L’eau propre pourrait bientôt faire un bond en avant microscopique. Suite à l’achèvement de l’initiative Convert2Green de l’Union européenne, des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour la technologie des faisceaux d’électrons et du plasma (FEP) ont dévoilé un système de filtration à nanomembrane de carbone (CNM) qui dépasse la technologie habituelle d’osmose inverse.
Il filtre l’eau avec une efficacité cinq fois supérieure aux normes industrielles existantes. Il réduit considérablement les coûts énergétiques et s’intègre facilement aux lignes de fabrication existantes. Des pressions opérationnelles plus faibles permettent une infrastructure de pompe plus légère, réduisant directement les dépenses énergétiques industrielles et les coûts d’équipement.
Le bouclier nanométrique
La plupart des systèmes d’osmose inverse reposent sur des membranes polymères denses qui nécessitent une pression hydraulique élevée et une énergie électrique importante pour entraîner le débit d’eau.
Le développement se concentre sur des couches polymères de nanomembranes de carbone (CNM) conçues pour avoir une épaisseur de quelques nanomètres seulement. La couche polymère ultra-fine a été conçue en partenariat avec la startup CNM Technologies GmbH.
Les nanomembranes de carbone sont des réseaux de carbone bidimensionnels d’une seule molécule d’épaisseur qui créent des barrières moléculaires étroites. Les membranes d’osmose inverse en polyamide conventionnelles sont relativement denses et épaisses, alors que ces nouvelles structures comportent des pores inférieurs au nanomètre. Les molécules d’eau se déplacent à travers ces pores avec un minimum de friction. Pendant ce temps, les ions de sel dissous, les composés organiques complexes et les microcontaminants sont pris net dans leur élan.
Lors de tests comparatifs en laboratoire, le composite CNM a obtenu une multiplication par cinq du rejet de sel par rapport aux configurations d’osmose inverse tout en maintenant un débit de fluide comparable. Pour les usines de purification industrielles à forte consommation énergétique, cela signifie des pressions de fonctionnement plus faibles, des empreintes au sol réduites et d’importantes économies d’énergie.
Au-delà de l’eau : nourriture, énergie et capteurs
Les membranes polymères conventionnelles subissent une dégradation de leurs performances en raison de l’encrassement biologique et du tartre minéral, qui nécessitent un nettoyage chimique fréquent.
Les nanomembranes de carbone réticulées présentent des surfaces ultra-lisses et une robuste résilience chimique qui prolongent la durée de vie opérationnelle. Les structures hautement réticulées résistent également bien mieux à la dégradation causée par les solvants et les agents de nettoyage agressifs que les couches de polyamide standard.
Selon les chercheurs, le potentiel de la technologie s’étend au-delà de la purification de l’eau jusqu’au traitement des liquides sensibles.
Dans la transformation des aliments et des boissons, concentrer des liquides signifie généralement les faire bouillir. La chaleur détruit les saveurs délicates et détruit les protéines vitales. L’utilisation de l’osmose directe avec les filtres CNM permet aux fabricants d’extraire doucement l’eau à température ambiante. Les concentrés de boissons deviennent moins chers à expédier sans sacrifier le goût.
Au-delà de la nourriture, l’équipe Fraunhofer a intégré des couches métalliques nanométriques directement sur le film polymère. Cette variante ouvre la voie à des feuilles métalliques ultra fines (seulement quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur) pour les capteurs miniaturisés, les dispositifs optiques et le matériel d’énergie propre de nouvelle génération.
« Ce qui est crucial ici, ce n’est pas seulement le résultat technologique lui-même, mais aussi le fait que nous avons établi des structures au sein du projet qui permettront de transférer plus rapidement les innovations futures dans des applications prêtes à être commercialisées », a déclaré le Dr Matthias Fahland, chef de projet chez Fraunhofer FEP.
Les développements en laboratoire ont souvent du mal à passer à une fabrication à grande échelle. Fraunhofer FEP a surmonté ce défi commun en démontrant la séquence de production complète au sein d’un système roll-to-roll continu et à grande vitesse. Le processus intègre chaque étape, du dépôt de la couche moléculaire au durcissement par faisceau électronique.
Le banc d’essai d’innovation ouverte Convert2Green (OITB) continuera de fournir aux petites et moyennes entreprises (PME) un accès direct aux lignes pilotes, aux installations de test et aux centres de support numérique. Le réseau de partenariat prévoit d’ancrer sa prochaine série de déploiements industriels lors de la conférence Pro Flex 2027 à Dresde.
