Des grains de dioxyde de titane adhèrent aux fibres de polyvinyle dans un tapis développé au centre NEWT dirigé par l'Université Rice pour capturer et détruire les polluants des eaux usées ou de l'eau potable. Une fois que le tapis attire et lie les polluants, le photocatalyseur au dioxyde de titane libère des espèces réactives de l'oxygène qui les détruisent. Crédit :Université Rice/NEWT
Un tapis de polymère développé à l'Université Rice a la capacité de pêcher des contaminants biologiquement nocifs de l'eau grâce à une stratégie connue sous le nom d'« appât, accrocher et détruire."
Des tests avec des eaux usées ont montré que le tapis peut éliminer efficacement les polluants ciblés, dans ce cas un couple de perturbateurs endocriniens biologiquement nocifs, en utilisant une fraction de l'énergie requise par d'autres technologies. La technique peut également être utilisée pour traiter l'eau potable.
Le tapis a été développé par des scientifiques du centre de traitement de l'eau basé sur la nanotechnologie (NEWT) dirigé par Rice. La recherche est disponible en ligne dans la revue American Chemical Society Sciences et technologies de l'environnement .
Le tapis dépend de la capacité d'un matériau commun, le dioxyde de titane, pour capter les polluants et, lors de l'exposition à la lumière, les dégrader par oxydation en sous-produits inoffensifs.
Le dioxyde de titane est déjà utilisé dans certains systèmes de traitement des eaux usées. Il est généralement transformé en une boue, combiné avec les eaux usées et exposé à la lumière ultraviolette pour détruire les contaminants. La suspension doit ensuite être filtrée de l'eau.
Le tapis ASPIC simplifie le processus. Le tapis est fait de fibres de polyvinyle filées. Les chercheurs l'ont rendu très poreux en ajoutant de petites billes de plastique qui ont ensuite été dissoutes avec des produits chimiques. Les pores offrent une grande surface pour que les particules d'oxyde de titane habitent et attendent leur proie.
Les fibres hydrophobes (qui évitent l'eau) du tapis attirent naturellement les contaminants hydrophobes comme les perturbateurs endocriniens utilisés dans les tests. Une fois attaché au tapis, l'exposition à la lumière active le dioxyde de titane photocatalytique, qui produit des espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui détruisent les contaminants.
Créé par la National Science Foundation en 2015, NEWT est un centre de recherche national qui vise à développer des mobile, des systèmes de traitement de l'eau hors réseau qui peuvent fournir de l'eau propre à des millions de personnes qui en manquent et rendre la production d'énergie américaine plus durable et plus rentable.
Les chercheurs du NEWT ont déclaré que leur tapis peut être nettoyé et réutilisé, mis à l'échelle à n'importe quelle taille, et sa chimie peut être ajustée pour divers polluants.
« Le traitement photocatalytique actuel souffre de deux limites, " a déclaré Pedro Alvarez, ingénieur en environnement de Rice et directeur du centre NEWT. " L'un est l'inefficacité parce que les oxydants produits sont récupérés par des choses qui sont beaucoup plus abondantes que le polluant cible, afin qu'ils ne détruisent pas le polluant.
Le centre NEWT dirigé par l'Université Rice a créé un tapis de polymère infusé de nanoparticules qui attire et détruit les polluants dans les eaux usées ou l'eau potable. Un tapis, en haut à gauche, est immergé dans de l'eau contenant du bleu de méthylène comme contaminant. Le contaminant est alors absorbé en haut à droite par le tapis et, dans les images du bas, détruit par l'exposition à la lumière. Le tapis est alors prêt à être réutilisé. Crédit :Université Rice/NEWT
"Seconde, conserver et séparer les photocatalyseurs en suspension et les empêcher de s'infiltrer dans l'eau traitée coûte cher, " dit-il. " Dans certains cas, le coût énergétique du filtrage de cette boue est supérieur à ce qui est nécessaire pour alimenter les lampes UV.
"Nous avons résolu les deux limitations en immobilisant le catalyseur pour le rendre très facile à réutiliser et à conserver, " a déclaré Alvarez. " Nous ne permettons pas qu'il s'échappe du tapis et ait un impact sur l'eau. "
Alvarez a déclaré que le tapis de polymère poreux joue un rôle important car il attire les polluants cibles. "C'est l'appât et l'hameçon, " dit-il. " Ensuite, le photocatalyseur détruit le polluant en produisant des radicaux hydroxyles. "
"Les pores nanométriques sont introduits en dissolvant un polymère sacrificiel sur les fibres électrofilées, ", a déclaré l'auteur principal et ancien chercheur postdoctoral de Rice, Chang-Gu Lee. "Les pores améliorent l'accès des contaminants au dioxyde de titane."
Les expériences ont montré une réduction d'énergie considérable par rapport au traitement des eaux usées utilisant du lisier.
« Non seulement nous détruisons les polluants plus rapidement, mais nous diminuons aussi significativement notre énergie électrique par ordre de réaction, " a déclaré Alvarez. " C'est une mesure de la quantité d'énergie dont vous avez besoin pour éliminer un ordre de grandeur du polluant, combien de kilowattheures vous avez besoin pour supprimer 90 %, 99 % ou 99,9 %.
« Nous montrons que pour le lisier, lorsque vous passez du traitement de l'eau distillée aux effluents de la station d'épuration, la quantité d'énergie requise augmente de 11 fois. Mais lorsque vous faites cela avec notre photocatalyseur immobilisé d'appât et de crochet, l'augmentation comparable n'est que du double. C'est une économie importante."
Le tapis permettrait également aux usines de traitement d'effectuer l'élimination et la destruction des polluants en deux étapes distinctes, ce qui n'est pas possible avec le lisier, dit Alvarez. "Il peut être souhaitable de le faire si l'eau est trouble et que la pénétration de la lumière est un défi. Vous pouvez repêcher les contaminants adsorbés par le tapis et les transférer dans un autre réacteur avec de l'eau plus claire. Là, vous pouvez détruire les polluants, nettoyez le tapis puis retournez-le pour qu'il puisse pêcher plus."
Le réglage du tapis impliquerait de modifier ses propriétés hydrophobes ou hydrophiles pour correspondre aux polluants cibles. "De cette façon, vous pourriez traiter plus d'eau avec un réacteur plus petit et plus sélectif, et donc miniaturiser ces réacteurs et réduire leur empreinte carbone, " C'est une opportunité non seulement de réduire les besoins énergétiques, mais aussi des contraintes d'espace pour le traitement photocatalytique de l'eau."
Alvarez a déclaré que la collaboration des partenaires de recherche de NEWT a aidé le projet à se concrétiser en quelques mois. "NEWT nous a permis de faire quelque chose qui séparément aurait été très difficile à accomplir dans ce court laps de temps, " il a dit.
"Je pense que le tapis améliorera considérablement le menu à partir duquel nous sélectionnons des solutions à nos défis de purification de l'eau, " a déclaré Alvarez.
