Un nouveau revêtement empêche le dépôt de calcaire

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(© Image: Depositphotos)
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Là où l’eau chaude coule, le calcaire n’est pas loin. C’est un problème gênant pour les ménages et coûteux pour les centrales thermiques. Des chercheurs ont désormais trouvé une solution à ce problème.

Réservoirs d’eau chaude, machines à laver, bouilloires - tous les appareils ménagers qui entrent en contact avec de l’eau (chaude) s’entartrent, surtout dans les régions où l’eau est dure et donc riche en calcaire. Souvent, seul le recours au vinaigre ou à un détartrant spécial permet de dissoudre le dépôt dur comme de la pierre et de remettre l’appareil en état de fonctionnement.

Dans les ménages, c’est avant tout gênant, mais dans les centrales thermiques, c’est un problème important et coûteux. En effet, ces centrales, qui produisent par exemple de l’électricité, luttent elles aussi contre l’entartrage. Le calcaire se forme en particulier dans les échangeurs de chaleur et réduit considérablement l’efficacité des installations : une couche de calcaire d’un millimètre d’épaisseur seulement dans les conduites de l’échangeur de chaleur diminue l’efficacité de la production d’électricité d’environ 1,5 pour cent. Pour compenser cette perte à l’échelle européenne, il faudrait brûler 8,7 millions de tonnes de charbon supplémentaires. C’est mauvais pour le bilan CO2, pour le climat et coûteux pour les producteurs d’électricité.

Une nouvelle surface anticalcaire

Une équipe de recherche de l’ETH Zurich et de l’Université de Berkeley a maintenant trouvé une solution possible à ce problème : un revêtement spécial anticalcaire qui présente des nervures microscopiques et empêche l’adhérence des cristaux de calcaire. L’étude correspondante vient d’être publiée dans la revue spécialisée Science Advances.

Comme il n’existait jusqu’à présent pratiquement aucune base pour le développement de surfaces repoussant le calcaire, les chercheurs dirigés par l’ancien professeur de l’EPFZ Thomas Schutzius ont étudié en détail comment les cristaux de calcaire individuels en croissance, le courant d’eau environnant et la surface interagissent au niveau microscopique.

Sur cette base, le doctorant de Schutzius, Julian Schmid, et d’autres collègues de l’équipe ont développé plusieurs revêtements composés de différents matériaux souples et les ont testés en laboratoire à 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 a été dotée de nervures microscopiques par les chercheurs au moyen de formes fabriquées par photolithographie.

La microstructure de l’hydrogel rappelle celle des modèles naturels comme les écailles de requin, qui ont également une structure nervurée, ce qui, chez les requins, supprime la formation de dépôts en surface.

Dans la bouilloire ou la chaudière, les nervures permettent aux cristaux de calcaire d’être moins en contact avec la surface, de ne pas se fixer et donc de se détacher plus facilement. L’eau qui s’écoule sur l’hydrogel et à travers la structure nervurée les emporte. Le revêtement ne peut certes pas empêcher la formation de quelques cristaux de calcaire. Toutefois, l’érosion passive permanente des cristaux microscopiques permet d’éviter que ceux-ci ne s’agglomèrent en une couche tenace.

Dans les différents revêtements, les chercheurs ont tout d’abord fait varier la part de polymère. Plus celle-ci est faible et plus la proportion d’eau est élevée, moins les cristaux de carbonate de calcium adhèrent à la surface.

Des essais réalisés avec des particules modèles de polystyrène montrent que les structures de surface du revêtement doivent être plus petites que les particules qui s’y déposent. Cela permet de réduire la surface de contact et donc la force d’adhésion. "Nous avons fait varier la structure de surface du matériau afin d’obtenir la plus grande efficacité et avons réalisé les expériences sur les cristaux avec cette taille de structure optimale", explique Schmid.

Leurs expériences montrent que le revêtement hydrogel est très efficace : jusqu’à 98 pour cent de tous les cristaux de calcaire d’une taille d’environ 10 micromètres qui ont poussé auparavant sur une surface recouverte d’hydrogel ont été éliminés.

Une solution respectueuse de l’environnement

Les chercheurs soulignent que leur solution est plus respectueuse de l’environnement et plus efficace que les approches actuelles de détartrage. Jusqu’à présent, des produits chimiques toxiques et agressifs étaient parfois utilisés à cet effet. L’hydrogel est en revanche biocompatible et respectueux de l’environnement. La technique serait également évolutive. Il serait possible d’appliquer le revêtement de différentes manières, que l’industrie utilise déjà aujourd’hui.

Les chercheurs n’ont pas encore déposé de brevet pour leur développement, mais ont délibérément opté pour une publication dans une revue scientifique spécialisée. Ainsi, toutes les personnes intéressées peuvent continuer à développer le nouveau revêtement et le rendre utilisable.

Pour cette recherche, Thomas Schutzius a reçu en 2019 une ERC Starting Grant. Entre-temps, il ne travaille plus à l’ETH Zurich, mais est professeur assistant en génie mécanique à l’UC Berkeley.

Référence bibliographique

Schmid J, Armstrong T, Dickhardt FJ, Rameez Iqbal SK, Schutzius TM. Imparting scalephobicity with rational microtexturing of soft materials. Science Advances 9, eadj0324 (2023). DOI : page externe 10.1126/sciadv.adj0324 call_made
Peter Rüegg