Une nouvelle technologie de traitement de l'eau pourrait aider à recycler même les eaux super salées

Des chercheurs découvrent que la conception théorique pourrait être le moyen le plus abordable de transformer les eaux salées en eau potable propre

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Des chercheurs découvrent que la conception théorique pourrait être le moyen le plus abordable de transformer les eaux salées en eau potable propre

Alors que le changement climatique provoque une méga-sécheresse dans le sud-ouest des États-Unis, le pays atteint des records inquiétants. Le niveau d'eau du lac Mead, qui fournit de l'eau à des millions de personnes, est proche de son niveau le plus bas jamais enregistré. Et à certains endroits, le fleuve Colorado qui rétrécit, qui irrigue environ 5 millions d'acres de terres agricoles et étanche la soif de plus de 40 millions de personnes, n'est que désert et poussière.

Pendant ce temps, à partir de 2018, environ 80% des eaux usées du pays - y compris l'eau utilisée dans l'agriculture, les centrales électriques et les mines - sont rejetées dans le monde, non traitées et inutilisables, une opportunité gâchée. Et bien que les technologies de purification de pointe d'aujourd'hui, qui utilisent un processus appelé osmose inverse, soient toujours le moyen le plus rentable et le plus économe en énergie pour traiter l'eau de mer et les eaux souterraines saumâtres, l'osmose inverse conventionnelle ne peut pas gérer les eaux super salées - celles qui contiennent le double de la teneur en sel de l'océan. Alors que l'approvisionnement en eau des États-Unis diminue (et devient plus salé), le pays ne peut plus se permettre de rejeter même les sources les plus salées dans le monde.

Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans Desalination, les membres du consortium de recherche de l'Alliance nationale pour l'innovation dans l'eau (NAWI) ont analysé une forme émergente d'osmose inverse, appelée osmose inverse à faible rejet de sel. Ces nouveaux systèmes pourraient même traiter l'eau très salée. Mais la conception est si nouvelle qu'elle est encore théorique.

Ainsi, pour savoir comment ces technologies pourraient concurrencer d'autres options de traitement de l'eau, l'équipe de recherche NAWI a développé un modèle mathématique qui pourrait, avec l'aide d'un superordinateur, évaluer rapidement le coût, la production d'eau propre et la consommation d'énergie de plus de 130 000 conceptions de systèmes potentiels. Leurs résultats montrent que, dans de nombreux cas, l'osmose inverse à faible rejet de sel pourrait être le choix le plus rentable, réduisant potentiellement le coût global de production d'eau propre jusqu'à 63 %.

"Le but ultime de cette recherche est de mener une évaluation technico-économique approfondie d'une nouvelle technologie qui n'a pas encore été testée dans le monde réel, mais qui a le potentiel de permettre un dessalement à haute récupération d'eau", a déclaré Adam Atia, ingénieur principal au National Energy Technology Laboratory et auteur principal de l'article.

Bien que quelques études aient évalué le coût et l'efficacité potentiels des systèmes d'osmose inverse à faible rejet de sel, cette étude propose une analyse plus complète de leur conception, de leur fonctionnement et de leurs performances. Pour mieux comprendre les promesses potentielles de ces systèmes théoriques, l'équipe a utilisé un supercalculateur pour se concentrer sur les conceptions les plus optimales et les plus rentables. Ils ont ensuite exploré comment ces conceptions pourraient fonctionner dans des centaines de milliers de scénarios (par opposition à une poignée seulement).

Parce que les systèmes d'osmose inverse à faible rejet de sel permettent à plus de sel de passer à travers chaque membrane, ils nécessitent moins de force - et donc moins d'énergie - pour pousser l'eau à travers. Mais, si plus de sel peut s'infiltrer, l'eau qui en résulte est, sans surprise, encore trop salée pour être bue. Pour produire de l'eau potable, cette eau encore trop salée est recyclée dans les étapes membranaires précédentes. Une fois que la teneur en sel est suffisamment basse, l'osmose inverse standard peut s'occuper du reste, générant une eau potable de haute qualité.

Tout ce recyclage ajoute à la complexité du système. L'équipe avait donc besoin de savoir : combien d'étages de membrane sont optimaux ? Combien de boucles de recyclage sont nécessaires ? Et combien de coût et d'énergie ces boucles ajoutent-elles ? Pour répondre à ces questions, les chercheurs pourraient calculer, individuellement, la quantité d'eau propre que chaque conception pourrait produire à partir d'eaux à différentes concentrations de sel.

"Cela leur prendrait potentiellement très, très, très longtemps à résoudre", a déclaré Ethan Young, chercheur au National Renewable Energy Laboratory (NREL) et auteur de l'étude. "Nous avons pu le faire en quelques minutes grâce au calcul haute performance."

Et, pendant ces quelques minutes, ils ont examiné non pas un mais des centaines de milliers de scénarios potentiels.

"La nouveauté de notre étude est la puissance de la force de calcul que nous avons apportée à cette analyse", a ajouté Bernard (Ben) Knueven, chercheur et auteur du NREL.

Sans supercalculateur, tous ces calculs prendraient environ 88 jours au lieu d'une heure ou même quelques minutes, a déclaré Young. Bien sûr, le supercalculateur avait également besoin de la magie mathématique de Knueven et Young pour résoudre ces problèmes de conception complexes à la fois rapidement et avec précision.

Avec tous ces calculs rapides, l'équipe a découvert que l'osmose inverse à faible rejet de sel pouvait surpasser ses concurrents en termes de coût et de consommation d'énergie - du moins pour l'eau contenant moins de 125 grammes de sel par litre. Mais le modèle de l'équipe pourrait également aider d'autres équipes de recherche à identifier, construire et tester les conceptions de systèmes les plus prometteuses.

"L'espoir est qu'en faisant ces analyses informatiques, nous pouvons donner aux expérimentateurs des informations pour dire:" Oh, voici une chose intéressante à étudier "ou" Non, c'est probablement complètement exclu "", a déclaré Knueven.

Le modèle pourrait également être étendu pour aider les expérimentateurs à se concentrer sur les meilleures conceptions pour les systèmes d'osmose inverse, en général. Leur étude est la première à utiliser et à compléter la plateforme d'évaluation technico-économique du traitement de l'eau (WaterTAP) de NAWI. Outil logiciel accessible au public, WaterTAP donne aux utilisateurs le pouvoir de modéliser et de simuler diverses technologies de traitement de l'eau et d'évaluer leurs compromis en termes de coût, d'énergie et d'environnement.

"Je pense que c'est tellement cool. Nous construisons un outil qui peut nous aider, ainsi que d'autres chercheurs, à évaluer le potentiel de technologies nouvelles et passionnantes", a déclaré Knueven à propos de WaterTAP, qui a été construit grâce à une collaboration entre NREL, Lawrence Berkeley National Laboratory, le National Energy Technology Laboratory, Oak Ridge National Laboratory et les régents de l'Université de Californie.

Ensuite, les chercheurs espèrent s'associer à des équipes expérimentales pour construire et évaluer le fonctionnement des systèmes d'osmose inverse à faible rejet de sel dans le monde réel. L'accumulation de minéraux, par exemple, pourrait ralentir le système et devrait être prise en compte dans les évaluations futures.

Même ainsi, a déclaré Atia, cette forme émergente d'osmose inverse pourrait être un outil précieux pour maximiser la récupération de l'eau à partir de sources à haute salinité. "Et notre modèle peut jouer un rôle clé dans le soutien du déploiement de la technologie", a-t-il déclaré.

"Pour moi", a déclaré Knueven, "c'est une démonstration de ce que nous pouvons faire avec un peu de calcul et un peu d'optimisation."

En savoir plus sur NAWI et les efforts de ses membres pour garantir un approvisionnement en eau abordable, économe en énergie et résilient pour les États-Unis.

L'Alliance nationale pour l'innovation dans l'eau est un partenariat public-privé qui rassemble une équipe de classe mondiale de partenaires industriels et universitaires pour examiner les obstacles techniques critiques et la recherche nécessaire pour réduire radicalement le coût et l'énergie du dessalement. L'alliance est dirigée par le laboratoire national Lawrence Berkeley du département américain de l'énergie en collaboration avec le laboratoire national des technologies énergétiques, le laboratoire national des énergies renouvelables et le laboratoire national d'Oak Ridge et est financée par le bureau de l'efficacité industrielle et de la décarbonisation du département américain de l'énergie.

Article publié avec l'aimable autorisation du Laboratoire national des énergies renouvelables.

Par Caitlin McDermott-Murphy

La mission du département américain de l'énergie est d'assurer la sécurité et la prospérité de l'Amérique en relevant ses défis énergétiques, environnementaux et nucléaires grâce à des solutions scientifiques et technologiques transformatrices. Apprendre encore plus.

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