Des ingénieurs du centre de traitement de l'eau par nanotechnologie (NEWT) de l'Université Rice ont trouvé un catalyseur qui nettoie les nitrates toxiques de l'eau potable en les convertissant en air et en eau.

La recherche est disponible en ligne dans la revue American Chemical Society Catalyse ACS .

« Les nitrates proviennent principalement des eaux de ruissellement agricoles, qui affecte les communautés agricoles du monde entier, " a déclaré l'ingénieur chimiste de Rice Michael Wong, le scientifique principal de l'étude. "Les nitrates sont à la fois un problème environnemental et un problème de santé car ils sont toxiques. Il existe des filtres échangeurs d'ions qui peuvent les éliminer de l'eau, mais ceux-ci doivent être rincés tous les quelques mois pour les réutiliser, et quand cela arrive, l'eau de chasse renvoie juste une dose concentrée de nitrates directement dans l'approvisionnement en eau."

Le laboratoire de Wong est spécialisé dans le développement de catalyseurs à base de nanoparticules, morceaux de métal submicroscopiques qui accélèrent les réactions chimiques. En 2013, son groupe a montré que de minuscules sphères d'or parsemées de grains de palladium pouvaient briser les nitrites, les cousins ​​chimiques les plus toxiques des nitrates.

"Les nitrates sont des molécules qui ont un atome d'azote et trois atomes d'oxygène, " expliqua Wong. " Les nitrates se transforment en nitrites s'ils perdent un oxygène, mais les nitrites sont encore plus toxiques que les nitrates, donc vous ne voulez pas vous arrêter avec les nitrites. De plus, les nitrates sont le problème le plus répandu.

"Finalement, le meilleur moyen d'éliminer les nitrates est un processus catalytique qui les sépare complètement en azote et oxygène, ou dans notre cas, de l'azote et de l'eau car on ajoute un peu d'hydrogène, " at-il dit. " Plus de 75 pour cent de l'atmosphère terrestre est de l'azote gazeux, donc nous transformons vraiment les nitrates en air et en eau."

Les nitrates sont toxiques pour les nourrissons et les femmes enceintes et peuvent également être cancérigènes. La pollution par les nitrates est courante dans les communautés agricoles, en particulier dans la Corn Belt des États-Unis et la vallée centrale de la Californie, où les engrais sont fortement utilisés, et certaines études ont montré que la pollution par les nitrates est en augmentation en raison de l'évolution des modes d'utilisation des terres.

Les nitrates et les nitrites sont réglementés par l'Environmental Protection Agency, qui fixe les limites admissibles pour l'eau potable. Dans les communautés avec des puits et des lacs pollués, cela signifie généralement un prétraitement de l'eau potable avec des résines échangeuses d'ions qui piègent et éliminent les nitrates et les nitrites sans les détruire.

De leurs précédents travaux, L'équipe de Wong savait que les nanoparticules d'or-palladium n'étaient pas de bons catalyseurs pour briser les nitrates. Co-auteur Kim Heck, un chercheur scientifique dans le laboratoire de Wong, a déclaré qu'une recherche dans la littérature scientifique publiée a révélé une autre possibilité :l'indium et le palladium.

"Nous avons pu optimiser cela, et nous avons découvert que couvrir environ 40 pour cent de la surface d'une sphère de palladium avec de l'indium nous a donné notre catalyseur le plus actif, " Heck a déclaré. "C'était environ 50 pour cent plus efficace que tout ce que nous avons trouvé dans les études publiées précédemment. On aurait pu s'arrêter là, mais nous étions vraiment intéressés à comprendre pourquoi c'était mieux, et pour cela, nous avons dû explorer la chimie derrière cette réaction."

En collaboration avec ses collègues en génie chimique Jeffrey Miller de l'Université Purdue et Lars Grabow de l'Université de Houston, l'équipe Rice a découvert que l'indium accélère la dégradation des nitrates tandis que le palladium empêche apparemment l'indium de s'oxyder de façon permanente.

"L'indium aime être oxydé, " Heck dit. " D'après nos études in situ, nous avons constaté que l'exposition des catalyseurs à des solutions contenant du nitrate provoquait l'oxydation de l'indium. Mais lorsque nous avons ajouté de l'eau saturée d'hydrogène, le palladium a incité une partie de cet oxygène à se lier à l'hydrogène et à former de l'eau, et cela a permis à l'indium de rester dans un état réduit où il est libre de briser plus de nitrates. »

Wong a déclaré que son équipe travaillerait avec des partenaires industriels et d'autres chercheurs pour transformer le processus en un système de traitement de l'eau commercialement viable.

"C'est là qu'intervient l'ASPIC, ", a-t-il déclaré. "NEWT consiste à prendre des découvertes scientifiques fondamentales et à les déployer dans des conditions réelles. Cela va être un exemple dans ASPIC où nous avons compris la chimie, et la prochaine étape consiste à créer un système de flux pour montrer la preuve de concept que la technologie peut être utilisée sur le terrain."

NEWT est un centre de recherche en ingénierie multi-institutionnel basé à Rice qui a été créé par la National Science Foundation en 2015 pour développer des compacts, mobile, des systèmes de traitement de l'eau hors réseau qui peuvent fournir de l'eau propre à des millions de personnes et rendre la production d'énergie américaine plus durable et plus rentable. NEWT devrait mobiliser plus de 40 millions de dollars en soutien fédéral et industriel d'ici 2025 et se concentre sur les applications d'intervention d'urgence humanitaire, systèmes d'approvisionnement en eau en milieu rural et traitement et réutilisation des eaux usées sur des sites éloignés, y compris les plates-formes de forage onshore et offshore pour l'exploration pétrolière et gazière.