Rendre la récupération d’eau atmosphérique plus efficace est essentiel dans les régions arides

Clean Water From Thin Air

Dans de nombreuses régions du monde, l’eau douce est rare et coûteuse. Une option d’accès pourrait être la désalinisation, mais il s’agit jusqu’à présent d’une approche très énergivore, même si certains progrès dans la technologie solaire l’ont rendue plus proche de la réalité récemment. La désalinisation de l’eau de mer n’est également pas une option pour de nombreuses régions arides intérieures, comme par exemple l’Asie centrale, la Mongolie, les montagnes chiliennes ou la majeure partie du désert du Sahara.

Une autre option consiste à capter l’eau présente dans l’air. De nombreux déserts possèdent en réalité une humidité atmosphérique assez élevée, mais pour des raisons climatiques, ils ne produisent ni pluie ni nuages. C’est la promesse de la récupération d’eau atmosphérique. Nous avons précédemment abordé comment le refroidissement passif combiné à un revêtement de silicone pouvait augmenter l’efficacité de la récupération d’eau basée sur la gravité.

Les chercheurs cherchent maintenant à améliorer davantage la méthode, notamment en utilisant de nouveaux types de polymères. Des scientifiques de l’Osaka Metropolitan University ont mené cette recherche, publiée dans ACS ES&T Water sous le titre « Liquid Polyether-Based Water Harvester for Near Ambient Temperature Operation via Hydrophilicity-Difference-Induced Water Transfer¹ ».

Water Adsorption

Une méthode pour récolter de l’eau à partir d’un air mince consiste à utiliser un polymère capable « d’adsorber » l’eau. L’adsorption est la capacité des substances solides à attirer les molécules de gaz ou de solutions avec lesquelles elles sont en contact sur leurs surfaces – dans ce cas, les vapeurs d’eau gazeuses et les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air.

Dans la vie quotidienne, nous connaissons des matériaux adsorbants comme le gel de silice dans les emballages commerciaux. Il s’agit en réalité d’un processus assez efficace, capable de collecter une grande quantité d’eau ambiante.

Source: Osaka Metropolitan University

Le problème réside à faire libérer l’eau par le polymère. En général, une chaleur d’environ 100 °C est nécessaire pour désorber ces polymères, ce qui, bien sûr, les rend très énergivores et coûteux. En revanche, le nouveau polymère développé à Osaka est différent.

Low-Temperature Desorption

Le problème de la libération de l’eau du polymère est que les mêmes caractéristiques qui font d’un polymère un bon adsorbant sont également celles qui le rendent difficile à libérer, d’où la nécessité d’une haute température pour que cela se produise.

Auparavant, les chercheurs ont tenté de mélanger le poly(éthylène glycol) (PEG) et le poly(propylène glycol) oligomérique (PPG), créant un mécanisme de « transfert d’eau induit par la différence d’hydrophilie (HWT) ».

En termes plus simples, la différence d’adsorption d’eau entre les deux types de polymères a créé une capacité moindre à retenir l’eau adsorbée. Cela a permis la création d’un adsorbant liquide d’humidité qui ne nécessite qu’une température d’environ 35 °C / 95 °F pour fonctionner.

Cependant, cela limitait la capacité d’adsorption d’eau du mélange, le rendant moins productif même s’il était beaucoup moins énergivore.

PEG-PPG Co-Polymer

Dans la dernière expérience, les chercheurs ont tenté de mélanger un copolymère PEG-PPG avec du PEG.

Source: ACS Publication

Ce mélange a renforcé davantage l’effet HWT, aboutissant au meilleur résultat possible:

• La basse température de récupération a été conservée
• Le taux de récolte d’eau était en fait supérieur à celui du PEG seul, qui était normalement l’élément adsorbant l’eau le mieux.

Le copolymère aléatoire PEG-PPG a présenté le taux de récolte d’eau le plus élevé, supérieur à celui du PEG. L’amélioration de la récupération d’eau provenait de l’effet synergique du HWT et de l’effondrement des agrégats d’eau.

Applications

La basse température requise pour collecter l’eau et régénérer le polymère change radicalement le potentiel de cette technologie. Tout d’abord, elle élimine le besoin de températures élevées gourmandes en énergie, améliorant radicalement les atouts écologiques de l’idée.

« Les améliorations de cette technologie devraient également conduire à une réduction des gaz à effet de serre et à une utilisation plus efficace des ressources en eau. Désormais, nous viserons à améliorer l’adsorbant liquide d’humidité et à augmenter l’efficacité de l’ensemble du système afin de le rendre pratique. »
Masahide Takahashi – Professor at Osaka Metropolitan University

Deuxièmement, comme 35 °C / 95 °F est beaucoup plus facile à atteindre, cela pourrait être réalisé simplement en tirant parti du cycle jour-nuit, notamment dans les régions désertiques où la journée est plutôt chaude, comme la plupart des déserts de la zone tropicale (Sahara, Moyen-Orient, Inde, Mexique et sud-ouest des États‑Unis, etc.).

Les régions plus froides comme la Mongolie pourraient être plus difficiles, mais peut-être qu’un simple miroir en feuille métallique pourrait aider à atteindre le seuil de 35 °C lorsqu’il y a du soleil. Cela ouvre la voie à un système totalement passif, générant automatiquement de l’eau avec très peu d’effort.

La même technologie pourrait également être déployée rapidement dans les régions qui ont un besoin urgent d’eau propre.

« Cette technologie a le potentiel d’être appliquée non seulement à l’approvisionnement en eau dans les régions arides et les zones à ressources énergétiques limitées, mais aussi pour garantir l’accès à l’eau en cas de catastrophe et d’urgence. »
Arisa Fukatsu – Assistant professor at Osaka Metropolitan University

Des développements supplémentaires pourraient également s’appuyer sur cette recherche. Par exemple, rien ne prouve que le mélange de polymères découvert ici soit la combinaison optimale.

En théorie, de nombreux autres mélanges de polymères hydrophiles et légèrement moins hydrophiles pourraient accomplir la tâche. Ainsi, maintenant que le principe a été démontré, une exploration systématique de nouveaux matériaux adsorbants l’eau pourrait aider à améliorer davantage le rendement, rapprochant la technique de la viabilité commerciale.

Entreprise résolvant les pénuries d’eau

Xylem Inc.

En partenariat avec la société européenne Veolia, Xylem est un leader mondial de la purification de l’eau, du traitement des eaux usées et de la désalinisation. Elle emploie plus de 23 000 personnes (dont plus de 6 000 ingénieurs) et opère dans 150 pays, avec un accent sur les États‑Unis, où elle compte plus de 35 000 clients industriels directs.

Son marché principal est l’eau potable municipale et les eaux usées, mais elle fournit également des solutions dédiées à d’autres secteurs tels que les soins de santé, l’énergie, l’alimentation & les boissons, le pétrole & le gaz, la microélectronique, etc.

Source: Xylem

Xylem peut fournir les pièces d’équipement brevetées essentielles pour nettoyer ou produire de l’eau, telles que les générateurs d’ozone, les lampes UV, les membranes de désalinisation, les générateurs d’eau ultra‑pure, etc. Mais elle fournit également des équipements « plus simples » tout aussi cruciaux pour les opérations liées à l’eau, comme les turbines, les pompes, les tuyauteries, l’injection, les logiciels, etc., ainsi que des services de maintenance, de réparation et d’installation.

Source: Xylem

Le marché de l’eau reste très fragmenté, Xylem étant l’une des plus grandes entreprises du secteur mais ne détenant « que » qu’une part de marché de 10 % sur son marché adressable de 80 milliards de dollars.

L’entreprise consacre environ 4 % de son chiffre d’affaires à la R&D. Elle devrait bénéficier des nouvelles réglementations concernant les PFAS (substances per- et polyfluoroalkyles, ou produits chimiques éternels), avec plus de 6 000 installations utilitaires nécessitant un tel traitement des PFAS.

Xylem a connu une croissance constante, son résultat net passant de 297 M$ en 2012 à 609 M$ en 2023 tout en maintenant une marge EBITDA stable de 17‑219 %.

Dans l’ensemble, cela rend le profil d’investissement de l’entreprise moins comparable à celui d’une société industrielle (souvent cyclique) et davantage à celui d’une société de services publics qui croît avec l’économie globale, voire légèrement au-dessus de ce taux, comme la plupart de ses consommateurs.

Référence de l’étude :

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Liquid polyether-based water harvester for near ambient temperature operation via hydrophilicity-difference-induced water transfer. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}