Grâce à la diffusion de neutrons, Monika Hartl de European Spallation Source étudie comment les filtres à eau interagissent avec les contaminants pour optimiser la conception des filtres et améliorer les méthodes de traitement de l'eau. Crédit :ORNL/Geneviève Martin
La filtration de l'eau est essentielle au maintien de la santé publique. La capacité de voir comment les contaminants persistants comme les bactéries nocives, micropolluants, et les microplastiques qui se comportent à l'échelle atomique peuvent permettre aux ingénieurs de fabriquer des filtres améliorés pour des méthodes de traitement de l'eau plus efficaces.
La Source Européenne de Spallation (ESS), actuellement en construction à Lund, Suède, devrait s'ouvrir aux utilisateurs en 2023. En préparation, La scientifique de l'ESS, Monika Hartl, et ses collaborateurs de la Swedish Water Research utilisent des neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) pour étudier comment le bisphénol A (BPA), un produit chimique utilisé dans les plastiques, interagit avec les filtres à eau.
Le BPA est un élément clé dans un dure, plastique incassable appelé polycarbonate qui est largement utilisé dans les produits de sécurité et les biens de consommation. Comme le polycarbonate se décompose dans l'eau, Le BPA peut être libéré dans l'environnement, où des études ont montré que la consommation de BPA, souvent le résultat de la contamination de l'eau, peut avoir un impact négatif sur la plante, animal, et même la santé humaine. Le filtrage de ce contaminant hors de l'approvisionnement en eau peut réduire ses effets négatifs sur l'environnement tout en minimisant ou en éliminant tout effet négatif sur la santé humaine.
Les filtres industriels à sable et à argile sont souvent utilisés au début du processus de filtration de l'eau avant l'application de méthodes de purification plus avancées comme le traitement au chlore. Le sable utilisé pour la filtration a des structures microporeuses capables d'adsorber les contaminants de l'eau, et les argiles ont des structures en couches avec des capacités similaires.
A l'aide de l'instrument VISION, ligne 16B à la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL, Hartl et ses collaborateurs de l'industrie suédoise de l'eau peuvent utiliser la diffusion de neutrons pour voir comment le BPA affecte les surfaces des matériaux filtrants et donc leur efficacité à adsorber les molécules au niveau atomique.
« Nous cherchons à éliminer les produits de décomposition du plastique de l'eau en utilisant des filtres à sable et à argile. En particulier, nous essayons de comprendre comment le BPA interagit avec les structures d'argile et les structures de sable, " dit Hartl.
Des échantillons de filtre à eau de sable et d'argile ont été analysés par diffusion de neutrons et les laboratoires utilisateurs du SNS pour voir comment ils interagissaient avec l'eau contenant le bisphénol A chimique, également connu sous le nom de BPA. Crédit :ORNL/Geneviève Martin
Les neutrons sont non destructifs et peuvent pénétrer profondément dans des matériaux tels que le sable et l'argile, contrairement à des méthodes de recherche similaires. Leur sensibilité à l'hydrogène les rend idéales pour les études impliquant l'eau, notamment pour étudier l'eau dans des structures opaques et difficiles à pénétrer.
"Avec des neutrons, vous pouvez pénétrer facilement dans le filtre et vous pouvez voir le BPA à l'intérieur du matériau, " dit Hartl.
"Il y a une super équipe sur VISION, et ils ont un laboratoire utilisateur bien équipé où je peux préparer une large gamme d'échantillons avec de nombreuses options pour confirmer la qualité de mes échantillons avant de les placer dans la ligne de lumière. Si je dois modifier quelque chose pendant l'expérience, Je peux vérifier mes matériaux dans le laboratoire utilisateur au lieu de perdre du temps avec le faisceau, " dit Hartl, qui prévoit actuellement des laboratoires utilisateurs similaires pour le SSE.
« Les laboratoires de chimie sont très importants pour la diffusion des neutrons. La capacité à préparer des échantillons et à les caractériser aux sources de neutrons est devenue essentielle, surtout pour la recherche sur l'eau.
En utilisant les données de cette expérience, Hartl peut identifier comment les matériaux filtrants adsorbent le BPA, ainsi que les structures et les matériaux les plus performants que les autres, afin de développer des filtres à eau améliorés qui durent plus longtemps et fonctionnent mieux.
"Si nous découvrons comment l'eau et le bisphénol interagissent avec les filtres, on peut alors apprendre à modifier le filtre pour mieux éliminer le bisphénol, ce qui serait très utile pour les plantes aquatiques, " a déclaré Hartl.
Ce travail est soutenu en tant que "projet pilote industriel pour des expériences neutroniques et photoniques dans des infrastructures de recherche à grande échelle" par l'agence de financement suédoise Vinnova (numéro de projet 2018-03264). Les partenaires de ce projet sont le Dr Alfredo Gonzalez-Perez, chef de groupe de recherche et coordinateur de projet de la Swedish Water Research AB; le professeur Kenneth Persson, chef de la recherche Sydvatten AB; et Monika Hartl.
