De l'eau pure grâce aux polymères

Les polymères clarifient le problème des particules en suspension

Les eaux de surfaces sont souvent utilisées pour l’alimentation des zones urbaines lorsque l’aquifère souterrain est inaccessible. Elles sont traitées par différents procédés visant à éliminer les matières en suspension, en fonction de leur taille et de leur nature. Les traitements préliminaires permettent d’écarter les corps flottants, par dégrillage, puis les particules plus réduites par tamisages successifs. 
L’eau est ensuite acheminée dans des bassins de décantation où les particules les plus fines doivent se déposer par gravitation… Certaines, cependant, ne sédimentent jamais. Car ces colloïdes de taille inférieure au micron sont dispersés par des forces électrostatiques. D’autres, nanométriques, sont carrément dissoutes dans l’eau.

La seule parade est l’ajout d’un réactif puis d’un polymère super absorbant, comme le polyacrylate ou le polyacrylamide. Cette opération entraîne la coagulation des particules sous forme de flocs, des amas de flocons faciles à décanter ou à filtrer. 
Une fois clarifiée, l’eau est ensuite filtrée sur plusieurs lits de sable, désinfectée pour éliminer les principaux organismes pathogènes avant d’être affinée avec des charbons actifs… Elle sera alors conforme aux normes de consommation.

Les membranes synthétiques jouent la polyvalence

La filtration membranaire est un des procédés les plus utilisé dans le cycle de l’eau. Son principal atout, la polyvalence, permet de l’utiliser à l’échelle individuelle ou industrielle pour de nombreuses applications : la potabilisation, l’adoucissement et le dessalement de l’eau ou le traitement des effluents… 
La filtration est basée sur le transfert des eaux à traiter à travers une membrane dont les pores assurent la rétention de matières en suspension ou dissoutes. Classées selon une taille des éléments à éliminer, l’opération est appelée microfiltration, pour des pores de 10 à 1 micron, ultrafiltration pour des pores de 1 micron à 10 nanomètres et nanofiltration, en-deça.
Conditionné par ces critères de taille, le choix des matériaux repose également sur le comportement du liquide à traiter et les contraintes du milieu ambiant.

Très coûteuses, les membranes à base de fibres minérales ou céramiques sont désormais réservées au process de traitement des eaux très agressives, à haute température. Pour la production d’eau de consommation, on utilise plutôt des membranes polymères, dix fois moins chères. De forme généralement tubulaire, la plupart sont constituées d’un support macroporeux, pour la tenue mécanique et d’une couche superficielle, en acétate de cellulose, en polyacrylonitrile, à basse température, ou en polysulfone, pour des filtrations jusqu’à 90°C.

L'ultrafiltration à la portée de tous

La filtration membranaire a largement fait ses preuves à l’échelle industrielle mais les politiques publiques de distribution d’eau potable ont sans doute limité sa mise en œuvre à échelle plus réduite. Depuis quelques années cependant, l’usage de la filtration membranaire, à l’échelle locale, suscitent un intérêt croissant dans le cadre de l’aide au développement ou des activités de plein-air, en raison notamment du faible coût des membranes polymères et de leur facilité d’entretien. 
Le designer hollandais Rob van Opdorp a ainsi conçu l’idée de perfectionner les anciennes pompes manuelles de nos campagnes en les dotant d’un système d’ultrafiltration par  membrane PES. Villagepump, sa société équipe ainsi plus de 150 communautés rurales en Afrique et en Asie, d’un système d’approvisionnement en eau potable tirée des eaux de surfaces ou de pluie.

Dans un autre registre, trois jeunes Français ont créé en 2014, l’ONG Sail for Water. Elle s’efforce de sillonner la planète afin de développer l’usage, à l’échelle familiale, du dispositif de filtration Sawyer dont les membranes à micro-pores organiques tubulaires étaient à l’origine destinées aux activités outdoor. Et, plus récemment, lors de la COP21, à Paris, le péruvien Mauricio Cordova a fait forte impression avec son concept Fair-Cap, une série de capsules en polypropylène imprimable en 3D équipée d’un mini-filtre en polyamide. C’est la solution la moins onéreuse qu’a imaginé cet économiste, victime en 1991, de l’épidémie de choléra qui a touché son pays.

Polymères greffés pour fibres hydrophiles

Aujourd’hui les trois quarts des nouvelles unités d'ultrafiltration dans le monde s’appuient sur les techniques membranaires dont la performance et le rendement font l’objet de toutes les attentions. 
Pour la fabrication de ces membranes, de nombreux fabricants ont recours au PVDF, un polymère fluoré de haute performance qui résiste de façon durable au vieillissement et aux agents chimiques corrosifs. Pour rendre la fibre hydrophile, la plupart incorporent un additif dans la formulation. Mais, au fil des lavages, cette propriété se dégrade, entraînant ainsi une diminution du débit d’eau traité.

Pour trouver la parade, Polymem, fabricant de membranes et de modules de filtration s’est associé à Arkema et Véolia, dans le cadre du projet Néophil. Ensemble, ils ont mis au point une nouvelle génération de fibres durablement poreuses. Pour cela, le chimiste est parvenu à greffer, à l’échelle nanométrique, des copolymères «fonctionnalisés» sur des fibres PVDF Kynar de manière à doter les pores de la membrane d’une fonction hydrophile permanente. Ainsi, la fibre s'encrasse moins et les modules sont plus performants, en termes de débit et de consommation d’énergie pour assurer le flux de filtration.

Place au biomimétisme

À part les anciens de l’option bio, rares sont ceux qui connaissent les aquaporines ! Derrière ce nom se cache la famille de protéines qui composent les pores des membranes cellulaires. Leur rôle : contrôler le passage des molécules d'eau tout en bloquant celui des composés ioniques comme les sels ou les minéraux. 
Aquaporin, c’est désormais le nom de la société fondée par le chimiste danois Peter Holme Jensen pour commercialiser sa membrane biomimétique qui imite ce processus naturel pour filtrer l'eau. Pour cela, son équipe est parvenue à intégrer une couche active d’aquaporines sur un support hyperporeux en Téflon, un polymère réputé pour ses propriétés anti-adhérentes.

Aquaporin booste les molécules d'eau grâce au téflon

ette membrane innovante assure le transport rapide et très sélectif des molécules d'eau par osmose directe à travers les canaux protéiques, c’est-à-dire grâce à l'énergie cinétique qui fait passer l'eau d'une zone à haute concentration en solutés vers une zone de moindre concentration. L'eau descend la pente du gradient de pression, à l'instar d'une cascade où elle s’écoule sous l'effet de la gravité.
Bien que circulant de manière linéaire, les molécules d'eau traversent les pores à une vitesse étonnante, de l'ordre d'un milliard de molécules par seconde. Ce qui rend le procédé particulièrement performant et économe en énergie, notamment si on le compare aux techniques classiques d’ultra-filtration, et surtout d’osmose inverse qui exigent des circuits sous pression. Il permet de produire une eau ultrapure qui, au-delà des besoins en eau potable, convient également à certaines industries comme  les semiconducteurs et le photovoltaïque où des impuretés de taille nanométrique peuvent compromettre la qualité des composants… 

En outre, la sensibilité aigue des aquaporines aux particules salines ouvre à ces membranes le marché de la desalinisation.