Depuis plus de quarante ans, l'osmose inverse (OI) est une méthode de pointe pour la purification de l'eau, représentant une avancée significative dans le traitement durable de l'eau. Dans un monde en constante évolution, la technologie OI peine à suivre le rythme, connaissant peu, voire aucune innovation depuis l'introduction de la membrane polyamide.
Face à l'augmentation du stress hydrique dans le monde entier, une réutilisation fiable et rentable de l'eau devient un besoin crucial. Cela est particulièrement vrai pour les eaux usées industrielles, où les procédés industriels gourmands en eau concurrencent de plus en plus les demandes municipales et agricoles et risquent de voir leur production diminuer en raison du manque de ressources en eau accessibles.
Une étude menée en 2023, analysant les progrès récents en matière de réutilisation de l'eau à l'échelle mondiale, indiquait : « D'ici 2030, la consommation mondiale d'eau pourrait atteindre environ 160 % du volume actuellement disponible. » Un changement s'impose pour éviter une crise mondiale de l'eau. Plus précisément, une évolution des matériaux utilisés pour les membranes est attendue depuis longtemps. Aujourd'hui, une nouvelle ère du traitement de l'eau s'ouvre, portée par la chimie innovante des zwitterions.
Face à la demande croissante en eau potable, les membranes zwitterioniques offrent une solution novatrice pour relever les défis du traitement de l'eau et ouvrent la voie à un avenir plus durable. Cette technologie révolutionnaire, insensible à l'encrassement irréversible, transforme déjà des secteurs tels que le traitement des eaux usées laitières , des digestats de fumier et d'élevage , des eaux usées avicoles , et bien d'autres. Applicables à de nombreuses autres applications, les membranes zwitterioniques sont polyvalentes et ont le potentiel de révolutionner le traitement de l'eau, nous rapprochant ainsi de l'accès à l'eau potable pour tous.
Plongée en profondeur : que sont les copolymères zwitterioniques ?
Alors, comment les zwitterions sont-ils devenus la technologie qui permettra de sauver l'eau inutilisable de la planète ? Explorons la science qui les sous-tend. Les copolymères et les polymères sont essentiels à la chimie des matériaux et constituent la base de la fabrication moderne. Composés d'unités monomères répétitives, les polymères peuvent être naturels (comme les protéines) ou synthétiques (comme le polyéthylène). Les copolymères, quant à eux, contiennent plusieurs types de monomères. La manipulation de ces matériaux affecte considérablement leurs propriétés telles que la résistance et la flexibilité. Par exemple, en ultrafiltration (UF), les polymères les plus couramment utilisés sont le PVDF (polyfluorure de vinylidène) et le PES (polyéthersulfone), appréciés pour leur durabilité et leurs propriétés de filtration.
Alors, quelle est la place de ces remarquables zwitterions dans le traitement de l'eau ? En termes simples, un zwitterion est une molécule portant des charges positives et négatives, qui s'équilibrent, donnant naissance à une molécule à la fois ionisée et électriquement neutre. Certains zwitterions font également partie de molécules organiques susceptibles de subir des réactions de polymérisation. Une sélection rigoureuse de ces monomères zwitterioniques permet de créer une classe de matériaux uniques : les copolymères hydrophiles incorporant des groupes fonctionnels zwitterioniques. Ces matériaux peuvent constituer les éléments constitutifs d'une technologie membranaire avancée, dont les capacités peuvent révolutionner la réutilisation de l'eau.
Les avantages des zwitterions dans le traitement de l'eau
Les zwitterions sont presque comme un matériau anti-encrassement naturel, reconnus pour leur résistance à l'accumulation indésirable de dépôts à leur surface. Cette qualité est particulièrement cruciale dans le traitement de l'eau et des eaux usées, où la durée de vie des membranes est directement liée à la fréquence de leur nettoyage pour éliminer les substances organiques ou les bio-encrassements. L'intégration de zwitterions dans les membranes de traitement de l'eau améliore considérablement leur efficacité et leur durée de vie, et offre d'autres avantages tels que :
1. Longévité améliorée de la membrane
Les zwitterions réduisent considérablement l’accumulation de bioencrassement et d’autres matières organiques sur les surfaces des membranes, prolongeant ainsi la durée de vie de la membrane.
2. Perméabilité améliorée
Les zwitterions sont hautement hydrophiles, ce qui améliore la perméabilité. En résistant à l'encrassement organique et biologique, les membranes zwitterioniques maintiennent un débit d'eau plus élevé et plus longtemps que les membranes traditionnelles, garantissant ainsi des processus de traitement de l'eau efficaces.
3. Rentabilité
Les membranes zwitterioniques réduisent le besoin de nettoyages agressifs, ce qui diminue le besoin de remplacement des membranes. Grâce à la réduction des temps d'arrêt, de la maintenance, de l'utilisation de produits chimiques et des coûts de remplacement, les coûts d'exploitation globaux sont considérablement réduits.
4. Large spectre d'application
Les propriétés anti-encrassement des zwitterions en font une avancée révolutionnaire pour divers types de traitement de l'eau et des eaux usées, y compris la réutilisation des eaux usées. Extrêmement hydrophiles, ils repoussent les espèces organiques comme les graisses, les huiles et les protéines.
5. Cohérence accrue
La capacité des membranes zwitterioniques à résister à l'encrassement offre une élimination plus cohérente et plus efficace des contaminants, permettant une eau purifiée de meilleure qualité et des temps d'arrêt du système réduits.
Zwitterions et membranes : une nouvelle frontière
La question n'est plus de savoir si les zwitterions doivent être utilisés dans le traitement de l'eau et des eaux usées, mais comment exploiter pleinement leur potentiel. Si la chimie sous-jacente est fascinante, transformer ce potentiel en progrès concrets s'est avéré un véritable défi.
Surmonter les obstacles historiques
Les matériaux zwitterioniques sont reconnus depuis longtemps comme une chimie prometteuse pour les surfaces antisalissures, mais les solutions pratiques pour les intégrer aux membranes de traitement de l'eau restent difficiles à trouver. Les traitements de surface temporaires se sont généralement révélés inefficaces pour lutter efficacement contre l'encrassement des membranes, notamment parce qu'ils ne traitent pas l'absorption d'huile et d'autres agents salissants à l'intérieur de la structure poreuse de la membrane.
La fabrication de nouvelles membranes à partir de matériaux zwitterioniques est restée longtemps un défi. Les matériaux hydrophiles (« qui aiment l'eau ») sont incompatibles avec les procédés de fabrication de membranes par inversion de phase classiques, et d'un point de vue chimique, la différence entre « hydrophile » et « soluble dans l'eau » est parfois très subtile. Cependant, en 2013, des chercheurs de l'Université Tufts ont réalisé une avancée majeure : ils ont découvert que des copolymères spécifiques, combinant des monomères zwitterioniques et hydrophobes, pouvaient donner des matériaux stables dotés de la remarquable capacité de former des structures poreuses auto-assemblées. En 2018, la société ZwitterCo a été créée avec pour mission de développer et de commercialiser cette technologie prometteuse.
Les copolymères zwitterioniques auto-assemblés ont ouvert la voie à une nouvelle classe de matériaux membranaires utilisant des structures zwitterioniques permanentes dont la taille des pores est prévisible et contrôlable. Contrairement à un « revêtement » qui s'élimine au fil du temps, les zwitterions peuvent être intégrés à la couche active de la membrane. Cette avancée a permis de créer des couches membranaires très stables, dotées de pores nanométriques, qui repoussent efficacement les substances organiques comme les graisses, les huiles et les corps gras. Elles sont ainsi plus faciles à nettoyer à l'eau ou avec des agents chimiques doux.
Les membranes polymères fabriquées à partir de ces copolymères zwitterioniques ne constituent pas simplement une étape supplémentaire dans la filtration de l'eau ; elles sont révolutionnaires pour la réutilisation de l'eau et la sauvegarde de la planète.
Superfiltration ZwitterCo : aller là où aucune membrane n'est jamais allée auparavant
L'utilisation de copolymères zwitterioniques révolutionne la technologie des membranes. Grâce à cette innovation, ZwitterCo a créé une nouvelle classe de séparation entre l'ultrafiltration et la nanofiltration : la superfiltration . La membrane de superfiltration zwitterionique , conçue pour les flux industriels fortement encrassés, offre une résistance à l'encrassement sans précédent, une faible consommation d'énergie, une large tolérance au pH et la possibilité d'être nettoyée au chlore.
Les eaux usées à haute concentration, telles que celles issues du traitement des eaux usées laitières, des digestats, de la viande et de la volaille, ne pouvaient souvent pas être traitées avec des membranes traditionnelles en raison de problèmes d'encrassement organique. La superfiltration ZwitterCo a résolu ce problème en s'attaquant à des zones où aucune membrane n'était auparavant présente.
Les membranes ZwitterCo SF sont conçues pour séparer les composants dissous et non dissous, comme la capture des protéines tout en laissant passer les molécules inorganiques. Ces membranes sont suffisamment étanches pour éliminer les graisses, les huiles, les graisses (FOG) et les composés organiques à haute résistance, offrant ainsi un prétraitement idéal pour l'osmose inverse des eaux usées, même dans les eaux les plus difficiles.
Un élément RO, mais en mieux : les membranes RO ZwitterCo
Outre la superfiltration, ZwitterCo a réalisé des avancées révolutionnaires dans la création d'une membrane d'osmose inverse zwitterionique durable et fonctionnelle , se plaçant à l'avant-garde de cette révolution visant à transformer le traitement des eaux industrielles à l'échelle mondiale.
Les éléments d'osmose inverse ZwitterCo, disponibles dans les tailles industrielles standard, s'intègrent parfaitement aux systèmes existants sans nécessiter d'équipement supplémentaire ni de modifications. L'installation et l'utilisation sont aussi simples qu'avec n'importe quelle autre membrane d'osmose inverse, mais avec de meilleures performances et une maintenance réduite. Un rinçage à l'eau douce de 30 minutes ou un court lavage à la soude régénère entièrement la membrane pour la ramener à ses performances initiales. En réduisant les coûts d'exploitation et la fréquence de nettoyage jusqu'à 90 %, les systèmes fonctionnent à pleine capacité avec un minimum de temps d'arrêt.
L'essor de la technologie zwitterionique dans les membranes de traitement de l'eau marque un tournant majeur dans un secteur qui attendait depuis longtemps une évolution, ouvrant de nouvelles perspectives dans des domaines où le succès a toujours été difficile à obtenir. Par le passé, l'association de matériaux avancés aux solutions de traitement de l'eau s'est heurtée à des obstacles et a souvent échoué sur le terrain. Désormais, un nouveau matériau dans ce domaine – les zwitterions – pourrait changer la donne. La chimie zwitterionique est certes complexe, mais son impact porte l'espoir d'un avenir où l'eau sera abondante, plus propre et durable à l'échelle mondiale.
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Sources:
- Les pénuries d'eau mondiales se profilent. Voici ce que l'on peut faire pour y remédier.
- https://viceprovost.tufts.edu/membranes-zwitterion-containing-copolymer-selective-layers
- gov
- Abou-Shady, A. ; Siddique, MS ; Yu, W. Examen critique des progrès récents en matière de réutilisation de l'eau à l'échelle mondiale entre 2019 et 2021 et perspectives pour surmonter la future crise de l'eau. Environnements 2023, 10, 159. https://doi.org/10.3390/environments10090159
