ISIAS

"Une nouvelle technologie permet de récupérer de l’eau potable à partir d’un air relativement sec et en utilisant seulement les rayons solaires. Le prototype produit assez de liquide pour qu’une personne puisse survivre en milieu désertique " par Thomas Sumner

Traduction et compléments de Jacques Hallard
vendredi 12 mai 2017 par Sumner Thomas



ISIAS EAU
Une nouvelle technologie permet de récupérer de l’eau potable à partir d’un air relativement sec et en utilisant seulement les rayons solaires. Le prototype produit assez de liquide pour qu’une personne puisse survivre en milieu désertique
L’article d’origine de Thomas Sumner a été publié le 13 avril 2017 par ‘Science News’ Chemistry, Sustainability, Materials, Science & Society sous le titre « New tech harvests drinking water from (relatively) dry air using only sunlight  » ; il est accessible sur ce site : https://www.sciencenews.org/article/new-tech-harvests-drinking-water-relatively-dry-air-using-only-sunlight

Ajout en annexe de documents sur l’eau dans l’atmosphère et le cycle de l’eau

De l‘eau à partir de l’air - Ce prototype d’appareil capture l’eau de l’air. Puis, lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil, la couche peinte en noir (en haut) se réchauffe et libère l’humidité captée sous forme de vapeur dans le récipient. Un condenseur refroidit ensuite la vapeur, transformant l’eau sous sa forme liquide. Laboratoire d’Evelyn Wang / MIT.

Un nouvel appareil de la taille d’une tasse à café peut générer de l’eau potable provenant de l’air du désert en n’utilisant pas autre chose que la lumière du soleil. « Avec cet appareil, vous pouvez récolter l’équivalent de la valeur d’eau d’une canette de boisson dans un laps de temps d’une heure », explique le co-créateur Omar Yaghi, chimiste à l’Université de Californie à Berkeley, aux Etats-Unis. « Il s’agit de la quantité d’eau dont une personne a besoin pour survivre dans le désert ».

Bien que cela ne se remarque pas beaucoup, ses concepteurs disent que l’appareil actuel n’est qu’un prototype. Mais la technologie pourrait être mise à l’échelle pour fournir de l’eau douce à certaines des régions les plus éloignées et retirées du globe, comme il en existe au Moyen-Orient et en Afrique du Nord, disent-ils.

Les tentatives précédentes de collecte d’eau avec peu d’énergie ont toujours eu du mal à fonctionner en dessous de 50% d’humidité relative (soit environ l’humidité moyenne en après-midi à Augusta, dans l’état de Géorgie aux Etats-Unis. Grâce à un matériel spécial, le nouvel appareil a capté l’eau de l’air avec une humidité relative de 20%, comme et ses collègues l’on rapporté en ligne le 13 avril 12017 dans la revue ‘Science’. C’est comme faire de l’eau à Las Vegas, où l’humidité relative de l’après-midi est en moyenne de 21%.

[Voir l’article « Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight ». Hyunho Kim1, et al. + See all authors and affiliations - Science  13 Apr 2017 : eaam8743 è DOI : 10.1126/science.aam8743 ].

L’approvisionnement en eau potable ne peut pas tenir compte des demandes croissantes d’une population humaine qui augmente, et les changements dans les précipitations causées par les dérèglements climatiques devraient exacerber le problème. Déjà, les deux tiers de la population mondiale connaît une pénurie d’eau (SN : 8/20/16, p.22).

[Lire l’article « New desalination tech could help quench global thirst Scientists seek cheaper strategies for producing freshwater ». By Thomas Sumner , 4:00pm, August 9, 2016 – Site : https://www.sciencenews.org/article/new-desalination-tech-could-help-quench-global-thirst ].

Une source d’eau en grande partie inexploitée est constituée par l’atmosphère, qui recèle la contenance de plus de 5 milliards de piscines olympique sous forme de vapeur et de gouttelettes d’eau. {{}}

Récupérer l’humidité est facile lorsque l’air est saturé d’eau. Mais les régions humides ne sont pas là où le problème de la pénurie d’eau est la plus manifeste, et l’extraction de l’eau de l’air qui est plus sec dans les zones desséchées est un défi majeur. Les matériaux spongieux tels que les gels de silice peuvent extraire l’humidité de l’air même à faible humidité relative. Cependant, ces matériaux amassent l’eau trop lentement ou nécessitent beaucoup d’énergie pour extraire l’eau collectée du matériau.

Le nouvel appareil utilise un matériau qui évite les deux problèmes. L’ingénieur en mécanique du MIT Evelyn Wang, Yaghi et ses collègues ont réutilisé un matériau existant et composé d’atomes métalliques chargés électriquement, liés par des molécules organiques. Ce cadre métallo-organique, baptisé MOF-801, crée un réseau de pores microscopiques et spongieux qui peuvent piéger des gaz tels que la vapeur d’eau. À a température ambiante, la vapeur d’eau se rassemble dans les pores. Lorsque la température s’élève, l’eau s’échappe. [Voir la photo de la molécule sur’ Crystal Structure of MOF-801’].

Le prototype de l’équipe comprend une couche de MOF-801 mélangée à de la mousse de cuivre. À gauche, cette couche recueille de la vapeur d’eau à partir de l’air. Lorsqu’il est placé sous la lumière directe du soleil, la couche se réchauffe et la vapeur d’eau s’échappe dans une chambre sous-jacente. Un condenseur placé dans la chambre refroidit la vapeur, en la transformant en un liquide potable. Tout ce processus prend environ deux heures. Les tests de laboratoire de l’appareil ont permis de récolter 2,8 litres d’eau par jour pour chaque kilogramme de MOF-801 utilisé. Comme il se présente actuellement, l’appareil pourrait être utilisé comme source d’eau personnelle dans les régions sèches sans infrastructure hydrographique, selon Yaghi, ou bien encore, le système pourrait être construit à une grande échelle pour produire suffisamment d’eau pour alimenter une communauté entière.

La capacité de l’appareil à produire de l’eau à partir d’une faible humidité relative est une percée, explique Krista Walton, une ingénieure chimiste au ‘Georgia Tech’ à Atlanta. « Personne d’autre n’utilise MOF comme ça aujourd’hui », dit-elle.

En ce qui concerne le coût de la mise à l’échelle supérieure, les ingrédients utilisés dans le cadre métallo-organique de l’appareil ne sont pas exotiques », explique Krista Walton. Produire de grandes quantités de ce matériel « serait certainement possible si la demande se manifestait »,

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Citations

H. Kim et al. Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight. Science. Published online April 13, 2017. doi : 10.1126/science.aam8743.

Further Reading

T. Sumner. New desalination tech could help quench global thirst. Science News. Vol. 190, August 20, 2016, p. 22.

E. Conover. Turning water to steam, no boiling required. Science News Online, April 8, 2016.

A. Cunningham. Molecular Car Park : Material packs in carbon dioxide. Science News. Vol. 169, January 7, 2006, p. 4.

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Annexe – Documents sur l’eau dans l’atmosphère et le cycle de l’eau

L’eau dans l’atmosphère - Document ‘OMER7A’ - Fiche Résumée Fiche Complète


I  Introduction

L’eau constitue le seul élément abondamment présent dans l’atmosphère sous ses trois états : gazeux, liquide, solide. Sa présence est indispensable non seulement au maintien de la vie sur la Terre mais également pour le rôle qu’elle joue dans son bilan énergétique global. En outre, elle constitue l’élément de base de la formation des nuages et donc de l’évolution du temps qu’il fait.


II  Les différentes phases de l’eau


II.1 La vapeur

Contrairement au sens commun qui croit « voir » de la vapeur d’eau s’échapper d’une bouilloire chauffée, la phase gazeuse de l’eau est invisible, inodore et insipide. Ce que l’œil voit s’échapper de la bouilloire est en fait un fin brouillard de gouttelettes liquides.
Intimement mélangée à l’air sec, la vapeur n’est détectable que par ses propriétés d’absorption et d’émission du rayonnement électromagnétique, essentiellement dans la gamme infrarouge.
La quasi-totalité de la vapeur d’eau réside dans la troposphère et participe au cycle de l’eau, un mécanisme essentiel du fonctionnement de la ’machine atmosphérique’.


II.2 L’eau liquide et la glace

La partie visible de l’eau atmosphérique réside dans les nuages sous la forme de gouttes, de gouttelettes, de cristaux de glace et autres particules glacées. Elle constitue ce que les météorologues appellent la nébulosité. Si à l’état gazeux l’eau ne perturbe pas la transparence de l’air, c’est condensée en gouttes ou gouttelettes, ou à l’état solide, sous forme de cristaux de glace ou de neige, qu’elle constitue un obstacle diffractant la lumière et qu’elle devient donc visible, partiellement ou totalement opaque.

M2_L_eau_dans_l_atmosphere_1

Photo 1 : Formations nuageuses vue de l’espace (source NASA). Les nuages sont constitués d’eau liquide ou solide qui diffracte la lumière, ce qui leur confère une certaine opacité

M2_L_eau_dans_l_atmosphere_2

Photo 2 : exemple de cristaux de glace.


III Le cycle de l’eau

L’hydrosphère, c’est-à-dire l’ensemble des espaces terrestres qui contiennent de l’eau, est divisée en cinq réservoirs :

  • les océans et les mers (qui contiennent l’essentiel de l’eau liquide terrestre) ;
  • les eaux continentales (aussi bien en surface que souterraines) ;
  • la biosphère (l’ensemble des êtres vivants) ;
  • l’atmosphère (sous forme liquide, solide et gazeuse) ;
  • la cryosphère (ensemble des constituants terrestres composés de glace : les sols enneigés, les glaciers, les calottes glaciaires, banquises et icebergs).
    Les quantités stockées et échangées sont tellement importantes qu’on évalue les contenus des réservoirs en km3et les flux en km3/an. La répartition moyenne des volumes stockés apparaît dans le tableau 1 où la cryosphère est intégrée au réservoir des eaux continentales. On observe que les océans constituent le réservoir principal du cycle de l’eau (1 350 000 000 km3, la profondeur moyenne des océans étant de 3500 m), alors que le stock atmosphérique est faible (13 000 km3, soit l’équivalent de 0,3 cm de pluie réparti sur toute la surface terrestre), et que d’énormes quantités d’eau traversent l’atmosphère chaque année.

Chaque molécule d’eau reste dans un réservoir donné pendant une certaine période dont la durée moyenne est appelée « temps de résidence ». Il existe de grandes différences entre les temps de résidence correspondant aux divers réservoirs, de quelques heures à quelques millénaires, comme le montre le tableau 1.

Les réservoirs

Temps de résidence

Stocks en km3, (%)

Océans 2500 ans 1 350 000 000 (97,40)
Eaux continentales 35 976 700 (2,40)
Glaciers 1600 à 1900 ans 27 500 000 (1,98)
Eaux souterraines 1400 ans 8 200 000 (0,59)
Mers intérieures 250 ans 105 000 (7,58 x10-3)
Lacs 1 à 17 ans 100 000 (7,21 x10-3)
Eaux superficielles 1 an 70 000 (5,05 x10-3)
Rivières 16 jours 1 700 (1,23 x10-4)
Atmosphère 8 jours 13 000 (9,38 x10-4)
Biosphère Quelques heures 1 100 (7,9 x10-()

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Tableau 1 - Stocks et temps de résidence de l’eau dans les divers réservoirs. La cryosphère (principalement les glaciers) est intégrée au réservoir des eaux continentales. On voit que les océans constituent le réservoir principal de l’eau.

La circulation annuelle de l’eau représente le plus grand mouvement de substances chimiques sur la Terre. Malgré quelques faibles pertes d’eau dues à la décomposition dans la haute atmosphère par les rayons ultraviolets des molécules de vapeur, la quantité totale d’eau contenue dans l’hydrosphère n’a que très peu diminué depuis un milliard d’années. Le cycle des échanges d’eau entre les divers réservoirs peut donc être considéré comme stationnaire, chaque perte d’un réservoir étant compensée par le gain d’un ou de plusieurs autres.

Schématisé sur la figure 1, le cycle de l’eau est la succession des mécanismes suivants :

  • évaporation des eaux océaniques et continentales : l’eau liquide devient vapeur ;
  • condensation atmosphérique de la vapeur d’eau sous la forme de nuages : la vapeur d’eau redevient liquide ou solide ;
  • précipitations liquides et glacées sous forme de pluie ou de neige ;
  • écoulement des eaux continentales (ruissellement de surface, infiltration et écoulement souterrain)qui alimente de nouveau les réservoirs initiaux du cycle.
    Le carburant de ces différents processus n’est autre que l’énergie solaire.

M2_L_eau_dans_l_atmosphere_3

Figure 1 : Schéma représentant le cycle global de l’eau sur la Terre : évaporation, condensation, précipitations, écoulement, etc... Les différents réservoirs d’eau sont représentés en km3 et les flux d’échanges associés en km3 par an. On voit que le réservoir océanique est de loin le plus vaste et que les échanges océan-atmosphère sont les plus actifs.


IV  Influence du cycle de l’eau sur la composition de l’atmosphère

L’eau à l’état de vapeur est, comme on le sait, le principal gaz à effet de serre, elle a aussi une importance déterminante sur la composition de l’atmosphère pour plusieurs raisons.

Le lessivage des gaz hydrosolubles et des aérosols. La formation des gouttelettes nuageuses est initiée par des aérosols qui jouent le rôle de noyaux de condensation. Les nuages une fois formés sont composé de gouttelettes d’eau liquide (voire de glace) qui captent les gaz hydrosolubles, notamment les composé acides. Les gouttes de pluie lors de leur chute captent aussi des gaz et des aérosols. Ce mode de dépôt dit dépôt humide est le principal mode de recyclage des substances chimiques qui transitent par l’atmosphère.

La vapeur d’eau est aussi, avec l’ozone, l’ingrédient nécessaire à la formation des radicaux hydroxyles. Ces radicaux, composés d’un atome d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, extrêmement réactifs, sont les principaux oxydants des gaz atmosphérique, leur rôle est donc central dans l’évolution chimique en phase gazeuse des constituants gazeux atmosphériques. Notons que les espèces gazeuses s’oxydent aussi au sein des gouttes nuageuses. Toutes ces réactions (en phase homogène ou hétérogène) sont détaillées dans les fiches correspondantes.

Enfin dans la stratosphère les nuages de glace appelés PSC (nuages stratosphériques polaires) jouent un rôle important dans la destruction saisonnière de l’ozone polaire par des réactions chimique catalysées à la surface des cristaux de glace qui les composent.

Source : http://omer7a.obs-mip.fr/mallette/fiches/L-eau-dans-l-atmosphe-re

Le climat de la Terre- Document CNRS

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Le cycle de l’eau

Les mers et les océans, les eaux continentales superficielles et souterraines, l’atmosphère et la biosphère sont les quatre réservoirs d’eau de l’hydrosphère. L’échange d’eau entre ces quatre compartiments est permanent, c’est le cycle externe de l’eau. Le moteur en est le soleil dont l’énergie thermique rayonnée active et maintient constamment les masses d’eau en mouvement.

L’eau se trouve sous ses trois différentes formes dans le cycle de l’eau :
- l’eau liquide (état liquide) dans les fleuves, les océans et les nuages ;
- la vapeur d’eau (état gazeux) dans l’atmosphère ;
- la glace (état solide) dans les calottes polaires, les glaciers et la banquise.

La quantité d’eau présente sur Terre, la même depuis plusieurs milliards d’années, soit environ 1400 milliards de km3, se transforme en occupant différents états physiques et se déplace en permanence.

La circulation de l’eau se déroule en plusieurs étapes :
1. L’évapotranspiration  : l’eau s’évapore de la surface des océans, mais aussi des continents, avec l’évaporation des sols et la transpiration de la végétation, passant ainsi de l’état liquide à l’état gazeux ;
2. La condensation : l’eau évaporée se condense, passant inversement de l’état gazeux à l’état liquide, dans l’atmosphère, pour former les nuages ;
3. Les précipitations : l’eau des nuages retombe sur la surface terrestre sous forme de gouttes de pluie ou de flocons de neige, en fonction de la température de l’air ;
4. L’infiltration et le ruissellement : l’eau précipitée s’infiltre directement dans le sous-sol, jusqu’aux nappes souterraines, ou bien ruisselle dans les rivières et les fleuves, jusqu’aux océans.

Le long voyage de l’eau recommence alors avec l’évapotranspiration, etc.
En moyenne sur l’année et sur l’ensemble des continents, 65% des précipitations qui arrivent au sol s’évaporent et les 35% restants ruissellent et s’infiltrent.

Durant ce cycle continu, l’eau reste stockée dans certains « réservoirs ». Ainsi elle ne reste qu’une ou deux semaines dans l’atmosphère et les cours d’eau, quelques milliers d’années dans les océans et les glaciers et peut être stockée jusqu’à plus d’un million d’années dans les calottes polaires, comme c’est le cas en Antarctique.

Le cycle de l’eau participe au transfert de chaleur entre la surface de la terre et l’atmosphère. En effet, lors de l’évaporation, le passage de l’état liquide où les molécules d’eau sont liées entre elles, à l’état de gaz où les molécules d’eau sont indépendantes les unes des autres, nécessite un apport d’énergie pour casser les liaisons qui maintiennent les molécules entre elles dans la phase liquide. Cette énergie nécessaire est prise là où l’eau liquide s’évapore : c’est pourquoi l’évaporation de la surface (océans, sols et végétation) entraîne un refroidissement de cette surface. Inversement, lorsque la vapeur d’eau se condense dans l’atmosphère, la même quantité d’énergie est restituée à l’air ambiant.

L’évaporation–condensation conduit ainsi à un transfert de chaleur depuis la surface de la planète vers l’atmosphère. L’air réchauffé va ensuite être transporté par la circulation atmosphérique.

CNRS sagascience

Nous suggérons aussi de consulter le document ‘Luxurion suivant : Météorologie élémentaire - L’eau dans l’atmosphère - AstroSurf _ www.astrosurf.com/luxorion/meteo-eau.htm

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Traduction, compléments entre […] Haut du formulaire

et intégration de liens hypertextes par Jacques HALLARD, Ingénieur CNAM, consultant indépendant – 08/05/2017

Site ISIAS = Introduire les Sciences et les Intégrer dans des Alternatives Sociétales

http://www.isias.lautre.net/

Adresse : 585 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France

Courriel : jacques.hallard921@orange.fr

Fichier : ISIAS EAU New tech harvests drinking water from (relatively) dry air using only sunlight French version.2

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