Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Quand l'eau coule profondément sous terre, il dissout souvent les substances inorganiques des dépôts minéraux de la croûte terrestre. Dans de nombreuses régions, ces gisements contiennent de l'arsenic, un élément naturel incolore, insipide et inodore. Bien que sa présence soit à peine perceptible, une exposition prolongée à de l'eau contaminée à l'arsenic peut conduire à la gangrène, maladie et de nombreux types de cancer, entraînant une perte importante de revenus pour des millions de personnes et même la mort.
Parce que de nombreuses régions manquent de ressources et d'infrastructures pour traiter leur eau par des moyens conventionnels, ils n'ont d'autre choix que de continuer à s'exposer à ces risques. La crise de la contamination généralisée à l'arsenic, en particulier dans les régions rurales d'Asie du Sud, a été décrit comme le plus grand empoisonnement de masse de l'histoire de l'humanité.
"L'arsenic naturellement présent dans les eaux souterraines est en fait plus courant qu'on ne le pense, " dit Case van Genuchten, chercheur au Département de géochimie de la Commission géologique du Danemark et du Groenland. « De nombreuses régions ont centralisé le traitement de l'eau, ce qui le rend assez facile à enlever. Mais dans les régions qui n'ont pas d'approvisionnement en eau courante et dépendent de puits d'eau souterraine, vous devez réfléchir un peu plus à la façon de mettre en œuvre des solutions durables de traitement de l'eau. »
Inspiré des processus naturels du sol qui lient les contaminants et les filtrent, van Genuchten utilise des oxydes de fer tels que la rouille, qui sont abondants dans le sol, pour filtrer l'arsenic des eaux souterraines. Il dirige des expériences au laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie qui étudient des méthodes peu coûteuses de traitement des eaux souterraines en utilisant seulement de petites quantités d'électricité et d'acier ou de fer. L'article le plus récent de l'équipe, qui compare les performances d'élimination de l'arsenic de différentes formes de rouille a été publiée dans Recherche sur l'eau .
Les couleurs de la rouille
La rouille se forme lorsque le fer réagit avec l'oxygène et l'humidité. Cette réaction fait perdre des électrons aux atomes de fer, augmenter l'état d'oxydation du matériau. Différents états d'oxydation produisent différentes couleurs, ou des formulaires, de rouille. Chaque forme a des propriétés uniques et réagit différemment avec l'arsenic.
Case van Genuchten de la Commission géologique du Danemark et du Groenland travaille dans la huche à rayons X lors d'une expérience sur la ligne de faisceau 4-1 de SSRL, où la plupart des mesures d'arsenic sur le projet ont été effectuées. Crédit :Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
L'équipe utilise les rayons X de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC pour mieux comprendre comment l'arsenic se lie à différentes particules de rouille, une interaction qui est utilisée pour éliminer l'arsenic dans les processus de purification réels dans une usine de traitement de l'eau située dans une école d'un village rural du Bengale occidental, Inde.
"Ce que nous faisons, c'est prendre des morceaux de fer, qui sont faciles à trouver, et les insérer dans les eaux souterraines pompées dans un réservoir relié à une alimentation électrique, comme une batterie de voiture, " dit van Genuchten. " Le courant de la batterie corrode le fer et produit de la rouille. L'arsenic se fixe à la surface de ces particules de rouille, qui peut ensuite être filtré par gravité, ou potentiellement, à l'aide d'aimants. Toute sorte de rouille, du noir au rouge au vert, a un arrangement atomique différent. En changeant la façon dont nous appliquons le courant à l'eau, nous pouvons contrôler la structure atomique et la réactivité de la rouille pour optimiser notre système."
Aiguille dans une botte de foin
Les chercheurs ont découvert que la magnétite, une forme de rouille noire trouvée dans de nombreux types de roches, est le plus efficace pour ce processus, fonctionne bien même à de faibles concentrations.
Chez SSRL, l'équipe utilise des rayons X pour déterminer la structure des particules de magnétite et comment l'arsenic forme des liaisons chimiques avec le minéral. En projetant des rayons X sur des échantillons de rouille liés à l'arsenic, les chercheurs peuvent extraire des électrons des enveloppes les plus profondes des atomes d'arsenic, qui permet de détecter des atomes d'arsenic même à l'état de traces aussi difficiles à trouver qu'une aiguille dans une botte de foin. Cette technique basée sur le synchrotron, appelée spectroscopie d'absorption des rayons X, utilise des rayons X avec des énergies finement contrôlées pour obtenir des informations sur la façon dont l'arsenic se lie au fer et est l'une des seules méthodes capables de produire des informations aussi détaillées sur le comportement des métaux traces toxiques.
A travers ces expériences, les chercheurs ont découvert que la magnétite a une structure unique par rapport aux autres formes de rouille qui lui permet de former des liens plus forts avec le contaminant.
"La forme et la taille de la molécule d'arsenic se sont avérées s'adapter comme une pièce de puzzle dans la structure de la magnétite, ", dit van Genuchten. "Cela conduit à l'incorporation d'arsenic dans la particule de magnétite plutôt que de simplement se lier à la surface minérale."
Un jeune villageois rapporte à la maison une bouteille de 5 litres d'eau traitée achetée à l'usine électrochimique de l'école. Les exploitants d'usines locales, qui habitent aussi le village, ont constaté que les coûts d'exploitation de l'usine étaient suffisamment bas pour créer un marché viable pour la vente d'eau traitée en excès au village, en plus de l'eau fournie aux écoliers. Par conséquent, le village a commencé à passer de l'achat d'eau aux transporteurs d'eau locaux à l'achat d'eau à l'usine. Crédit :Sébastien Krogh
Impact dans le monde réel
A travers cette recherche, van Genuchten espère trouver des moyens de produire des particules de rouille plus rapidement et de mieux contrôler leur réaction avec l'arsenic afin que le système de traitement de l'eau puisse être optimisé au point de pouvoir être largement mis en œuvre. Il dit qu'il apprécie la façon dont le projet lui permet de faire avancer la recherche fondamentale même si elle est motivée par des applications claires et des besoins urgents.
« J'ai commencé à faire des recherches sur le traitement de l'eau parce que je voulais avoir un impact positif sur le monde, " dit-il. " Parfois, je suis frustré lorsque les parties de ma recherche sur le traitement de l'eau ne se déroulent pas comme prévu, mais il est bon de se rappeler que je fais aussi de la recherche d'un point de vue fondamental. Les connaissances que je génère sur les interactions entre les minéraux et les contaminants sont également importantes pour comprendre comment les contaminants se comportent dans l'environnement, par exemple comment les métaux toxiques se déplacent dans les eaux souterraines et sont piégés dans les sols et les sédiments. »
Malgré les défis, il ajoute qu'il est toujours important de garder à l'esprit les applications réelles de ce travail.
"J'étais là le premier jour où l'eau a été distribuée aux enfants de l'école en Inde, " dit-il. " Les enfants ont tous des cartes avec des puces électroniques qu'ils mettent contre un petit panneau dans un kiosque de distribution, qui pompe alors un litre d'eau filtrée. C'était tellement gratifiant de voir l'excitation sur leurs visages quand ils ont vu l'eau sortir."
