Les chercheurs estiment que les émissions de mercure dans l'atmosphère ont quadruplé depuis la révolution industrielle. Le métal lourd, généré par la combustion de combustibles fossiles et l'élimination des déchets industriels et médicaux, est devenu si persistant dans les environnements aquatiques que la Food and Drug Administration des États-Unis suggère qu'environ une demi-douzaine d'espèces de poissons sont tellement contaminées par le mercure que les gens devraient éviter de consommer leur. Les chercheurs travaillent depuis de nombreuses années pour développer des systèmes permettant d'éliminer le mercure de l'eau. Mais une équipe de l'Université de Drexel aurait peut-être trouvé le bon matériau pour attraper efficacement le vif-argent évasif, même à de faibles niveaux, et nettoyer les plans d'eau contaminés.

Parmi les nombreuses méthodes d'élimination du mercure de l'eau, l'adsorption - le processus d'attraction et d'élimination chimique des contaminants - est la technologie la plus prometteuse en raison de sa relative simplicité, de son efficacité et de son faible coût, selon Masoud Soroush, Ph.D., professeur au Drexel College of Engineering. , dont le laboratoire développe une nouvelle technologie d'adsorption.

"Les adsorbants modernes, tels que les résines, la silice mésoporeuse, les chalcogénures et les carbones mésoporeux, ont des efficacités plus élevées que les adsorbants traditionnels, tels que le charbon actif, les argiles et les zéolites qui ont une faible affinité pour le mercure et de faibles capacités", a déclaré Soroush. "Cependant, le problème avec tous ces matériaux, c'est que leur efficacité d'élimination du mercure est encore faible et qu'ils sont incapables d'abaisser le niveau de mercure à moins de 1 partie par milliard."

L'équipe de chercheurs de Soroush de Drexel et Temple University a exploré la synthèse et l'utilisation d'un MXene en carbure de titane modifié en surface pour l'élimination du mercure. Les MXenes sont une famille de nanomatériaux bidimensionnels découverts à Drexel il y a plus de dix ans et qui ont démontré de nombreuses propriétés exceptionnelles. L'équipe a récemment publié ses résultats dans le Journal of Hazardous Materials .

Pour l'élimination des ions mercure, les avantages du carbure de titane MXene, selon Soroush, sont sa surface chargée négativement et l'accordabilité et la polyvalence de sa chimie de surface, ce qui rend le MXene attrayant pour l'élimination des ions de métaux lourds. En raison de ces propriétés et de la structure en couches du MXene, les matériaux à base de carbure de titane MXene ont montré des performances supérieures dans la séparation des gaz, l'élimination du sel de l'eau, la destruction des bactéries et la dialyse rénale.

"Nous savions que les matériaux 2D, tels que l'oxyde de graphène et le bisulfure de molybdène, avaient déjà été efficaces pour éliminer les métaux lourds des eaux usées par adsorption en raison de leurs fonctionnalités/structures chimiques qui attirent les ions métalliques", a déclaré Soroush. "Les MXènes sont un type de matériaux similaire, mais nous avons estimé que le carbure de titane MXène pourrait avoir des capacités d'absorption bien supérieures à celles de ces autres matériaux, ce qui en fait un meilleur sorbant pour les ions mercure."

Mais l'équipe de Soroush devait apporter un ajustement clé à la structure chimique du carbure de titane MXene afin d'améliorer encore le matériau pour l'une de ses tâches les plus difficiles.

"Le mercure est appelé mercure pour une raison :il est assez insaisissable une fois émis dans l'environnement, que ce soit par la combustion de combustibles fossiles, l'exploitation minière ou l'incinération des déchets", a déclaré Soroush. "Il change rapidement de forme chimique, ce qui augmente sa toxicité et le rend extrêmement difficile à éliminer des masses d'eau où il s'accumule inévitablement. Ainsi, pour attirer les ions mercure encore plus rapidement, nous devions modifier la surface des flocons de carbure de titane MXène."

Il existe une attraction naturelle entre les ions mercure et la surface du carbure de titane MXene, car les ions métalliques, comme le mercure, sont chargés positivement et la surface des flocons MXene est chargée négativement. Cependant, pour extraire plus fortement les ions mercure de l'eau, l'équipe devait donner un coup de pouce à cette attraction. À cette fin, ils ont traité les flocons de MXene avec de l'acide chloroacétique - un processus appelé carboxylation - qui fournit au MXene des groupes acides carboxyliques forts et hautement mobiles et augmente la charge négative de surface des flocons de MXene, améliorant ainsi la capacité des flocons à attirer et retenir ions mercure.

Selon les chercheurs, le résultat a été un nouveau matériau sorbant, le carbure de titane carboxylé MXene, qui a démontré une absorption plus rapide des ions mercure et une plus grande capacité que tous les adsorbants disponibles dans le commerce.

"Le carbure de titane carboxylé MXene s'est avéré bien supérieur au matériau sorbant actuellement utilisé pour l'élimination des ions mercure", a déclaré Soroush. "En une minute, il a été capable d'éliminer 95 % des ions mercure d'un échantillon d'eau contaminé à une concentration de 50 parties par million, ce qui signifie qu'il pourrait être suffisamment efficace et efficient pour être utilisé dans le traitement des eaux usées à grande échelle".

En cinq minutes, le carbure de titane MXene et le carbure de titane carboxylé MXene ont éliminé 98 % des ions mercure d'un échantillon d'eau de 10 millilitres contaminés par des ions mercure à des concentrations comprises entre 1 et 1 000 parties par million.

"Cela indique que [MXene] et [carboxylated MXene] sont des adsorbants efficaces pour éliminer les ions mercure des eaux usées en raison de leurs propriétés structurelles spéciales et de la haute densité de groupes fonctionnels de surface", a écrit l'équipe. "Généralement, le mécanisme d'adsorption des ions métalliques suit deux étapes ; au début, les ions sont rapidement adsorbés sur les sites actifs disponibles, et le processus est rapide. L'adsorption se déroule plus lentement à mesure que les sites d'adsorption se remplissent et les ions doivent diffuser dans les pores et l'intercalaire."

Le développement est important dans la lutte pour contenir la pollution par le mercure, qui est devenue si répandue que les autorités sanitaires recommandent d'éviter complètement de manger certaines espèces de poissons. Les efforts visant à contenir le mercure libéré par la combustion de combustibles fossiles se sont révélés aussi difficiles que la réduction de la dépendance aux combustibles eux-mêmes.

Alors que s'éloigner des sources d'énergie polluantes est la solution ultime pour empêcher le rejet de métaux lourds, comme le mercure dans l'environnement, Soroush suggère que cette percée pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour nettoyer la pollution qui a déjà été créée.

"Nous envisageons l'utilisation de la technologie MXene carboxylée pour éliminer tous les ions de métaux lourds", a-t-il déclaré. "Outre l'utilisation du MXène carboxylé comme sorbant, une autre façon d'y parvenir consiste à fabriquer des filtres revêtus ou intégrés avec le MXène carboxylé." + Explorer plus loin

Paillettes de carbure de titane obtenues par gravure sélective de titane carbure de silicium