Un revêtement innovant empêche la formation de calcaire


Ballons d'eau chaude, machines à laver, bouilloires : du calcaire se forme dans tous les appareils électroménagers qui entrent en contact avec de l'eau (chaude), en particulier dans les zones où l'eau est dure, c'est-à-dire riche en calcium. Souvent, la seule chose qui aide est d'utiliser du vinaigre ou un détartrant spécial pour dissoudre les dépôts durs et restaurer la fonctionnalité de l'appareil.

C'est une nuisance dans les ménages et un problème coûteux dans les centrales thermiques, par exemple celles qui produisent de l'électricité, où la formation de calcaire est connue sous le nom d'encrassement. Les échangeurs de chaleur sont particulièrement sensibles au calcaire, ce qui réduit considérablement l'efficacité des systèmes : une couche de calcaire d'à peine un millimètre d'épaisseur dans les tuyaux de l'échangeur de chaleur réduit l'efficacité de la production d'électricité d'environ 1,5 pour cent. Pour compenser ces pertes, il faudrait brûler 8,7 millions de tonnes supplémentaires de houille. C'est mauvais pour l'empreinte carbone et le climat, et cela coûte cher aux producteurs d'électricité.

Surface anticalcaire innovante

Une équipe de recherche de l'ETH Zurich et de l'Université de Californie à Berkeley a trouvé une solution possible à ce problème : un revêtement spécial anti-calcaire avec des stries microscopiques qui empêchent l'adhésion des cristaux de calcaire. L'étude de l'équipe a été récemment publiée dans la revue Avancées scientifiques.

Les recherches fondamentales sur le développement de surfaces anticalcaires sont rares. Les chercheurs, dirigés par l'ancien professeur de l'ETH Thomas Schutzius, ont donc examiné de près les interactions entre les différents cristaux de calcaire en croissance, le débit d'eau environnant et la surface au niveau microscopique.

Sur cette base, Julian Schmid, doctorant de Schutzius, et d'autres membres de l'équipe ont développé plusieurs revêtements à partir de divers matériaux souples et les ont testés dans le laboratoire de l'ETH Zurich.

L'hydrogel avec microstructure est le plus efficace

Le revêtement le plus efficace s'est avéré être un hydrogel polymère dont la surface est recouverte de minuscules crêtes grâce à des moules microtexturés, que les chercheurs ont fabriqués par photolithographie.

La microstructure de l'hydrogel rappelle des modèles naturels tels que les écailles de requin, qui présentent également une structure nervurée pour supprimer les salissures sur la peau des requins.

Dans les bouilloires ou les chaudières, les nervures garantissent que les cristaux de calcaire sont moins en contact avec la surface, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas adhérer et sont donc plus faciles à éliminer ; l'eau circulant sur l'hydrogel et à travers la structure nervurée les emporte. Bien que le revêtement ne puisse pas empêcher complètement la formation de cristaux de calcaire, l'élimination passive constante des cristaux microscopiques les empêche de se développer ensemble pour former une couche tenace.

Lors de la production des différents revêtements, les chercheurs ont principalement varié la teneur en polymère. Plus la teneur en polymère est faible et plus la teneur en eau est élevée, moins les cristaux de carbonate de calcium adhèrent bien à la surface.

Des tests avec des particules modèles en polystyrène montrent que les structures superficielles du revêtement doivent être plus petites que les particules qui s'y déposent. Cela réduit la surface de contact et donc la force d'adhérence. « Nous avons fait varier la structure de surface du matériau pour obtenir la plus grande efficacité, puis avons réalisé les expériences cristallines avec cette taille de structure optimale », explique Schmid.

Les expériences de l'équipe montrent que le revêtement d'hydrogel est très efficace : lorsque l'eau s'écoule sur la surface recouverte d'hydrogel, sur laquelle s'étaient développés auparavant des cristaux de calcaire d'une taille d'environ 10 micromètres, jusqu'à 98 % des cristaux ont été éliminés.

Solution écologique

Les chercheurs soulignent que leur solution est plus écologique et plus efficace que les approches de détartrage existantes, dont certaines font appel à des produits chimiques toxiques et agressifs. En revanche, l’hydrogel est biocompatible et respectueux de l’environnement. La technologie derrière cette solution devrait également être évolutive : le revêtement pourrait être appliqué de différentes manières déjà utilisées aujourd’hui dans l’industrie.

Plutôt que de déposer un brevet pour leur développement, les chercheurs ont délibérément opté pour une publication dans une revue scientifique. Cela signifie que toutes les parties intéressées sont libres de développer et d'utiliser le nouveau revêtement.

Schutzius a reçu une ERC Starting Grant pour cette recherche en 2019. Il ne travaille plus à l'ETH Zurich et est désormais professeur assistant de génie mécanique à l'UC Berkeley.

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