Des ingénieurs ont mis au point une nouvelle éponge capable d’éliminer les métaux – y compris les métaux lourds toxiques comme le plomb et les métaux critiques comme le cobalt – de l’eau contaminée, laissant derrière elle une eau saine et potable.
Dans le cadre d’expériences de validation du concept, les chercheurs ont testé leur nouvelle éponge sur un échantillon d’eau du robinet hautement contaminée, contenant plus d’une partie par million de plomb. En une seule utilisation, l’éponge a filtré le plomb à des niveaux inférieurs à ceux détectables.
Après avoir utilisé l’éponge, les chercheurs ont également réussi à récupérer les métaux et à réutiliser l’éponge pour plusieurs cycles. La nouvelle éponge est prometteuse pour une utilisation future en tant qu’outil peu coûteux et facile à utiliser dans les filtres à eau domestiques ou dans les efforts d’assainissement de l’environnement à grande échelle.
L’étude a été publiée le 10 mai dans la revue ACS ES&T Water. L’article décrit la nouvelle recherche et établit des règles de conception pour l’optimisation de plateformes similaires pour l’élimination – et la récupération – d’autres toxines de métaux lourds, y compris le cadmium, l’arsenic, le cobalt et le chrome.
« La présence de métaux lourds dans l’approvisionnement en eau est un énorme défi de santé publique pour le monde entier« , a déclaré Vinayak Dravid, de Northwestern, auteur principal de l’étude. « Il s’agit d’un problème d’une gigatonne qui nécessite des solutions pouvant être déployées facilement, efficacement et à peu de frais. C’est là que notre éponge entre en jeu. Elle peut éliminer la pollution et être réutilisée à l’infini« .
M. Dravid est professeur titulaire de la chaire Abraham Harris de science et d’ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern et directeur des initiatives mondiales à l’Institut international de nanotechnologie.
Réduire les déversements
Le projet s’appuie sur les travaux antérieurs de M. Dravid visant à mettre au point des éponges très poreuses pour divers aspects de l’assainissement de l’environnement. En mai 2020, son équipe a dévoilé une nouvelle éponge conçue pour nettoyer les marées noires.
L’éponge recouverte de nanoparticules, qui est actuellement commercialisée par MFNS Tech, une entreprise dérivée de Northwestern, offre une alternative plus efficace, plus économique, plus écologique et plus réutilisable aux méthodes actuelles de lutte contre les déversements de pétrole. Mais Dravid savait que ce n’était pas suffisant.
« Lorsqu’il y a une marée noire, on peut enlever le pétrole« , explique-t-il. « Mais ces déversements contiennent également des métaux lourds toxiques, tels que le mercure, le cadmium, le soufre et le plomb. Ainsi, même si l’on enlève le pétrole, certaines autres toxines peuvent subsister.«
Rincer et répéter
Pour s’attaquer à cet aspect du problème, l’équipe de Dravid s’est à nouveau tournée vers des éponges recouvertes d’une couche ultramince de nanoparticules. Après avoir testé de nombreux types de nanoparticules, l’équipe a constaté qu’une couche de goethite dopée au manganèse était la plus efficace. Non seulement les nanoparticules de goethite dopées au manganèse sont peu coûteuses à fabriquer, facilement disponibles et non toxiques pour l’homme, mais elles possèdent également les propriétés nécessaires à la dépollution sélective des métaux lourds.
« Il faut un matériau avec une grande surface, pour que les ions de plomb aient plus de place pour s’y coller« , explique Benjamin Shindel, doctorant dans le laboratoire de Dravid et premier auteur de l’article. « Ces nanoparticules ont des surfaces élevées et de nombreux sites réactifs pour l’adsorption. Elles sont stables et peuvent donc être réutilisées plusieurs fois.«
L’équipe a synthétisé des boues de nanoparticules de goethite dopées au manganèse, ainsi que plusieurs autres compositions de nanoparticules, et a enduit des éponges de cellulose disponibles dans le commerce avec ces boues. Ils ont ensuite rincé les éponges enduites avec de l’eau afin d’éliminer toutes les particules détachées. Les revêtements finaux ne mesuraient que quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur.
Plongée dans l’eau contaminée, l’éponge recouverte de nanoparticules a efficacement retenu les ions de plomb. La Food and Drug Administration des États-Unis exige que la teneur en plomb de l’eau potable embouteillée soit inférieure à 5 parties par milliard. Lors des essais de filtration, l’éponge a permis de réduire la quantité de plomb à environ 2 parties par milliard, ce qui rend l’eau potable.
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« Nous sommes très satisfaits de ce résultat« , a déclaré M. Shindel. « Bien sûr, cette performance peut varier en fonction de plusieurs facteurs. Par exemple, si vous avez une grande éponge dans un tout petit volume d’eau, elle sera plus performante qu’une toute petite éponge dans un immense lac.«
La récupération contourne l’exploitation minière
L’équipe a ensuite rincé l’éponge avec de l’eau légèrement acidifiée, que M. Shindel compare à « l’acidité d’une limonade« . La solution acide a permis à l’éponge de libérer les ions de plomb et d’être prête pour une nouvelle utilisation. Bien que les performances de l’éponge aient diminué après la première utilisation, elle a tout de même récupéré plus de 90 % des ions au cours des cycles d’utilisation suivants.
Cette capacité à recueillir et à récupérer les métaux lourds est particulièrement précieuse pour éliminer les métaux rares et critiques, tels que le cobalt, des sources d’eau. Ingrédient courant des batteries lithium-ion, le cobalt est énergétiquement coûteux à extraire et s’accompagne d’une longue liste de coûts environnementaux et humains.
Si les chercheurs parvenaient à mettre au point une éponge qui élimine sélectivement les métaux rares, dont le cobalt, de l’eau, ces métaux pourraient être recyclés dans des produits tels que les batteries.
« Pour les technologies d’énergie renouvelable, comme les batteries et les piles à combustible, il est nécessaire de récupérer les métaux« , explique M. Dravid. « Sinon, il n’y aura pas assez de cobalt dans le monde pour le nombre croissant de batteries. Nous devons trouver des moyens de récupérer les métaux à partir de solutions très diluées. Sinon, ils deviennent toxiques et empoisonnés et restent dans l’eau. Autant en faire quelque chose de valable« .
Échelle normalisée
Dans le cadre de l’étude, Dravid et son équipe ont établi de nouvelles règles de conception pour aider d’autres personnes à mettre au point des outils permettant de cibler des métaux particuliers, dont le cobalt. Plus précisément, ils ont identifié les nanoparticules peu coûteuses et non toxiques qui présentent également des surfaces et des affinités élevées pour adhérer aux ions métalliques. Ils ont étudié les performances des revêtements d’oxydes de manganèse, de fer, d’aluminium et de zinc en matière d’adsorption du plomb. Ils ont ensuite établi des relations entre les structures de ces nanoparticules et leurs propriétés d’adsorption.
Baptisée Nanomaterial Sponge Coatings for Heavy Metals (ou « Nano-SCHeMe »), la plateforme d’assainissement de l’environnement peut aider d’autres chercheurs à différencier les nanomatériaux les mieux adaptés à des applications particulières.
« J’ai lu de nombreux ouvrages comparant différents revêtements et adsorbants« , explique Caroline Harms, étudiante de premier cycle dans le laboratoire de Dravid et coauteur de l’article. « Il y a vraiment un manque de normalisation dans ce domaine. En analysant différents types de nanoparticules, nous avons mis au point une échelle comparative qui fonctionne pour tous les types de nanoparticules. Cela pourrait avoir de nombreuses implications pour faire avancer le domaine« .
Dravid et son équipe imaginent que leur éponge pourrait être utilisée dans les filtres à eau commerciaux, pour la dépollution de l’environnement ou comme étape supplémentaire dans les installations de récupération et de traitement de l’eau.
« Ce travail peut être pertinent pour les questions de qualité de l’eau, tant au niveau local que mondial« , a déclaré M. Shindel. « Nous voulons que ces travaux soient appliqués dans le monde entier, là où ils peuvent avoir un impact réel.«
Illustration légende : Caroline Harms, étudiante en licence, examine un échantillon d’éponge recouverte de nanoparticules. (Image : Northwestern University)
