Le graphiène, une feuille d'atomes de carbone à une épaisseur unique disposée en treillis hexagonal, est devenu l'un des matériaux les plus polyvalents de la science moderne des matériaux. Sa force mécanique extraordinaire, sa conductivité thermique et électrique exceptionnelle et sa surface spécifique inégalée en font un candidat privilégié pour relever l'un des défis les plus pressants de l'humanité : la pénurie d'eau à l'échelle mondiale.Avec plus de deux milliards de personnes vivant dans des régions soumises à des contraintes hydriques, la nécessité de technologies de récolte efficaces et durables n'a jamais été aussi urgente.

Pourquoi Graphene est prometteur pour les technologies de l'eau

Son surface théorique spécifique d'environ 2630 m2/g offre une interface immense pour adsorber les contaminants ou faciliter le transfert de chaleur. Le matériau est une résistance mécanique intrinsèque – environ 200 fois celle de l'acier – qui permet la fabrication de membranes robustes ultraminces qui peuvent résister à des pressions élevées sans sacrifier la perméabilité. De plus, le graphine présente une excellente stabilité chimique dans les milieux acides et alcalins, ce qui est essentiel pour traiter diverses sources d'eau qui peuvent contenir des produits chimiques ou des agents biologiques difficiles.

Par exemple, l'oxyde de graphine (GO) — un dérivé contenant des groupes fonctionnels d'oxygène — se disperse facilement dans l'eau et peut être assemblé en membranes laminaires avec des nanocanaux qui permettent sélectivement aux molécules d'eau de passer tout en bloquant les ions, les bactéries et les polluants plus grands. La réduction de l'oxyde de graphine (rGO) conserve nombre de ces propriétés tout en rétablissant certains matériaux vierges de conductivité électrique, qui peuvent être exploités pour la séparation à commande électrochimique ou l'auto-nettoyage. Ces caractéristiques polyvalentes font du graphine un bloc de construction idéal pour les technologies de l'eau de prochaine génération qui doivent être simultanément efficaces, durables et adaptables aux conditions locales.

Membranes de filtration à base de graphine

L'une des applications les plus matures du graphène dans la technologie de l'eau est le développement de membranes de filtration avancées. Les membranes traditionnelles à osmose inverse et nanofiltration, souvent faites de composites à film mince polyamide, souffrent d'un compromis fondamental entre perméabilité et sélectivité.

Membranes laminaires à oxyde de graphine

Les molécules d'oxyde de graphine (GO) sont constituées de feuilles empilées qui forment des galeries intercouches, généralement de 0,8 à 1,5 nm de largeur. Les molécules d'eau peuvent rapidement traverser ces nanocanaux, entraînées par des forces capillaires et par la liaison hydrogène, tandis que les ions hydratés, les molécules organiques et les pathogènes sont effectivement tamisés. Dans une étude historique publiée dans Science, les chercheurs ont démontré que les membranes GO peuvent atteindre des flux d'eau de plusieurs ordres de grandeur plus élevés que les membranes conventionnelles tout en maintenant > 99 % de rejet du chlorure de sodium et d'autres sels lorsqu'elles sont correctement recoupées.

Les récentes avancées ont porté sur la stabilisation des membranes GO dans des environnements aqueux, car le GO pur a tendance à gonfler ou à délaminer au fil du temps.Les stratégies comprennent la liaison chimique avec les diamines, l'incorporation de nanocristaux de cellulose ou l'intégration du GO dans une matrice de polymères.Par exemple, une étude de 2023 réalisée dans Nature Water[ a indiqué que les membranes GO crosslinked avec le chlorure de trimesoyle ont une performance stable pendant plus de 1 000 heures de fonctionnement continu dans le dessalement de l'eau saumâtre, avec un rejet de sel supérieur à 99,5 %.

Membranes poreuses de graphine

Au-delà des conceptions laminaires, les chercheurs créent également des membranes de graphiène monocouche ou à faible couche avec des pores sous-nanométriques délibérément introduits par des techniques telles que la gravure au plasma d'oxygène, le bombardement ionique ou l'irradiation par faisceau d'électrons focalisés.Ces membranes de graphiène poreux peuvent obtenir un rejet presque parfait des ions et des petites molécules tout en conservant une perméabilité exceptionnelle due à la diffusion extrêmement courte.

Cependant, l'échelle des membranes poreuses du graphène reste un défi important. La création de films graphiènes à grande surface et sans défaut, puis l'introduction de pores uniformes avec des distributions de taille étroite, nécessite un équipement coûteux et un contrôle précis des processus.

Membranes hybrides et composites

Pour combiner les forces du graphine avec d'autres matériaux, les chercheurs développent des membranes hybrides qui intègrent des flocons de graphine dans une matrice de polymères ou un graphine de couche sur des supports céramiques.Ces composites présentent souvent une stabilité mécanique accrue, une résistance aux encrassements et une charge de surface thonée.Par exemple, les membranes d'ultrafiltration de polyéthersulfone (PSE) infusées avec seulement 0,1 % en poids d'oxyde de graphine ont montré une augmentation de 45 % du flux d'eau pure et une réduction de 30 % des encrassementsements irréversibles lors de la filtration de l'albumine sérique bovine, comme le rapporte un article de 2021 Journal of Membrane Science.

Lien externe: Nature: Réaliser le potentiel des membranes à base de graphène pour la purification de l'eau

Évaporation photothermique de l'eau

La récupération d'eau à partir de sources salines ou polluées à l'aide d'énergie solaire est une pratique ancienne, mais le graphène a révolutionné l'efficacité de l'évaporation photothermique. Dispersé dans l'eau ou structuré comme un film ou aérogel, le graphiène présente une absorption de lumière à large spectre (d'UV à infrarouge) et convertit efficacement les photons absorbés en chaleur.

Évaporateurs solaires à base de graphine

Les premières conceptions utilisaient des particules d'oxyde de graphine en suspension qui, sous la lumière du soleil, échauffaient l'eau environnante et induisaient l'évaporation. Cependant, l'efficacité était limitée par les pertes de chaleur du liquide en vrac. Les approches modernes utilisent des structures de graphine poreux flottantes qui limitent la chaleur à la surface évaporative.

Un exemple notable est une étude de 2020 dans Des matériaux avancés[, où des chercheurs ont fabriqué une mousse de graphiène hiérarchique avec une structure microporeuse qui a fourni à la fois le transport capillaire de l'eau et un chauffage solaire efficace. L'appareil a produit de l'eau propre à un taux de 2,5 kg/m2·h sous un soleil, et l'eau recueillie a satisfait aux normes de l'OMS en matière de teneur en eau potable pour le sel et la contamination microbienne.

Intégration avec d'autres technologies

Par exemple, certains chercheurs ont intégré des évaporateurs solaires à base de graphène avec des modules thermoélectriques qui utilisent le gradient de température entre la surface d'évaporation chaude et l'air ambiant pour produire de l'électricité. Ces dispositifs hybrides peuvent fournir à la fois de l'eau douce et de l'énergie pour les communautés éloignées, comme le démontre un document de 2022 Science de l'énergie et de l'environnement.

Une autre voie prometteuse est l'incorporation de nanoparticules photocatalytiques (par exemple TiO2 ou g-C3N4) sur des surfaces de graphine pour permettre la dégradation simultanée des polluants organiques pendant l'évaporation.Cette double fonctionnalité répond à l'une des principales limites des alambics solaires conventionnels, leur incapacité à éliminer les contaminants chimiques qui ne se vaporisent pas facilement.

Lien externe: RSC Energy & Environmental Science: Générateur hybride de vapeur solaire et dispositif thermoélectrique

Collecte d'eau atmosphérique améliorée par le graphine

La récolte atmosphérique de l'eau (AWH) – l'extraction de l'humidité de l'air – a gagné en traction pour produire de l'eau douce dans les régions arides. Des matériaux à base de graphine sont étudiés pour améliorer les stades de sorption et de désorption des systèmes AWH, en particulier ceux qui exploitent les cycles de température diurne.

Systèmes à base de sorption avec aérogels graphiene

Les dessicants conventionnels comme le gel de silice ou les zéolites ont une absorption limitée de l'eau et nécessitent des températures de régénération élevées. Les aérogels graphiènes – des réseaux trop légers et poreux de feuilles de graphine – peuvent être fonctionnels avec des sels hygroscopiques (par exemple LiCl, CaCl2) pour obtenir des capacités d'adsorption élevées en vapeur d'eau, dépassant souvent 2,0 g d'eau par gramme d'sorbant à des niveaux d'humidité modérée (40-60% HR).

Dans une étude publiée en 2021 dans Science Advances, un aérogel de graphine imprégné de LiCl captait l'eau de l'air la nuit (lorsque l'humidité est élevée) et la laissait passer pendant la journée sous la lumière du soleil, produisant 0,5 L d'eau par kilogramme de sorbant par cycle.

Récolte de brouillard avec un filet recouvert de graphine

La récolte de brouillard est une technique passive qui recueille les gouttelettes d'eau du vent chargé de brouillard à l'aide de filets à mailles. Les mailles de polypropylène traditionnelles ont une faible efficacité de collecte parce que les petites gouttelettes ont tendance à s'écouler autour des fibres plutôt que d'y toucher. Le revêtement des fibres de mailles au graphine peut améliorer de façon spectaculaire la capture des gouttelettes. Graphène , une rugosité de surface élevée et une humidité contrôlée (les groupes d'oxygène hydrophilique peuvent être ajustés) favorisent la nucléation et la coalescence des gouttelettes de brouillard.

Lien externe : Science Advances : Aérogels hygroscopiques graphiènes pour la récolte atmosphérique de l'eau

Intégration avec le Desalinisation Solaire

Bien que l'évaporation photothermique et la filtration membranaire soient prometteuses individuellement, leur combinaison dans des systèmes de dessalement intégrés à l'énergie solaire offre des avantages synergiques. Le graphine peut servir à la fois d'absorbeur photovoltaïque et de matériau membranaire dans un seul appareil. Par exemple, les chercheurs ont développé un dispositif flottant qui utilise une couche photothermique à base de graphine sur le dessus d'une membrane d'oxyde de graphine.

Un essai sur le terrain réalisé dans le Rajasthan rural a démontré qu'un solaire à base de graphène à faible coût pourrait encore produire 12 L/m2 par jour sur une période de 10 mois, avec des besoins d'entretien minimes par rapport aux alambics solaires classiques. Le système repose sur des matériaux disponibles localement et des procédés de fabrication simples (tels que la coulée en goutte de dispersion GO sur du papier cellulose) qui suggèrent une voie viable vers la production et le déploiement en masse dans les régions en développement.

Défis et portée

Malgré les progrès remarquables réalisés en laboratoire, il faut surmonter plusieurs obstacles avant que les techniques de collecte d'eau basées sur le graphène puissent être largement adoptées. Premièrement, la synthèse à grande échelle du graphène et de l'oxyde de graphine de haute qualité demeure coûteuse et à forte intensité énergétique. Les méthodes actuelles, telles que l'oxydation de l'eau de Hummers-Hummers pour le GO et le CVD pour le graphine vierge, impliquent des produits chimiques dangereux, des températures élevées ou un traitement en aval coûteux.

Deuxièmement, la stabilité à long terme des matériaux graphinés dans les milieux d'eau réels exige une étude approfondie. Bien que les tests en laboratoire montrent une dégradation minimale au cours des jours ou des semaines, les eaux réelles contiennent un cocktail de matière organique dissoute, de micro-organismes et de cations divalents qui peuvent causer une encrassement, une mise à l'échelle ou une désintégration des structures à base de graphiène.

Troisièmement, la toxicité potentielle des nanomatériaux graphinés soulève des préoccupations environnementales et sanitaires qui pourraient entraver l'acceptation réglementaire. Certaines études in vitro suggèrent que les bords aigus ou les espèces réactives d'oxygène générés par le graphiène peuvent endommager les membranes cellulaires ou induire un stress oxydatif. Toutefois, la plupart de ces études utilisent des concentrations élevées de graphiène non représentatives de scénarios d'exposition réalistes.

Lien externe: Désalination: Évaluation du cycle de vie des membranes à base de graphène pour le traitement de l'eau

Orientations futures et frontières de la recherche

Plusieurs tendances émergentes promettent d'accélérer la traduction des technologies de l'eau du graphine du laboratoire au marché, notamment l'utilisation de l'apprentissage automatique et de l'intelligence artificielle pour optimiser les paramètres de synthèse des membranes du graphine. En formant des modèles sur de grands ensembles de données de résultats expérimentaux, les chercheurs peuvent prédire la taille optimale des flocons, le degré d'oxydation et la densité des pores pour une composition d'eau donnée.

Inspirés par les systèmes biologiques, les chercheurs ont intégré des microcapsules contenant des agents de guérison qui sont libérés lors des dommages.Une preuve de conception de 2023 dans Nanotechnologie de la nature a montré qu'une membrane d'oxyde de graphine avec prépolymères encapsulés de polyuréthane pouvait récupérer 90% de son flux d'eau d'origine après avoir été intentionnellement éraflé, offrant une solution potentielle aux problèmes de durabilité.

Enfin, les partenariats entre les pouvoirs publics et l'industrie seront essentiels, notamment le Forum économique mondial et l'Accélérateur de l'accès à l'eau des Nations Unies ont identifié les matériaux avancés comme un facteur clé pour la réalisation de l'objectif 6 (eau potable et assainissement) de développement durable.

Conclusion

Le graphine a fondamentalement modifié le paysage de la récolte durable de l'eau en permettant la filtration des membranes avec une sélectivité et une perméabilité sans précédent, l'évaporation photothermique avec une efficacité solaire presque parfaite et la capture atmosphérique de l'eau à partir d'air même sec. Bien que des défis subsistent en matière de fabrication évolutive, de durabilité à long terme et de sécurité environnementale, le rythme de l'innovation laisse croire que des solutions commerciales sont à portée de main.