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Optimisation de la transpiration artificielle du distillateur solaire - Par : Hanen Hattab,

Optimisation de la transpiration artificielle du distillateur solaire


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Une équipe multidisciplinaire, réunissant des chercheurs du National Laboratory of Solid State Microstructures, du College of Engineering and Applied Sciences, du School of Physics, and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, du Zhu group de Nanjing University en Chine et du Department of Mechanical Engineering du Massachusetts Institute of Technology, a créé une nouvelle génération de distillateur solaire. L’efficacité énergétique de cette innovation participera à l’expansion de ce système de potabilisation et de dessalement de l’eau par la chaleur.

Une technologie inspirée de deux phénomènes naturels

Plusieurs méthodes de purification et de dessalement de l’eau ont utilisé le principe de transpiration inspiré du phénomène naturel évaporation – condensation – précipitation.

Or, selon ces chercheurs, les distillateurs d’eau ne sont pas performants comparés aux autres méthodes de purification chimique en raison des pertes d’énergie causées par le phénomène de convection. En effet les parois de ces systèmes, où la condensation a lieu, sont en contact avec les contenants d’eau, ce qui favorise la perte de chaleur par convection.

Fonctionnement d'un distillateur solaire pour produire de l'eau potable

Structure du distillateur solaire

Transfert de chaleur par convection et par conduction

L’équipe a développé un nouveau concept de « transpiration artificielle » inspiré du mode d’acheminement de l’eau des racines vers les feuilles chez les plantes. Ce schéma de circulation des fluides a permis aux chercheurs d’éviter la perte de chaleur dans l’air et de conserver toute l’énergie nécessaire pour activer la condensation sur la surface appropriée.

Structure végétale

Ce système comporte quatre parties fonctionnelles. Le transfert de l’eau et de la chaleur sans pertes d’énergie est assuré par respectivement, un dispositif unidimensionnel et une structure qui conserve la chaleur par conduction.

En effet, l’eau est acheminée de la première partie, à savoir le récipient de stockage, vers un volume conique, dans lequel la condensation et l’évaporation ont lieu par capillarité. Selon les études effectuées par l’équipe, la capillarité est un mode de transfert des liquides très efficace qui empêche également les pertes thermiques.

Transport de l’eau par capillarité

La deuxième partie, responsable de la capillarité, est un filament en coton naturel qui conduit l’eau du bas vers la quatrième partie, située en haut. Cette dernière est le volume conique décrit plus haut. Il est fabriqué en oxyde de graphène poreux et absorbant qui, grâce à une structure nanométrique, assure efficacement le transfert et la condensation de l’eau sur ses surfaces internes.

L’eau distillée est récupérée dans le récipient par le même effet de capillarité. Les impuretés, séparées de l’eau au moment de l’évaporation et de la condensation sur le cône, chutent dans un récolteur en polystyrène, qui sert notamment de couvercle protecteur au récipient de stockage.

Les pertes de chaleur par convection des systèmes existants ont été évitées grâce à la structure particulière de cette solution innovante, dont les surfaces chaudes du cône, qui est exposé aux rayonnements solaires, ne sont pas en contact direct avec l’eau.

Performance formelle

Ce distillateur solaire est 85 % plus efficace que les systèmes existants. Son fonctionnement est optimal et ne nécessite pas d’isolation thermique externe ou de dispositifs optiques pour intensifier les rayonnements solaires.

Sa forme conique le rend plus performant parce qu’elle permet de capter plus de rayonnements solaires comparativement aux systèmes bidimensionnels, et ce, parce qu’en changeant sa position dans le ciel, le soleil peut atteindre plusieurs zones du volume. Les chercheurs ont noté dans leur étude qu’il est possible d’optimiser la partie conique en la rendant mobile. Le changement d’angle lui permet de suivre la direction des rayons du soleil et de réduire davantage le temps de fonctionnement. En outre, une grande partie de la lumière du soleil (10 à 50 %) est diffuse, arrivant au récepteur de toutes les directions, ce qui fait du cône la forme la plus efficace.

Le distillateur solaire s'inspire de la manière dont l'eau circule des racines aux feuilles

Les tests effectués par l’équipe ont démontré que ce système de transpiration artificiel permet, en plus du traitement efficace de l’eau, de collecter et de recycler les métaux lourds qui se trouvent dans les eaux contaminées. L’eau récoltée sous forme de vapeur condensée par cette technologie est pure et respecte les normes de l’eau potable de l’OMS. L’équipe a réussi à obtenir une eau potable à partir d’eaux usées contenant des concentrations élevées de Cu2+, Cd2+, Pb2+ et Zn2+ (5000 mg/L, 5000 fois plus élevé que les normes d’eau potable de l’OMS). À partir de ces eaux, les chercheurs ont pu extraire des métaux lourds tels que l’or (Au) et le cuivre (Cu).

Cette étude intitulée « Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste water treatment » a été publiée dans la revue National Science Review le 2 mai 2017. Elle a été coécrite par Xiuqiang Li, Renxing Lin, George Ni, Ning Xu, Xiaozhen Hu, Bin Zhu, Guangxin Lv, Jinlei Li, Shining Zhu, Jia Zhu.

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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