Canaux artificiels d’eau insérés dans une membrane de polyamide.
© Mihail Barboiu, Institut européen des membranes (CNRS/ENSC Montpellier/Université de Montpellier)
Une équipe internationale, coordonnée par des scientifiques de l'Institut européen des membranes de Montpellier, a mis au point un modèle biomimétique hybride qui permet de filtrer deux à trois fois plus efficacement de l'eau de mer que les membranes industrielles actuelles. Un nouveau modèle susceptible d'intéresser bon nombre d'industriels.
La question de la désalinisation de l'eau de mer pour obtenir de l'eau douce fait depuis longtemps l'objet de nombreuses recherches. Plusieurs causes peuvent expliquer ce besoin, comme l'aridité d'un pays ou encore le manque de place pour stocker cette ressource.
Mais au-delà de l'eau douce, le traitement de l'eau revêt un intérêt tout particulier pour les industriels, notamment ceux de la pharmacie, avec l'utilisation d'eau ultrapure, la pharmacopée reconnaissant trois niveaux de pureté différents.
Il y a aujourd'hui plus de quarante ans que des membranes en polyamide pour le traitement de l'eau ont été mises au point, grâce à la technique de l'osmose inverse, un système de purification de l'eau grâce à un filtrage qui ne laisse passer que les molécules d'eau. Les sels et les autres impuretés sont alors rejetés par la membrane de filtrage, selon un critère de sélection dimensionnel. Et le problème, justement, est que ce critère de sélection, basé sur la taille, n'est pas assez sélectif, rendant ces membranes insuffisamment efficaces.
« Les ions de sel entourent des molécules d'eau en formant des ions hydratés, les ions et les molécules ont alors sensiblement la même taille. Il peut être difficile de les séparer. De plus, les membranes s'encrassent à cause de la présence de calcium ou d'autres molécules dans l'eau », explique Mihail Barboiu, directeur de recherche au CNRS et membre de l'Institut européen des membranes de Montpellier.
Un manque de sélectivité qui contraint les industriels à effectuer plusieurs passages pour obtenir une eau parfaitement filtrée. Et ces multiples passages à travers la membrane génèrent des coûts supplémentaires et une perte de temps. « Finalement, depuis cinquante ans, peu d'innovations ont été proposées dans ce domaine », explique le chercheur qui, avec son équipe, propose un modèle biomimétique pour s'affranchir de ces contraintes.
Un nouveau modèle hybride
C'est pour répondre à cette problématique de sélectivité que les chercheurs de Montpellier se sont intéressés aux membranes cellulaires. Ces dernières contiennent en effet des aquaporines, une classe de protéines membranaires qui forment des canaux perméables aux molécules d'eau. Ces protéines permettent le transport de l'eau de part et d'autre de la membrane cellulaire, tout en empêchant les ions de pénétrer dans la cellule.
« On sait depuis longtemps que les cellules transportent différents éléments de chaque côté de leur membrane de façon très sélective, pas seulement pour l'eau d'ailleurs. Concernant les molécules d'eau, les aquaporines les transportent avec une très grande sélectivité. Les chercheurs ont donc essayé de les utiliser en fabriquant des membranes d'osmose inverse contenant des aquaporines », précise Mihail Barboiu.
Et c'est en partant de ce constat que les chercheurs de Montpellier ont finalement réussi à mettre au point un nouveau modèle d'aquaporine artificielle, capable de désaliniser l'eau de façon beaucoup plus efficace. Mais tout l'enjeu était alors le suivant : passer de l'échelle cellulaire, l'échelle du nanomètre, à celle du mètre, par auto-assemblage et génération des membranes bio-assistées, pour traiter de grandes quantités d'eau.
Autre difficulté, la pression, puisque la désalinisation de l'eau de mer s'effectue sous haute pression, soit plus de 30 bar, une pression difficilement compatible avec le modèle cellulaire des aquaporines. Après une dizaine d'années de recherche, c'est finalement en combinant deux approches que l'équipe de l'Institut européen des membranes a trouvé la solution : combiner une membrane en polyamide et y intégrer des canaux artificiels d'eau inspirés des aquaporines sous forme d'agrégats dans la matrice.
Et les résultats sont plus que satisfaisants : ces membranes, qui prennent la forme d'une superstructure d'éponge, ont été testées dans des conditions industrielles et surpassent les membranes classiques. Elles permettent un flux de 75 % supérieur à celui observé avec les membranes industrielles actuelles. En d'autres termes, « l'eau s'écoule plus vite à travers la membrane qui, elle, reste très sélective », résume Mihail Barboiu.
En outre, ces membranes permettent une réduction d'environ 12 % de l'énergie nécessaire au dessalement. Breveté depuis 2019, ce nouveau modèle a fait l'objet d'une publication dans la revue Nature Nanotechnology, en novembre 2020. Et les applications de ces membranes sont multiples. « Nos membranes peuvent s'adresser à tous les domaines qui nécessitent de l'eau ultrapure ou déminéralisée, que ce soit le domaine de l'électronique, des hôpitaux ou de la pharmacie pour la production de vaccins, par exemple », détaille le chercheur.
Preuve de l'utilité de ce modèle, la société Véolia s'est montrée très intéressée par cette nouvelle technologie. « Pour le dessalement, nous sommes en négociations avec différentes entreprises qui souhaitent les fabriquer à grande échelle et adapter le procédé à leurs besoins. C'est un des autres avantages de notre membrane : nous proposons un modèle qui peut, ensuite, se décliner selon les besoins de l'entreprise, on peut toujours mieux faire ! », conclut Mihail Barboiu.
