Des chercheurs de l’Université de Technologie d’Amirkabir ont réussi à concevoir une membrane nanocomposite à base de nanocristaux de cellulose (CNCs) capable d’améliorer simultanément trois paramètres clés du dessalement de l’eau : la résistance mécanique, la perméabilité à l’eau et le rejet des sels, un verrou technologique de longue date dans le domaine des membranes.
Selon le rapport, en étudiant avec précision le rapport d’aspect des nanocristaux de cellulose ainsi que leur taux d’incorporation, les chercheurs ont créé un réseau interconnecté omniprésent (PIN) reproduisant un comportement de type métamatériau au sein de la membrane. Ce réseau forme des voies ordonnées et contrôlées pour le transport de l’eau, tout en empêchant une ouverture structurelle excessive qui réduirait le rejet des sels. Les résultats montrent qu’un chargement de 0,50 % en masse de CNCs à fort rapport d’aspect constitue la configuration optimale, améliorant significativement les performances des membranes pour le dessalement des eaux saumâtres.
La crise mondiale de l’eau douce pousse depuis des années les pays à développer des technologies de dessalement plus efficaces. Face à la demande croissante en eau potable et industrielle, les membranes polymères sont devenues l’un des outils de séparation les plus importants dans le traitement de l’eau. Toutefois, ces membranes sont confrontées à un défi persistant : améliorer simultanément la résistance mécanique, la perméabilité à l’eau et le rejet des sels. L’amélioration de l’une de ces propriétés se fait généralement au détriment d’une autre, et ce compromis intrinsèque a longtemps freiné les avancées industrielles. Identifier une structure capable d’améliorer ces trois paramètres à la fois constitue donc un objectif majeur de la recherche sur les membranes depuis plus d’une décennie.
Pour relever ce défi, une équipe de chercheurs de l’Université de Technologie d’Amirkabir a étudié les propriétés des nanocristaux de cellulose et leur organisation au sein d’une matrice polymère, aboutissant au développement d’une nouvelle membrane nanocomposite capable de dépasser cette limitation historique. Le matériau de base de la membrane est le diacétate de cellulose (CDA), un polymère stable, accessible et bien adapté aux applications de séparation. Le composant clé de l’étude est constitué par les nanocristaux de cellulose, des structures issues de la cellulose naturelle présentant un fort rapport d’aspect, une excellente résistance mécanique et une grande surface active, ce qui les rend particulièrement attractives en nanoscience.
Le rôle du composant nanométrique dans ce projet réside principalement dans la manière dont les CNCs sont agencés au sein de la membrane. Les chercheurs ont montré que la simple présence de nanoparticules est insuffisante ; c’est le type de réseau formé par ces nanobâtonnets qui détermine les propriétés finales du matériau. Deux facteurs — le rapport d’aspect et la fraction massique — gouvernent la formation de différents motifs de réseau et d’entrelacement, allant d’une dispersion aléatoire à la création d’un réseau continu et interconnecté.
Dans cette étude, quatre taux de chargement en CNCs à fort rapport d’aspect ont été examinés : 0,15 ; 0,25 ; 0,50 et 0,75 % en masse. Les essais mécaniques, viscoélastiques et de séparation ont montré qu’à faibles teneurs (0,15 et 0,25 %), les CNCs restent dispersés ou forment un réseau limité. En revanche, à partir de 0,50 %, une nouvelle structure apparaît : un réseau interconnecté omniprésent (PIN). Ce réseau nanométrique continu renforce non seulement la résistance de la membrane, mais modifie également le comportement dynamique du transport des molécules et des ions.
Dans les membranes conventionnelles, l’augmentation du flux d’eau entraîne généralement une diminution du rejet des sels ou nécessite une augmentation de l’épaisseur de la membrane pour assurer sa stabilité. À l’inverse, la membrane développée à Amirkabir, contenant 0,50 % de CNCs optimisés, crée des voies bi-continues et contrôlées pour le transport de l’eau. Ces voies jouent un rôle crucial dans la régulation du transport ionique, comme l’ont confirmé les analyses électrostatiques et physiques.
La présence de ce réseau rend également la membrane plus résistante aux fluctuations de pression et aux charges mécaniques. L’amélioration de la résistance mécanique permet un fonctionnement à des pressions plus élevées sans défaillance structurelle, un avantage essentiel pour le dessalement des eaux saumâtres.
Afin de mieux comprendre le comportement de ce réseau, les chercheurs ont réalisé des essais viscoélastiques linéaires et non linéaires, révélant qu’à des chargements plus élevés, les CNCs passent d’un état dispersé à un réseau stable et interconnecté. L’analyse du facteur d’efficacité de renforcement mécanique (CFE) a également montré qu’un chargement de 0,50 % procure le gain de résistance le plus important par rapport au polymère de base, sans provoquer d’agrégation excessive ni d’obstruction des voies de transport.
Au-delà de la démonstration d’une amélioration simultanée des trois indicateurs clés de performance, cette recherche montre qu’en maîtrisant l’état de dispersion des nanobâtonnets dans un polymère, il est possible de créer un matériau présentant un comportement de type métamatériau, où les propriétés émergent non seulement des constituants, mais aussi de leur organisation à l’échelle nanométrique.
Dans l’ensemble, les résultats indiquent que les membranes nanocomposites contenant 0,50 % en masse de CNCs à fort rapport d’aspect offrent des performances optimales pour le traitement des eaux saumâtres et pourraient servir de base au développement de membranes industrielles de nouvelle génération. Cette étude met en évidence comment une compréhension approfondie des structures de réseau à l’échelle nanométrique peut dépasser les limites conventionnelles et conduire à des membranes de dessalement plus durables, efficaces et robustes.
Les résultats de ce projet ont été publiés dans un article intitulé « Does pervasive interconnected network of cellulose nanocrystals in nanocomposite membranes address simultaneous mechanical strength/water permeability/salt rejection improvement? » dans la revue Carbohydrate Polymers.