Une approche mécanique pour nettoyer plus efficacement les membranes de dessalement

Une approche mécanique pour nettoyer plus efficacement les membranes de dessalement

Une équipe interdisciplinaire d’ingénieurs a uni ses forces pour trouver une nouvelle façon de nettoyer les membranes de filtration obstruées. Crédits: Elia Kneiriemen / J-WAFS

Les membranes de filtration sont essentielles pour une grande variété d’industries à travers le monde. Fabriqués à partir de matériaux aussi variés que la cellulose, le graphène et le nylon, ils servent de barrières qui transforment l’eau de mer en eau potable, séparent et transforment le lait et les produits laitiers et extraient les contaminants des eaux usées. Ils servent de technologie essentielle à ces industries et à d’autres, mais sont en proie à un talon d’Achille: l’encrassement.

L’encrassement de la membrane se produit lorsque des particules se déposent sur le filtre au fil du temps, obstruant le système et limitant son efficacité et son efficacité. Les efforts de nettoyage ou de désencrassement de ces membranes reposent généralement sur des procédés chimiques, dans lesquels des solvants synthétiques sont pompés à travers la membrane pour rincer le système. Cependant, cela entraîne des pertes de productivité et de profit, tout en soulevant des préoccupations environnementales et de sécurité au travail associées à l’élimination des déchets.

Une solution à ce défi pourrait bientôt être en vue. Une équipe de chercheurs du département de génie mécanique du MIT, soutenue par une subvention de démarrage du laboratoire Abdul Latif Jameel des systèmes d’eau et d’alimentation (J-WAFS) du MIT, a trouvé une alternative. Leur solution a été développée grâce à une collaboration unique entre des chercheurs ayant une expertise en dynamique des fluides et des structures.

L’équipe a développé un nouveau système qui permet de nettoyer mécaniquement les membranes en utilisant une déformation contrôlée. Leur nouvelle approche, l’une des premières à combiner membranes et mécanique, a le potentiel d’être moins chère, plus rapide et plus respectueuse de l’environnement que les techniques traditionnelles de nettoyage des membranes, et est sur le point de révolutionner notre façon de penser la filtration.

«L’encrassement est le plus gros problème auquel sont confrontées les membranes. Être capable de le résoudre changerait la donne pour tout le monde», déclare Omar Labban, Ph.D. ’20 du Département de génie mécanique, coauteur principal d’un nouvel article publié dans le Journal of Membrane Science.

Les travaux ont débuté lorsque deux professeurs de génie mécanique ont vu le potentiel d’unir leurs domaines d’expertise. John Lienhard, professeur Abdul Latif Jameel de génie hydraulique et mécanique et directeur de J-WAFS, s’est associé à Xuanhe Zhao, professeur de génie mécanique et à la faculté George N. Hatsopoulos. Lienhard est un expert international de la purification et du dessalement de l’eau, tandis que Zhao se spécialise dans le domaine des matériaux souples.

«Les problèmes du monde réel, tels que l’encrassement des membranes, transcendent les lignes disciplinaires», déclare Lienhard. « Dans ce cas, nous avons été confrontés à la fois à un problème de mécanique de la matière molle et de dessalement des membranes. Notre équipe a combiné ces connaissances disparates à travers un programme expérimental solide pour parvenir à un processus de nettoyage plus respectueux de l’environnement. »

L’article qui détaille la nouvelle approche de l’équipe a été sélectionné comme article du choix de l’éditeur par la revue pour février 2021. Les co-auteurs de l’article Lienhard, Zhao et Labban ont également été rejoints par le co-auteur principal et un membre de l’équipe de recherche principale qui dirige ce travail. , Grace Goon Ph.D. ’20 du Département d’aéronautique et d’astronautique, et Zi Hao Foo, ancien étudiant invité et actuel étudiant diplômé en génie mécanique.

Le «talon d’Achille» de la filtration

L’encrassement est le processus par lequel les particules sont déposées sur la surface d’une membrane. Bien qu’il se produise dans n’importe quel système de filtration à membrane, l’encrassement est particulièrement gênant pour le dessalement. En tant qu’intrant du processus, l’eau de mer contient bien plus que du sel à éliminer. Les salissures, allant des bactéries aux matières organiques et aux minéraux, peuvent s’accumuler très rapidement sur les membranes d’osmose inverse. Une fois les membranes obstruées, elles sont moins efficaces, limitant la quantité d’eau propre qui peut être produite ainsi que la pureté du produit final.

Malheureusement, la solution de nettoyage actuelle n’est pas idéale. Les membranes utilisées pour le dessalement sont nettoyées avec des produits chimiques, ce qui prend du temps, de l’argent et des ressources à l’exploitation de l’usine de filtration. Les opérateurs d’usines de dessalement de l’eau doivent souvent arrêter la production pour rincer leurs systèmes pendant plusieurs heures par cycle de nettoyage. Pour l’industrie laitière, les opérateurs doivent nettoyer les membranes plusieurs fois par jour. Les cocktails chimiques utilisés pour rincer les systèmes sont souvent exclusifs, ce qui rend le dessalement d’un coût prohibitif pour certains pays et municipalités. L’impact environnemental est également lourd car les usines doivent alors trouver comment éliminer les grandes quantités de déchets chimiques sans poser de problèmes écologiques et toxicologiques.







Le contrôle de la pression de chaque côté de cette membrane permet à la couche de contaminants de se décoller et de se laver. Crédit: Massachusetts Institute of Technology

Travailler ensemble pour une solution plus propre

Motivée par l’efficacité, l’abordabilité et la durabilité environnementale, l’équipe de recherche a cherché à développer une solution sans produits chimiques permise par les principes de la mécanique. Goon, membre de l’équipe de recherche principale, raconte les premiers jours, lorsque l’équipe a exploré diverses méthodes de vibration, y compris un système stéréo, pour secouer la couche de saleté de la membrane. À partir de là, ils sont passés à l’expérimentation en faisant varier la pression de chaque côté de la membrane pour affaiblir les débris liés. Finalement, ils ont réussi à faire décoller la couche.

Leur solution repose sur un phénomène connu sous le nom de fatigue interfaciale de l’encrassement des membranes. Grâce à de subtils changements de pression, l’équipe a pu progressivement affaiblir et déformer la couche collée de salissants petit à petit jusqu’à ce qu’elle puisse être emportée. Les recherches précédentes se sont éloignées de cette méthode en raison de la fragilité des membranes, « mais nous avons montré que si vous êtes en mesure de la contrôler correctement, vous pouvez éviter d’endommager votre membrane », explique Goon. Mieux encore, la méthode peut être utilisée sur le module de membrane enroulé en spirale standard de l’industrie, où les couches de membranes étroitement espacées posaient un défi pour d’autres méthodes de nettoyage mécanique.

Bien que les processus de nettoyage chimique traditionnels puissent être nécessaires pour compléter cette solution mécanique, cette nouvelle méthode peut réduire la dépendance des utilisateurs à l’égard du rinçage chimique, ce qui profite aux exploitants de l’usine de multiples façons. Les calculs de l’équipe indiquent que le temps d’arrêt pour le nettoyage serait divisé par six. Les usines étant moins souvent en panne, la quantité totale d’eau propre produite par le système peut augmenter. «Vous économiserez sur les coûts, vous exploiterez davantage l’usine, vous obtiendrez plus de rendement. Lorsque le nettoyage ne deviendra plus un fardeau pour l’opérateur, le système fonctionnera dans un bien meilleur état dans le à long terme », explique Labban.

Ces améliorations procurent des avantages tangibles aux producteurs et aux consommateurs. Au cours de la recherche sur le terrain, l’équipe a exploré le potentiel de marché de cette technologie et s’est entretenue avec des exploitants d’usine dans un certain nombre d’industries qui ont tous exprimé leur frustration face à la nature lourde du processus de nettoyage. Pour la seule industrie laitière, qui a déjà fait face à la diminution des bénéfices de la pandémie, l’équipe estime qu’un passage au nettoyage mécanique pourrait réduire de moitié les coûts de nettoyage.

L’intersection unique de la technologie des membranes et des processus mécaniques que cette technologie modélise fournit une solution que beaucoup dans le domaine du dessalement ne pensaient pas possible. «Soudainement, vous êtes capable de réaliser beaucoup plus qu’avant – votre impact et le changement que vous pouvez accomplir deviennent plus grands», déclare Labban à propos de la chance de travailler sur une collaboration multidisciplinaire.

Le projet a non seulement réuni deux spécialités du département de génie mécanique et du département d’aéronautique et d’astronautique. L’équipe a également été rejointe par Gabrielle Enns, Annetoinette Figueroa, Lara Ketonen, Hannah Mahaffey, Bryan T.Padilla et Maisha Prome dans le cadre du programme d’opportunités de recherche de premier cycle du MIT. La perspective unique apportée par chaque membre de l’équipe a contribué à favoriser la créativité et la camaraderie dans le laboratoire.

En raison de l’approche prête à l’emploi adoptée par l’équipe de recherche interdisciplinaire, les mécanismes de financement traditionnels n’étaient pas aussi facilement disponibles pour ce travail. C’est pourquoi la subvention de démarrage J-WAFS a été si efficace. «Sans J-WAFS, ce travail n’aurait pas eu lieu», déclare Labban. La subvention a permis à l’équipe de recherche de se concentrer sur le défi en tant que catalyseur principal de la recherche, plutôt que de se limiter à un processus technique particulier ou à un résultat structuré. Cela a donné à l’équipe la liberté de profiter de la collaboration interdépartementale qui a permis la convergence de la recherche mécanique et membranaire au nom de meilleures stratégies de filtration.

Le présent article se penche principalement sur les salissures organiques et la technique n’a été évaluée que pour un nombre limité d’industries. Tournée vers l’avenir, cependant, l’équipe est ravie d’étendre ses recherches en appliquant la méthode à une variété de domaines, y compris les secteurs de l’énergie et de l’agriculture. Tant que les membranes seront utilisées, il sera nécessaire de les nettoyer. «Nous sommes ravis de résoudre le principal goulot d’étranglement avec les membranes et le dessalement», déclare Labban. « Rien d’autre ne se compare à ce défi. »


Le revêtement pelable garde le dessalement plus propre et plus vert


Plus d’information:
Grace SS Goon et coll. Nettoyage induit par la déformation des membranes encrassées organiquement: fondamentaux et évaluation technico-économique des membranes spiralées, Journal of Membrane Science (2021). DOI: 10.1016 / j.memsci.2021.119169

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.

Citation: Une approche mécanique pour nettoyer plus efficacement les membranes de dessalement (2021, 11 mai) récupéré le 11 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-mechanical-approach-efficly-desalination-membranes.html

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