Révolutionner la purification de l'eau : l'avenir du dessalement solaire grâce aux arbres artificiels

À la recherche de solutions innovantes face à la pénurie d'eau, ce document explore le concept fascinant de l'utilisation d'arbres artificiels pour le dessalement solaire. Il expose en détail les principes physiques, comme l'adhésion, la cohésion et l'effet capillaire, qui sous-tendent cette technologie. En s'appuyant sur la tension superficielle et sur l'action capillaire naturelle observée chez les arbres, le document décrit une méthode possible pour améliorer les procédés de dessalement. Cette approche promet non seulement une efficacité énergétique, mais s'inspire aussi de la nature pour relever l'un des défis environnementaux les plus pressants de notre époque : la purification durable de l'eau.

L'adhésion est l'état physique d'une couche d'interface située entre deux phases condensées en contact, c'est-à-dire des solides et des liquides à pression de vapeur négligeable. Cet état est caractérisé par des interactions moléculaires dans la couche d'interface, qui provoquent une cohésion mécanique des phases concernées. Dans la plupart des cas, la cohésion entre les matériaux en jeu repose sur des interactions physiques. Si la surface est suffisamment rugueuse, un enchevêtrement mécanique des matériaux peut aussi se produire. Si les matériaux forment en outre une liaison chimique entre eux, une connexion particulièrement solide et durable se forme généralement. Parmi les exemples de formation de liaisons chimiques entre des liants et certains matériaux figurent le silicone et le verre, le polyuréthane et le bois, ou la résine époxy et l'aluminium. En physique et en chimie, la cohésion désigne les forces de liaison entre les atomes et les molécules au sein d'une substance. Ces forces assurent sa cohésion. Elles agissent dans les gaz, les liquides ou les solides et conduisent à la tension superficielle à la surface d'une substance liquide. L'effet capillaire décrit le comportement des liquides dans les capillaires, c'est-à-dire des tubes, fentes ou cavités suffisamment étroits aux surfaces indéformables en matière solide. Il est déterminé par la tension superficielle du liquide (cohésion) et la tension interfaciale entre le liquide et la surface solide (adhésion), ou par la mouillabilité de la surface solide par le liquide. Comme le poids du liquide est faible dans les cavités étroites, la force capillaire l'emporte sur la gravité et permet par exemple aux arbres de faire monter l'eau des racines jusqu'à 100 mètres.

Hauteur d'ascension h dans un capillaire :

h = 2*σ*cos(θ) / ρ*g*r

σ = tension superficielle

θ = angle de contact

ρ = masse volumique du liquide

g = accélération de la pesanteur

r = rayon du tube

Pour un tube de verre rempli d'eau et ouvert à l'air au niveau de la mer (1 013,25 hPa) :

σ = 0,0728 J/m² à 20 °C

θ = 20° = 0,35 rad

ρ = 1 000 kg/m³ g = 9,81 m/s²

Mouillage : c'est la formation d'une interface entre un liquide et un solide.

La mouillabilité est la propriété associée de la surface solide. Au cours des processus de mouillage, l'aire de contact entre le liquide mouillant et la surface solide mouillée augmente jusqu'à ce qu'un état statique soit atteint, caractérisé par l'existence d'une aire de contact constante. L'étendue du mouillage dépend du type de liquide et de la nature de la surface solide, comme sa composition chimique et sa rugosité. Les phénomènes de mouillage sont importants pour le revêtement, la peinture et l'impression de surfaces, la répartition d'herbicides et d'insecticides sur les terres agricoles, la filtration et la dispersion. Quand on parle de mouillage, on décrit le comportement des liquides lorsqu'ils entrent en contact avec la surface de solides. La propriété associée de la surface du solide est ce qu'on appelle la mouillabilité. La mesure dans laquelle un liquide mouille une surface dépend de divers facteurs, comme le type de liquide, le matériau ou la surface, ou l'état de la surface. Le mouillage est directement lié à la tension superficielle. Si la force de cohésion au sein d'une goutte d'eau est inférieure à la force d'adhésion par rapport à la surface du solide, la goutte s'étale sur la surface du solide et la mouille complètement. En revanche, si la force de cohésion est supérieure à la force d'adhésion, la goutte d'eau prend une forme sphérique et la surface est à peine mouillée. De nombreuses surfaces, même propres, ont une mouillabilité insuffisante, aggravée par les contaminations, ce qui fait que les liquides glissent sur les adhésifs, les vernis et les peintures.

Cela s'explique par le fait que la tension superficielle est très faible et insuffisante pour la suite du traitement. Lorsqu'un matériau non traité est travaillé, il en résulte souvent que la peinture et le vernis n'adhèrent pas correctement et se détachent rapidement, ou que les pièces collées se désolidarisent. On peut l'éviter par activation plasma. L'activation plasma d'une surface augmente son énergie de surface et crée des points d'ancrage pour le liquide appliqué. Celui-ci peut ainsi très bien adhérer. L'activation plasma modifie la surface et accroît l'énergie de surface, ce qui améliore nettement la mouillabilité de la surface.

Plus l'angle de contact ou la tension superficielle est petit, plus la tendance au mouillage est grande.

La tension superficielle est le phénomène qui se produit dans les liquides sous l'effet de forces moléculaires pour maintenir leur surface réduite. C'est cet effet, par exemple, qui fait que l'eau forme des gouttelettes et qui contribue à la capacité de certains insectes de marcher sur l'eau et à celle d'une lame de rasoir de « flotter » sur l'eau. La tension superficielle (symbole : σ, γ) est une tension interfaciale qui apparaît entre les liquides et les phases gazeuses. Elle se mesure dans l'unité SI N/m.

Tension superficielle de l'eau à 20 °C = 72,75 mN/m.

Définition mécanique : la définition mécanique peut s'expliquer à l'aide d'un cadre de largeur L dans lequel est tendu un film de liquide. Si le film de liquide est étiré de dx par une force F parallèle à la surface et perpendiculaire à L, un travail dW = F*dx est effectué sur le film et la surface croît de dA = 2*L*dx (facteur 2 à cause de la face avant et de la face arrière du film). La tension superficielle est le rapport γ = dW*dA = F*2*L. En conséquence, la tension superficielle est une force par unité de longueur dirigée parallèlement à la surface du liquide. L'exactitude de l'idée de tension superficielle comme force parallèle à la surface est démontrée par de nombreuses méthodes de mesure et de nombreux effets, comme la méthode de l'anneau, la capillarité ou l'angle de contact.

Le capillaire mouillant (1) aspire l'eau jusqu'à la hauteur d'ascension h (2), qui dépend du diamètre, et est incurvé vers le bas dans sa partie supérieure. Le tamis mouillant (3) est plus fin à la pointe que le capillaire et l'angle de contact est très petit, ce qui fait que le liquide déborde et goutte en bas du tamis.

Pour en savoir plus : https://www.nature.com/articles/s41598-019-57109-z

Il y est également question d'un arbre artificiel (source scienceSketch) :

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Auteur : Markus Schrems