L’encrassement – là où les solutés adhèrent aux membranes et les salit – réduit considérablement les performances et constitue un obstacle majeur à la conception de membranes pour traiter l’eau produite», a déclaré M. Scott Shell, professeur de génie chimique à l’UC Santa Barbara, qui effectue des simulations informatiques. de matériaux souples et de biomatériaux. «Si nous pouvons comprendre fondamentalement comment l’adhésivité des solutés est affectée par la composition chimique des surfaces de la membrane, y compris la configuration possible des groupes fonctionnels sur ces surfaces, alors nous pouvons commencer à concevoir des membranes de nouvelle génération résistantes à l’encrassement pour repousser une large gamme de solutés. les types.”

Maintenant, dans un article publié dans les Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS), Shell et l’auteur principal Jacob Monroe, un récent doctorat. diplômé du département et ancien membre du groupe de recherche de Shell, expliquer la pertinence des caractérisations macroscopiques de l’affinité soluté-surface.

«Les interactions soluté-surface dans l’eau déterminent le comportement d’une vaste gamme de phénomènes physiques et de technologies, mais sont particulièrement importantes dans la séparation et la purification de l’eau, où de nombreux types distincts de solutés doivent être éliminés ou capturés», a déclaré Monroe, maintenant un chercheur postdoctoral à l’Institut national des normes et de la technologie (NIST). “Ce travail aborde le grand défi de comprendre comment concevoir des membranes de nouvelle génération capables de gérer d’énormes volumes annuels de sources d’eau hautement contaminées, comme celles produites dans les opérations de champs pétrolifères, où la concentration de solutés est élevée et leurs chimies très diverses.”

Les solutés sont souvent caractérisés comme s’étendant sur une gamme allant de l’hydrophile, qui peut être considéré comme étant hydrophile et se dissolvant facilement dans l’eau, à hydrophobe ou à ne pas aimer l’eau et préférant se séparer de l’eau, comme l’huile. Les surfaces couvrent la même gamme; par exemple, l’eau perle sur les surfaces hydrophobes et s’étale sur les surfaces hydrophiles. Les solutés hydrophiles aiment adhérer aux surfaces hydrophiles et les solutés hydrophobes adhèrent aux surfaces hydrophobes. Ici, les chercheurs ont corroboré l’attente selon laquelle «comme des bâtons pour aimer», mais ont également découvert, de manière surprenante, que le tableau complet est plus complexe.

«Parmi le large éventail de chimies que nous avons considéré, nous avons constaté que les solutés hydrophiles aiment aussi les surfaces hydrophobes, et que les solutés hydrophobes aiment aussi les surfaces hydrophiles, bien que ces attractions soient plus faibles que celles similaires», a expliqué Monroe, faisant référence aux huit solutés. le groupe testé, allant de l’ammoniac et de l’acide borique, à l’isopropanol et au méthane. Le groupe a sélectionné des solutés à petites molécules que l’on trouve généralement dans les eaux produites pour fournir une perspective fondamentale sur l’affinité soluté-surface.

Le groupe de recherche informatique a développé un algorithme pour réorganiser les surfaces en réorganisant les groupes chimiques de surface afin de minimiser ou de maximiser l’affinité d’un soluté donné avec la surface, ou encore, de maximiser l’affinité de surface d’un soluté par rapport à celle d’un autre. L’approche reposait sur un algorithme génétique qui «faisait évoluer» les modèles de surface d’une manière similaire à la sélection naturelle, les optimisant vers un objectif fonctionnel particulier.

Grâce à des simulations, l’équipe a découvert que l’affinité de surface était mal corrélée aux méthodes conventionnelles d’hydrophobicité des solutés, telles que la soluté d’un soluté dans l’eau. Au lieu de cela, ils ont trouvé un lien plus fort entre l’affinité de surface et la façon dont les molécules d’eau près d’une surface ou près d’un soluté modifient leurs structures en réponse. Dans certains cas, ces eaux voisines ont été contraintes d’adopter des structures défavorables; en se rapprochant des surfaces hydrophobes, les solutés pourraient alors réduire le nombre de ces molécules d’eau défavorables, fournissant une force motrice globale pour l’affinité.

“L’ingrédient manquant était de comprendre comment les molécules d’eau près d’une surface sont structurées et se déplacent autour d’elle”, a déclaré Monroe. “En particulier, les fluctuations structurelles de l’eau sont améliorées près des surfaces hydrophobes, par rapport à l’eau en vrac, ou à l’eau éloignée de la surface. Nous avons constaté que les fluctuations conduisaient à l’adhésivité de tous les petits types de solutés que nous avons testés.”

La découverte est significative car elle montre que lors de la conception de nouvelles surfaces, les chercheurs devraient se concentrer sur la réponse des molécules d’eau qui les entourent et éviter d’être guidés par des mesures d’hydrophobicité conventionnelles.

Sur la base de leurs découvertes, Monroe et Shell affirment que des surfaces composées de différents types de chimies moléculaires peuvent être la clé pour atteindre de multiples objectifs de performance, comme empêcher un assortiment de solutés d’encrasser une membrane.

“Les surfaces avec plusieurs types de groupes chimiques offrent un grand potentiel. Nous avons montré que non seulement la présence de différents groupes de surface, mais aussi leur disposition ou motif, influencent l’affinité soluté-surface”, a déclaré Monroe. “Simplement en réorganisant le modèle spatial, il devient possible d’augmenter ou de diminuer considérablement l’affinité de surface d’un soluté donné, sans changer le nombre de groupes de surface présents.”

Selon l’équipe, leurs résultats montrent que les méthodes de calcul peuvent contribuer de manière significative aux systèmes membranaires de nouvelle génération pour le traitement durable de l’eau.

«Ce travail a fourni un aperçu détaillé des interactions à l’échelle moléculaire qui contrôlent l’affinité soluté-surface», a déclaré Shell, titulaire de la chaire du fondateur de John E. Myers en génie chimique. «De plus, cela montre que la création de motifs de surface offre une stratégie de conception puissante dans l’ingénierie des membranes qui résistent à l’encrassement par une variété de contaminants et qui peuvent contrôler avec précision la façon dont chaque type de soluté est séparé. En conséquence, il offre des règles de conception moléculaire et des cibles pour des systèmes membranaires de nouvelle génération capables de purifier les eaux hautement contaminées de manière économe en énergie. “

La plupart des surfaces examinées étaient des systèmes modèles, simplifiés pour faciliter l’analyse et la compréhension. Les chercheurs disent que la prochaine étape naturelle consistera à examiner des surfaces de plus en plus complexes et réalistes qui imitent plus étroitement les membranes réelles utilisées dans le traitement de l’eau. Une autre étape importante pour rapprocher la modélisation de la conception de la membrane consistera à aller au-delà de la simple compréhension du caractère collant d’une membrane pour un soluté et au calcul des vitesses auxquelles les solutés se déplacent à travers les membranes.

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