Une technologie améliore l’élimination des antibiotiques dans l’eau grâce aux ultrasons basse énergie

Des chercheurs ont développé un nouveau matériau à base de carbone qui améliore considérablement l’élimination des antibiotiques persistants dans l’eau, offrant une solution prometteuse et économe en énergie pour un défi environnemental croissant.

Les antibiotiques tels que l’enrofloxacine et l’amoxicilline sont largement utilisés en médecine humaine et vétérinaire, mais leurs résidus s’accumulent souvent dans les eaux usées et les environnements naturels. Ces composés sont difficiles à dégrader et peuvent contribuer à la résistance aux antibiotiques et à des risques écologiques. Les méthodes de traitement conventionnelles, y compris les ultrasons seuls, nécessitent souvent une énergie élevée mais n’obtiennent qu’une efficacité d’élimination limitée.

Dans une nouvelle étude, des scientifiques ont conçu un nouveau matériau composite qui combine du biochar, des nanotubes de carbone et du carbure de fer en une structure unique. Associé à des ultrasons basse fréquence, le matériau accélère considérablement la dégradation des antibiotiques dans l’eau.

« Notre objectif était de créer un matériau qui non seulement adsorbe les antibiotiques, mais qui favorise activement leur dégradation dans des conditions douces », a déclaré l’un des auteurs principaux de l’étude. « En intégrant du biochar avec des nanotubes de carbone et du fer, nous avons pu améliorer à la fois l’efficacité et la durabilité du processus ».

Le nouveau matériau, appelé matériau de cavitation solide à base de biochar, fonctionne en amplifiant les effets physiques et chimiques générés pendant le traitement par ultrasons. Lorsque les ondes ultrasonores traversent l’eau, elles créent de minuscules bulles qui s’effondrent rapidement, produisant des températures élevées localisées et des espèces réactives capables de dégrader les polluants. Cependant, ce processus est typiquement inefficace à basse fréquence.

Les chercheurs ont constaté que leur matériau améliore considérablement cet effet de cavitation. Le composant biochar augmente l’hydrophobicité et la stabilité de surface, permettant à plus de bulles de cavitation de se former et de persister à la surface du matériau. En même temps, les nanotubes de carbone et les sites de fer facilitent les réactions chimiques qui génèrent des espèces réactives de l’oxygène, dégradant davantage les molécules d’antibiotiques.

En conséquence, le système a atteint des taux d’élimination jusqu’à 15 fois supérieurs par rapport aux matériaux conventionnels. Plus de 90 % de l’enrofloxacine et de l’amoxicilline ont été éliminés en quelques heures sous ultrasons basse fréquence, tout en nécessitant nettement moins d’énergie que les approches traditionnelles.

Il est important de noter que l’étude a révélé que l’élimination des antibiotiques se produit par un double mécanisme. Premièrement, les polluants sont adsorbés à la surface du matériau par des interactions hydrophobes et des liaisons moléculaires. Ensuite, ils sont dégradés par les espèces réactives générées pendant la cavitation. Cette combinaison d’adsorption et de dégradation assure un traitement plus complet et plus efficace.

« Nous avons observé une forte synergie entre le matériau et les ultrasons », ont expliqué les auteurs. « Le matériau améliore la formation et la stabilité des bulles, tandis que les ultrasons améliorent la dispersion et empêchent la désactivation de la surface, conduisant à une performance soutenue ».

La technologie a également démontré une robustesse dans une large gamme de conditions de pH et a maintenu une haute efficacité après plusieurs cycles de réutilisation. Les tests sur des échantillons d’eau réelle n’ont montré qu’une légère réduction de performance, indiquant un fort potentiel pour des applications pratiques.

Au-delà de son efficacité, le système offre une alternative plus durable aux méthodes de traitement existantes. En fonctionnant à des fréquences ultrasonores et des apports énergétiques plus faibles, il réduit les coûts opérationnels tout en maintenant une haute efficacité d’élimination.

Les résultats offrent de nouvelles perspectives sur la façon dont les matériaux carbonés conçus peuvent être utilisés pour contrôler les processus de cavitation et améliorer les technologies de traitement de l’eau. Les chercheurs estiment que cette approche pourrait être étendue à l’élimination d’autres polluants organiques persistants des eaux usées.

« Ce travail ouvre de nouvelles possibilités pour concevoir des matériaux à faible coût et économes en énergie pour la remédiation environnementale », ont déclaré les auteurs. « Il représente un pas en avant dans la lutte contre la pollution antibiotique et la protection de la qualité de l’eau ». 

Article : Sustainable removals of antibiotics via biochar-enhanced ultrasound cavitation effect: synergy of carbon nanotube bonded biochar@Fe3C composite and low frequency energy efficiency – Journal : Biochar – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Shenyang Agriculture U.