Les ingénieurs et collaborateurs du MIT ont développé un système alimenté à l’énergie solaire. dessalement dispositif qui évite les problèmes de colmatage par le sel d’autres conceptions.

Des ingénieurs du MIT et de Chine visent à transformer l’eau de mer en eau potable grâce à un dispositif totalement passif inspiré de l’océan et alimenté par le soleil.

Dans un article paru dans la revue Joule, l’équipe décrit la conception d’un nouveau système de dessalement solaire qui récupère l’eau salée et la chauffe avec la lumière naturelle du soleil.

La configuration du dispositif de dessalement permet à l’eau de circuler dans des tourbillons tourbillonnants, à l’instar de la circulation « thermohaline » beaucoup plus importante de l’océan. Cette circulation, combinée à la chaleur du soleil, fait évaporer l’eau, laissant derrière elle du sel. La vapeur d’eau résultante peut ensuite être condensée et collectée sous forme d’eau pure et potable.

Pendant ce temps, les restes de sel continuent de circuler à travers et hors de l’appareil, plutôt que de s’accumuler et d’obstruer le système.

Le nouveau système de dessalement a un taux de production d’eau et un taux de rejet de sel plus élevés que tous les autres concepts de dessalement solaire passif actuellement testés.

Les chercheurs estiment que si le système était agrandi jusqu’à la taille d’une petite valise, il pourrait produire environ 4 à 6 litres d’eau potable par heure et durer plusieurs années avant de nécessiter des pièces de rechange. À cette échelle et à cette performance, le système pourrait produire de l’eau potable à un taux et à un prix moins chers que l’eau du robinet.

Test extérieur du prototype sous la lumière naturelle du soleil. Crédits image : Jintong Gao et Zhenyuan Xu / MIT

« Pour la première fois, il est possible que l’eau produite par la lumière du soleil soit encore moins chère que l’eau du robinet », explique Lenan Zhang, chercheur au Device Research Laboratory du MIT.

L’équipe envisage qu’un dispositif de dessalement à plus grande échelle pourrait produire passivement suffisamment d’eau potable pour répondre aux besoins quotidiens d’une petite famille. Le système pourrait également approvisionner les communautés côtières hors réseau où l’eau de mer est facilement accessible.

Les co-auteurs de l’étude de Zhang incluent Yang Zhong, étudiant diplômé du MIT et Evelyn Wang, professeur d’ingénierie Ford, ainsi que Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang et Zhenyuan Xu de l’Université Jiao Tong de Shanghai en Chine.

Une convection puissante

Le nouveau système de dessalement de l’équipe améliore leur conception précédente — un concept similaire de plusieurs couches, appelées étapes. Chaque étage contenait un évaporateur et un condenseur qui utilisaient la chaleur du soleil pour séparer passivement le sel de l’eau entrante.

Cette conception, que l’équipe a testée sur le toit d’un bâtiment du MIT, a converti efficacement l’énergie solaire pour évaporer l’eau, qui a ensuite été condensée en eau potable.

Mais le sel qui restait s’est rapidement accumulé sous forme de cristaux qui ont obstrué le système au bout de quelques jours. Dans un contexte réel, un utilisateur devrait placer des étapes fréquemment, ce qui augmenterait considérablement le coût global du système.

Dans un effort de suivi, ils conçu une solution avec une configuration en couches similaire, cette fois avec une fonctionnalité supplémentaire qui permettait de faire circuler l’eau entrante ainsi que les restes de sel. Même si cette conception empêchait le sel de se déposer et de s’accumuler sur l’appareil, elle dessalait l’eau à un taux relativement faible.

Dans la dernière version, l’équipe pense avoir opté pour une conception de système de dessalement qui atteint à la fois un taux de production d’eau élevé et un rejet de sel élevé, ce qui signifie que le système peut produire de l’eau potable de manière rapide et fiable pendant une période prolongée.

La clé de leur nouvelle conception est une combinaison de leurs deux concepts précédents : un système à plusieurs étages d’évaporateurs et de condenseurs, également configuré pour stimuler la circulation de l’eau – et du sel – au sein de chaque étape.

« Nous introduisons désormais une convection encore plus puissante, similaire à ce que nous observons généralement dans l’océan, à des échelles kilométriques », explique Xu.

Les petites circulations générées dans le nouveau système de l’équipe sont similaires à la convection « thermohaline » dans l’océan — un phénomène qui détermine le mouvement de l’eau à travers le monde, basé sur les différences de température de la mer (« thermo ») et de salinité (« haline » ).

« Lorsque l’eau de mer est exposée à l’air, la lumière du soleil fait s’évaporer l’eau. Une fois que l’eau quitte la surface, le sel reste. Et plus la concentration en sel est élevée, plus le liquide est dense, et cette eau plus lourde veut s’écouler vers le bas », explique Zhang.

« En imitant ce phénomène sur un kilomètre de large dans une petite boîte, nous pouvons profiter de cette fonctionnalité pour rejeter le sel. »

Taper

Le cœur du nouveau design de l’équipe est un étage unique qui ressemble à une fine boîte, surmontée d’un matériau sombre qui absorbe efficacement la chaleur du soleil. À l’intérieur, la boîte est séparée en une partie supérieure et une partie inférieure.

L’eau peut s’écouler à travers la moitié supérieure, où le plafond est recouvert d’une couche d’évaporateur qui utilise la chaleur du soleil pour réchauffer et évaporer toute eau en contact direct. La vapeur d’eau est ensuite acheminée vers la moitié inférieure de la boîte, où une couche de condensation refroidit la vapeur en un liquide potable sans sel.

Les chercheurs ont incliné la boîte entière dans un récipient plus grand et vide, puis ont fixé un tube de la moitié supérieure de la boîte jusqu’au fond du récipient et ont fait flotter le récipient dans l’eau salée.

Dans cette configuration, l’eau peut naturellement remonter à travers le tube et dans la boîte, où l’inclinaison de la boîte, combinée à l’énergie thermique du soleil, fait tourbillonner l’eau lorsqu’elle s’écoule. Les petits tourbillons aident à mettre l’eau en contact avec la couche supérieure d’évaporation tout en gardant le sel en circulation, plutôt que de se déposer et de se boucher.

L’équipe a construit plusieurs prototypes de cet appareil de dessalement, à un, trois et dix étages, et testé leurs performances dans des eaux de salinité variable, notamment de l’eau de mer naturelle et de l’eau sept fois plus salée.

À partir de ces tests, les chercheurs ont calculé que si chaque étape était agrandie à un mètre carré, elle produirait jusqu’à 5 litres d’eau potable par heure et que le système pourrait dessaler l’eau sans accumuler de sel pendant plusieurs années.

Compte tenu de cette durée de vie prolongée et du fait que le système est entièrement passif, ne nécessitant aucune électricité pour fonctionner, l’équipe estime que le coût global de fonctionnement du système serait moins cher que ce qu’il en coûte pour produire de l’eau du robinet aux États-Unis.

« Nous montrons que cet appareil est capable d’atteindre une longue durée de vie », déclare Zhong. « Cela signifie que, pour la première fois, il est possible que l’eau potable produite par la lumière du soleil soit moins chère que l’eau du robinet. Cela ouvre la possibilité au dessalement solaire de résoudre des problèmes réels.

« Il s’agit d’une approche très innovante qui atténue efficacement les principaux défis dans le domaine du dessalement », explique Guihua Yu, qui développe des systèmes durables de stockage d’eau et d’énergie à l’Université du Texas à Austin et n’a pas participé à la recherche.

« Cette conception est particulièrement avantageuse pour les régions aux prises avec une eau à forte salinité. Sa conception modulaire le rend parfaitement adapté à la production d’eau domestique, permettant une évolutivité et une adaptabilité pour répondre aux besoins individuels.

Écrit par Jennifer Chu

Source: Massachusetts Institute of Technology