Mener, arsenic, et d'autres métaux lourds sont de plus en plus présents dans les systèmes d'eau du monde entier en raison des activités humaines, comme l'utilisation de pesticides et, plus récemment, l'élimination inadéquate des déchets électroniques. Exposition chronique à des niveaux même infimes de ces contaminants, à des concentrations de parties par milliard, peut causer des problèmes de santé débilitants chez les femmes enceintes, enfants, et d'autres populations vulnérables.

La surveillance de l'eau pour les métaux lourds est une tâche formidable, cependant, en particulier pour les régions à ressources limitées où les travailleurs doivent collecter de nombreux litres d'eau et conserver chimiquement les échantillons avant de les transporter vers des laboratoires éloignés pour analyse.

Pour simplifier le processus de surveillance, Les chercheurs du MIT ont développé une approche appelée SEPSTAT, pour l'extraction en phase solide, préservation, espace de rangement, transport, et l'analyse des traces de contaminants. La méthode est basée sur un petit dispositif convivial développé par l'équipe, qui absorbe les traces de contaminants dans l'eau et les conserve à l'état sec afin que les échantillons puissent être facilement déposés par la poste et expédiés à un laboratoire pour une analyse plus approfondie.

L'appareil ressemble à un petit hélice souple, ou fouetter, qui s'adapte à l'intérieur d'une bouteille d'échantillonnage typique. Lorsqu'il est tourné à l'intérieur de la bouteille pendant plusieurs minutes, l'instrument peut absorber la plupart des traces de contaminants dans l'échantillon d'eau. Un utilisateur peut soit sécher l'appareil à l'air libre, soit l'éponger avec un morceau de papier, puis l'aplatir et l'envoyer sous enveloppe à un laboratoire, où les scientifiques peuvent le tremper dans une solution d'acide pour éliminer les contaminants et les collecter pour une analyse plus approfondie en laboratoire.

"Nous avons initialement conçu ceci pour une utilisation en Inde, mais cela m'a beaucoup appris sur nos propres problèmes d'eau et les traces de contaminants aux États-Unis, " déclare la conceptrice d'appareils Emily Hanhauser, un étudiant diplômé du département de génie mécanique du MIT. "Par exemple, quelqu'un qui a entendu parler de la crise de l'eau à Flint, Michigan, qui veut maintenant savoir ce qu'il y a dans leur eau, pourrait un jour commander quelque chose comme ça en ligne, faire le test eux-mêmes, et l'envoyer à un laboratoire."

Hanhauser et ses collègues ont récemment publié leurs résultats dans la revue Sciences et technologies de l'environnement . Ses co-auteurs au MIT sont Chintan Vaishnav du Tata Center for Technology and Design et de la MIT Sloan School of Management; John Hart, professeur agrégé de génie mécanique; et Rohit Karnik, professeur de génie mécanique et chef de département associé pour l'éducation, avec Michael Bono de l'Université de Boston.

Des sachets de thé aux fouets

L'équipe a initialement cherché à comprendre l'infrastructure de surveillance de l'eau en Inde. Des millions d'échantillons d'eau sont collectés par les travailleurs des laboratoires locaux dans tout le pays, qui sont équipés pour effectuer une analyse de base de la qualité de l'eau. Cependant, pour analyser les contaminants traces, les travailleurs de ces laboratoires locaux doivent conserver chimiquement un grand nombre d'échantillons d'eau et transporter les récipients, souvent sur des centaines de kilomètres, aux capitales des États, où les laboratoires centralisés disposent d'installations pour analyser correctement les traces de contaminants.

« Si vous collectez beaucoup de ces échantillons et essayez de les apporter à un laboratoire, c'est un travail assez pénible, et il y a une barrière de transport importante, " dit Hanhauser.

En cherchant à rationaliser la logistique de la surveillance de l'eau, elle et ses collègues se sont demandé s'ils pouvaient éviter le transport de l'eau, et à la place transporter les contaminants par eux-mêmes, à l'état sec.

Ils ont finalement trouvé l'inspiration dans les taches de sang sec, une technique simple qui consiste à piquer le doigt d'une personne et à prélever une goutte de sang sur une carte de cellulose. Une fois séché, les produits chimiques dans le sang sont stables et préservés, et les cartes peuvent être envoyées par la poste pour une analyse plus approfondie, évitant la nécessité de conserver et d'expédier de gros volumes de sang.

L'équipe a commencé à penser à un système de collecte similaire pour les métaux lourds, et a recherché dans la littérature des matériaux qui pourraient à la fois absorber les traces de contaminants de l'eau et les maintenir stables lorsqu'ils sont secs.

Ils ont finalement opté pour des résines échangeuses d'ions, une classe de matériau qui se présente sous la forme de petites billes de polymère, plusieurs centaines de microns de large. Ces billes contiennent des groupes de molécules liées à un ion hydrogène. Lorsqu'il est plongé dans l'eau, l'hydrogène se détache et peut être échangé avec un autre ion, tel qu'un cation de métal lourd, qui prend la place de l'hydrogène sur la bille. De cette façon, les billes peuvent absorber les métaux lourds et autres contaminants traces de l'eau.

Les chercheurs ont ensuite cherché des moyens d'immerger les billes dans l'eau, et a d'abord considéré un design semblable à un sachet de thé. Ils ont rempli une poche en forme de maille de perles et l'ont trempée dans de l'eau qu'ils ont enrichie de métaux lourds. Ils ont trouvé, bien que, qu'il a fallu des jours aux billes pour absorber adéquatement les contaminants si elles laissaient simplement le sachet de thé dans l'eau. Quand ils ont remué le sachet de thé, les turbulences ont quelque peu accéléré le processus, mais cela prenait encore beaucoup trop de temps pour les perles, emballé dans un grand sachet de thé, pour absorber les contaminants.

Finalement, Hanhauser a découvert qu'une conception d'agitation portative fonctionnait mieux pour absorber les contaminants métalliques dans l'eau dans un délai raisonnable. L'appareil est fabriqué à partir d'un maillage polymère découpé en plusieurs panneaux en forme d'hélice. Au sein de chaque panneau, Petites poches cousues main Hanhauser, qu'elle a rempli de billes de polymère. Elle a ensuite cousu chaque panneau autour d'un bâton en polymère pour ressembler à une sorte de batteur à œufs ou de fouet.

Tester les eaux

Les chercheurs ont fabriqué plusieurs des appareils, puis les a testés sur des échantillons d'eau naturelle collectés autour de Boston, y compris les rivières Charles et Mystic. Ils ont ajouté aux échantillons divers contaminants de métaux lourds, comme le plomb, le cuivre, nickel, et cadmium, puis collé un appareil dans le flacon de chaque échantillon, et l'a fait tourner à la main pour attraper et absorber les contaminants. Ils ont ensuite placé les appareils sur un comptoir pour sécher pendant la nuit.

Pour récupérer les contaminants de l'appareil, ils ont plongé l'appareil dans de l'acide chlorhydrique. L'hydrogène dans la solution élimine efficacement tous les ions attachés aux billes de polymère, dont les métaux lourds, qui peuvent ensuite être collectées et analysées avec des instruments tels que des spectromètres de masse.

Les chercheurs ont découvert qu'en remuant l'appareil dans l'échantillon d'eau, l'appareil était capable d'absorber et de préserver environ 94 pour cent des contaminants métalliques dans chaque échantillon. Dans leurs récents procès, ils ont découvert qu'ils pouvaient encore détecter les contaminants et prédire leurs concentrations dans les échantillons d'eau d'origine, avec une plage de précision de 10 à 20 pour cent, même après avoir stocké l'appareil dans un état sec jusqu'à deux ans.

Avec un coût de moins de 2 $, les chercheurs pensent que le dispositif pourrait faciliter le transport des échantillons vers des laboratoires centralisés, collecte et conservation des échantillons pour analyse future, et l'acquisition de données sur la qualité de l'eau de manière centralisée, lequel, à son tour, pourrait aider à identifier les sources de contamination, orienter les politiques, et permettre une meilleure gestion de la qualité de l'eau.