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Une nouvelle façon de produire de la vapeur solaire pour nettoyer l'eau et réduire les déchets

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Les stratégies pour purifier l'eau abondent, mais elles ont tendance à exiger beaucoup d'énergie. Les scientifiques d'Argonne explorent des matériaux qui peuvent utiliser efficacement la lumière du soleil pour concentrer la chaleur directement à la surface de l'eau et produire de la vapeur propre pour la capter.

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Les stratégies pour purifier l'eau abondent, mais elles ont tendance à exiger beaucoup d'énergie. Pour exploiter l'abondante ressource du soleil, les scientifiques du Laboratoire national Argonne du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) étudient des matériaux qui peuvent convertir efficacement la lumière du soleil en chaleur et concentrer cette chaleur directement à la surface de l'eau, où elle est nécessaire à l'évaporation.

Dans le cadre de cet objectif, une équipe dirigée par des chercheurs d'Argonne a découvert une méthode novatrice, mais simple, de production de vapeur solaire à l'aide d'une classe de matériaux récemment découverte appelée cadres organiques de porphyrine, ou POFs. Les matériaux flottants traités avec des FOP peuvent capter l'énergie solaire pour évaporer l'eau en vapeur propre pour la capter tout en laissant les contaminants derrière eux, ou pour concentrer les eaux usées afin de réduire les coûts d'élimination. Les détails ont récemment été publiés dans la revue Advanced Materials Interfaces.

Cet article est l'un des premiers à être publié par le Centre Argonne's Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS), un centre de recherche du DOE Energy Frontier. La recherche à l'AMEWS se concentre sur les solutions aux crises mondiales de l'eau en examinant les interfaces entre les matériaux et l'eau.

Les résultats de la FOP pourraient éclairer les stratégies de dessalement et de traitement des eaux usées, en particulier dans les milieux industriels. Dans l'industrie pétrolière et gazière, par exemple, l'eau utilisée pour la fracturation hydraulique se trouve généralement dans de grands bassins d'élimination jusqu'à ce que le liquide s'évapore et que le volume des déchets devienne plus facile à gérer.

"Il existe une réelle opportunité d'améliorer considérablement l'efficacité opérationnelle en augmentant considérablement le taux d'évaporation de l'eau de ces bassins ", a déclaré Seth Darling, directeur de l'AMEWS et du Center for Molecular Engineering (CME). L'équipe de recherche comprenait également des scientifiques de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago et de l'Université Sun Yat-sen de Chine.

Les FOP sont un sous-ensemble de cadres organiques covalents - des solides en treillis qui peuvent devenir indéfiniment gros comme des cristaux. Lorsque les chercheurs ont appliqué un revêtement à base de FOP sur des substrats comme le bois, le tissu et les membranes, ils ont constaté que ces matériaux à base de carbone possédaient les bonnes propriétés pour produire de la vapeur solaire. Les FOP capturent une large gamme de longueurs d'onde lumineuses et transforment cette lumière en chaleur.

D'autres matériaux ont ces capacités photothermiques, mais l'astuce consiste à trouver ceux qui peuvent revêtir uniformément les matériaux poreux, rester stables dans les liquides et potentiellement s'écailler pour une utilisation dans des environnements commerciaux. Un exemple est l'encre de Chine encapsulée, un autre matériau dont les scientifiques d'Argonne ont démontré le fort potentiel pour la production de vapeur solaire.

L'obtention du type de revêtement stable et uniforme nécessaire pour les applications commerciales implique souvent plusieurs étapes et, dans certains cas, un traitement coûteux. Avec les POF, il suffit de quelques réactifs simples et d'un léger réchauffement - ce qu'on appelle en chimie la synthèse en un seul pot - pour se développer sur un substrat.

"C'est littéralement un pas", dit Darling. "La facilité de préparation est le vrai argument de vente ici."

Dans l'étude - qui a été menée en partie au Center for Nanoscale Materials, une installation du DOE Office of Science User Facility - les chercheurs ont documenté des résultats solides avec une gamme de matériaux traités par la FOP, y compris le bois, le tissu, les membranes et les éponges. Le bois traité avec des POFs a particulièrement bien performé, convertissant l'eau en vapeur avec un rendement global de 80%.

Cette découverte s'inscrit dans la continuité des travaux continus de l'Argonne pour trouver de nouvelles solutions permettant une utilisation plus efficace des ressources en eau, qui sont aujourd'hui soumises à la pression d'une population croissante, du développement, de la pollution et du changement climatique.

"Ce qui se passe aux interfaces eau-solide, c'est ce qui détermine la performance de toutes sortes d'aspects différents des systèmes eau-énergie, qu'il s'agisse de membranes, d'absorbants ou de capteurs ", a dit Darling. "Cette étude n'est qu'un exemple de la puissance de l'ingénierie des interfaces dans les applications liées à l'eau."

Les entités intéressées à en savoir plus sur la collaboration avec Argonne dans l'espace de l'eau - en puisant dans l'expertise unique, le leadership éclairé, les installations et les outils d'Argonne - sont invitées à contacter anl

A propos du Centre Argonne pour les matériaux à l'échelle nanométrique

Le Center for Nanoscale Materials est l'un des cinq centres de recherche scientifique à l'échelle nanométrique du DOE, l'un des principaux centres nationaux de recherche interdisciplinaire à l'échelle nanométrique soutenus par le DOE Office of Science. Ensemble, les CRSN forment un ensemble d'installations complémentaires qui offrent aux chercheurs des capacités de pointe pour fabriquer, traiter, caractériser et modéliser des matériaux à l'échelle nanométrique, et constituent le plus important investissement en infrastructure de l'Initiative nationale en nanotechnologie. Les NSRC sont situés aux laboratoires nationaux Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia et Los Alamos du DOE. Pour obtenir de plus amples renseignements sur les CNDS d'EC, veuillez consulter le site t

Le Laboratoire national Argonne cherche des solutions aux problèmes nationaux urgents de la science et de la technologie. Premier laboratoire national du pays, Argonne mène des recherches scientifiques fondamentales et appliquées de pointe dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Les chercheurs d'Argonne travaillent en étroite collaboration avec des chercheurs de centaines d'entreprises, d'universités et d'organismes fédéraux, étatiques et municipaux pour les aider à résoudre leurs problèmes spécifiques, faire progresser le leadership scientifique des États-Unis et préparer le pays à un avenir meilleur. Avec des employés de plus de 60 pays, Argonne est géré par UChicago Argonne, LLC pour l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis.