Conception d'un dispositif de traitement d'eau captée depuis l'atmosphère

La pénurie d’eau dans le monde a incité la communauté scientifique à rechercher de nouvelles méthodes de production d’eau potable pour les populations qui y ont un accès restreint. C’est ainsi que la génération d’eau atmosphérique a été suggérée, permettant d’extraire l’eau vapeur présente dans l’air environnant pour y donner accès aux populations des régions reculées. Les éponges nanoporeuses sont un des matériaux développés dans ce but et sont le matériau considéré dans la suite du mémoire. Cependant, il n’y a pas encore eu de recherche sur la qualité minéralogique ou biologique de l’eau ainsi produite, ni de suggestions pour un système de désinfection adapté pour des populations vivant dans des régions reculées et ayant ainsi un accès limité à l’électricité. Des tests sur la teneur en minéraux de l’eau récupérée en utilisant ces éponges nanoporeuses trempées dans l’eau ont été réalisés et ont permis de détecter la présence de carbonate de sodium dans des fortes proportions affectant le goût et les propriétés de l’eau augmentant son pH au-delà de 11, ainsi que l’absence quasi-totale de tout autre minéral. Ceci a mené à la mise en place d’un protocole de rinçage des éponges nanoporeuses afin d’éliminer cette contamination due à un agent de contrôle du pH utilisé lors de leur synthèse. Les résultats ont confirmé la pureté de l’eau obtenue après ce rinçage, tous les minéraux testés étant en quantités très faibles de l’ordre des seuils de détection. Enfin, pour le processus de désinfection, il a été déterminé que l’utilisation de diodes électroluminescentes (DELs) émettant dans l’ultraviolet est la plus adaptée à l’emploi dans des zones reculées du fait de leur faible consommation énergétique, l’absence de consommables et leur simplicité de maintenance. Des simulations ont été réalisées sur COMSOL afin de déterminer les paramètres idéaux du système de désinfection utilisant ces diodes, permettant de décrire une fenêtre d’opération du dispositif dans le cadre d’un écoulement piston de l’eau. Il en est ressorti qu’il existe un rayon, un débit et une configuration de diodes idéaux permettant d’optimiser la désinfection tout en consommant aussi peu d’énergie que possible. Pour des DELs émettant à 11,5mW, le rayon optimal est de 6cm - non affecté par la valeur de débit - avec un flux d’eau maximal de l’ordre du litre par heure pour respecter les normes de potabilité et une configuration de deux bagues de trois DELs. Les résultats obtenus par ces simulations restent à être confirmés expérimentalement et pour obtenir un système complet rendant l’eau produite potable il faut encore concevoir un système de reminéralisation.

Abstract

The worldwide water shortage currently experienced has led researchers to develop new ways to provide drinking water to the populations in need. This is how atmospheric water har-vesting process came to life, enabling people to have access to water even in remote areas. Nanoporous sponges are one of the materials designed for this purpose and are the material considered here. However, no research has been made relative to the mineral content or the bacteriological contamination of the produced water. A disinfection system has to be designed, specifically for populations living in remote areas with little access to electricity. The mineral content of nanoporous sponges soaked in water has been measured, raising an alarm on exceptionally high sodium carbonate content in the water, at levels impacting its taste and properties -the pH rises over 11. To limit this occurrence, a washing protocol has been devised to re-move most of the contamination which is caused by a pH control agent during the sponges’ synthesis. The results have also confirmed that once this agent has been removed, the water is nearly pure, all minerals being either at or below detection range. Finally, using ultraviolet light emitting diodes (LEDs) was elected to be the most effective disinfection method in remote areas due to low power consumption, absence of consumables and easiness of the maintenance. Simulations have been run on COMSOL to design a dis-infection system and determine the ideal values of its parameters in the case of a plug flow modelling of the water. It has been established there are ideal values for the radius, water flow and number of diodes that promote both biocidal effectiveness and energy economies. For LEDs emitting at 11,5mW, an optimal radius is 6cm in a configuration made up of 2 rings of 3 LEDs each. This is not affected by the value of the water flow but, for the system to be respectful of the laws regulating potable water, this flow has to be limited to 1 L/h. Lab experiments have yet to be realized to confirm those simulations results and for a complete system to make the water drinkable, a remineralization setup must be designed as well.