Plus d'une personne sur 10 dans le monde n'a pas accès à l'eau potable de base, et d'ici 2025, la moitié de la population mondiale vivra dans des zones de stress hydrique, c'est pourquoi l'accès à l'eau potable est l'un des Grands Défis de la National Academy of Engineering. Les ingénieurs de l'Université de Washington à St. Louis ont conçu une nouvelle technologie de membrane qui purifie l'eau tout en empêchant l'encrassement biologique, ou l'accumulation de bactéries et d'autres micro-organismes nocifs qui réduisent le débit d'eau.

Et ils ont utilisé des bactéries pour construire de telles membranes filtrantes.

Srikanth Singamaneni, professeur de génie mécanique et science des matériaux, et Young-Shin Jun, professeur d'énergie, génie environnemental et chimique, et leurs équipes ont combiné leur expertise pour développer une membrane d'ultrafiltration utilisant de l'oxyde de graphène et de la nanocellulose bactérienne qu'ils ont trouvée très efficace, durable et respectueux de l'environnement. Si leur technique devait être agrandie à une grande taille, il pourrait profiter à de nombreux pays en développement où l'eau potable est rare.

Les résultats de leurs travaux ont été publiés en couverture du numéro du 2 janvier de Sciences et technologies de l'environnement .

L'encrassement biologique représente près de la moitié de l'encrassement des membranes et est très difficile à éradiquer complètement. Singamaneni et Jun relèvent ce défi ensemble depuis près de cinq ans. Ils ont précédemment développé d'autres membranes utilisant des nanoétoiles d'or, mais je voulais en concevoir un qui utilise des matériaux moins chers.

Leur nouvelle membrane commence par nourrir les bactéries Gluconacetobacter hansenii avec une substance sucrée afin qu'elles forment des nanofibres de cellulose lorsqu'elles sont dans l'eau. L'équipe a ensuite incorporé des flocons d'oxyde de graphène (GO) dans la nanocellulose bactérienne pendant sa croissance, emprisonnant essentiellement GO dans la membrane pour la rendre stable et durable.

Après l'incorporation de GO, la membrane est traitée avec une solution basique pour tuer Gluconacetobacter. Au cours de ce processus, les groupes oxygène de GO sont éliminés, ce qui en fait un GO réduit. Lorsque l'équipe a projeté la lumière du soleil sur la membrane, les flocons de GO réduits ont immédiatement généré de la chaleur, qui est dissipée dans l'eau environnante et les bactéries nanocellulose.

Ironiquement, la membrane créée à partir de bactéries peut également tuer les bactéries.

"Si vous voulez purifier de l'eau contenant des micro-organismes, l'oxyde de graphène réduit dans la membrane peut absorber la lumière du soleil, chauffer la membrane et tuer les bactéries, " a déclaré Singamaneni.

Singamaneni et Jun et leur équipe ont exposé la membrane à des bactéries E. coli, puis éclaira la surface de la membrane. Après avoir été irradié à la lumière pendant seulement 3 minutes, la bactérie E. coli est morte. L'équipe a déterminé que la membrane chauffait rapidement au-dessus des 70 degrés Celsius requis pour détériorer les parois cellulaires des bactéries E. coli.

Pendant que les bactéries sont tuées, les chercheurs disposaient d'une membrane vierge avec une haute qualité de fibres de nanocellulose qui était capable de filtrer l'eau deux fois plus rapidement que les membranes d'ultrafiltration disponibles dans le commerce sous une pression de fonctionnement élevée.

Lorsqu'ils ont fait la même expérience sur une membrane en nanocellulose bactérienne sans GO réduit, la bactérie E. coli est restée en vie.

"C'est comme l'impression 3D avec des micro-organismes, " a déclaré Jun. "Nous pouvons ajouter ce que nous voulons à la nanocellulose bactérienne pendant sa croissance. Nous l'avons examiné dans différentes conditions de pH similaires à ce que nous rencontrons dans l'environnement, et ces membranes sont beaucoup plus stables que les membranes préparées par filtration sous vide ou revêtement par centrifugation d'oxyde de graphène."

Alors que Singamaneni et Jun reconnaissent que la mise en œuvre de ce processus dans les systèmes d'osmose inverse conventionnels est éprouvante, ils proposent un système de module en spirale, semblable à un rouleau de serviettes. Il pourrait être équipé de LED ou d'un type de nanogénérateur qui exploite l'énergie mécanique du flux de fluide pour produire de la lumière et de la chaleur, ce qui réduirait le coût global.