Les colorants synthétiques sont utilisés dans une grande variété d'industries et constituent une préoccupation majeure en matière de pollution de l'eau. Ces colorants sont non seulement toxiques, mais ils persistent aussi longtemps dans l'environnement sans se dégrader. La plupart des approches pour éliminer les colorants synthétiques de l'eau sont basées sur l'adsorption, un phénomène où une molécule chimique se lie à la surface d'un substrat appelé adsorbant. Les systèmes à base de carbone sont couramment adoptés comme adsorbants, mais ils sont limités par la nécessité d'une voie d'élimination sûre pour l'adsorbant utilisé et l'impossibilité de réutiliser le matériau. De nombreux polymères ont également été étudiés en tant qu'adsorbants, mais ils présentent une solubilité et une stabilité dans l'eau médiocres.

Récemment, une équipe internationale de chercheurs, dont le professeur Wei-Hsin Chen de l'Université nationale Cheng Kung, à Taïwan, a développé une nouvelle solution écologique et réutilisable à base de nanocomposites pour éliminer les colorants toxiques des eaux usées. L'article décrivant l'étude a été mis en ligne le 31 juillet 2021 et a été publié dans le volume 421 du Journal of Hazardous Materials le 5 janvier 2022.

"La carboxyméthylcellulose (CMC) est un dérivé de cellulose peu coûteux, facile à produire, écologique et biocompatible. Mais il a des propriétés thermiques et mécaniques relativement médiocres. Dans notre étude, nous avons réussi à améliorer la CMC en la combinant avec de l'acide polyacrylique (PAA ). Les matériaux préparés peuvent être des adsorbants efficaces pour les polluants ioniques dans le traitement des eaux usées », explique le professeur Chen.

Le CMC est un polymère bien caractérisé et peu coûteux dérivé de la cellulose naturelle, un polymère abondant présent dans les plantes et les microalgues telles que Chlorella sp. Dans cette étude, les chercheurs ont combiné le CMC avec le PAA - un polymère qui aime l'eau, non toxique et sûr - et ont chargé les hydrogels résultants avec de l'oxyde de graphène. Enfin, en soumettant ces hydrogels à des cycles répétés de lavage et de lyophilisation, ils ont transformé les hydrogels en "aérogels", qui sont des réseaux solides poreux contenant des poches d'air à haute capacité d'adsorption.

L'équipe de recherche a ensuite caractérisé les aérogels à l'aide de la microscopie électronique à balayage à émission de champ et de techniques de laboratoire et a découvert que différents niveaux d'oxyde de graphène créaient des pores de tailles différentes dans l'aérogel. Ils ont découvert que l'ajout d'oxyde de graphène augmentait la surface spécifique et la stabilité thermique des hydrogels nanocomposites. Ils ont également constaté que la taille des pores des hydrogels diminuait avec l'augmentation des concentrations d'oxyde de graphène. De plus, l'aérogel développé dans cette étude avait une capacité d'adsorption de 138 mg/g de bleu de méthylène après 250 min, ce qui est parmi les capacités d'adsorption de bleu de méthylène les plus élevées rapportées dans la littérature. Selon le professeur Chen, "l'adsorbant développé dans cette étude est à la fois respectueux de l'environnement et rentable, ce qui indique son potentiel d'application élevé pour l'élimination des colorants cationiques des eaux usées."

Enfin, les chercheurs ont constaté que les nouveaux hydrogels conservaient environ 90 % de leur capacité d'adsorption même après neuf cycles d'utilisation et de régénération.

Ils ont ensuite voulu étudier le mécanisme derrière la capacité d'adsorption élevée des hydrogels, ils ont donc effectué des simulations de théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Les résultats de leurs simulations suggèrent que le bleu de méthylène se lie plus fortement à l'oxyde de graphène qu'au CMC ou au PAA. Ils ont également constaté que l'adsorption du bleu de méthylène sur l'oxyde de graphène dans le nanocomposite s'effectuait via la liaison des électrons pi, la liaison hydrogène et les interactions électrostatiques.

Les hydrogels nanocomposites fabriqués dans cette étude fournissent un matériau adsorbant écologique, stable, efficace et réutilisable pour éliminer les colorants synthétiques des eaux usées et apporter des améliorations à la fois à l'environnement et à la santé humaine. + Explorer plus loin

Système de purification d'eau conçu à partir de bois, avec l'aide d'un four à micro-ondes