Les eaux usées des uns sont le trésor des autres. Une nouvelle étude de l'Université de Stanford ouvre la voie à l'extraction des eaux usées pour les matériaux précieux utilisés dans les engrais et les batteries qui pourraient un jour alimenter les smartphones et les avions. L'analyse, publiée récemment dans ACS ES&T Engineering , révèle comment optimiser les processus électriques pour transformer la pollution par le soufre et pourrait contribuer à un traitement des eaux usées abordable et alimenté par des énergies renouvelables qui crée de l'eau potable.

"Nous cherchons toujours des moyens de boucler la boucle des processus de fabrication de produits chimiques", a déclaré Will Tarpeh, auteur principal de l'étude et professeur adjoint de génie chimique à Stanford. "Le soufre est un cycle élémentaire clé qui peut encore être amélioré pour convertir efficacement les polluants soufrés en produits tels que les engrais et les composants de batterie."

Une meilleure solution

Alors que les réserves d'eau douce diminuent, en particulier dans les régions arides, l'attention s'est intensifiée sur le développement de technologies qui convertissent les eaux usées en eau potable. Les procédés membranaires qui utilisent des environnements anaérobies ou sans oxygène pour filtrer les eaux usées sont particulièrement prometteurs car ils nécessitent relativement peu d'énergie. Cependant, ces procédés produisent du sulfure, un composé qui peut être toxique, corrosif et malodorant. Les stratégies pour résoudre ce problème, telles que l'oxydation chimique ou l'utilisation de certains produits chimiques pour convertir le soufre en solides séparables, peuvent générer des sous-produits et provoquer des réactions chimiques qui corrodent les tuyaux et rendent plus difficile la désinfection de l'eau.

Une solution alléchante pour traiter la production de sulfure de la filtration anaérobie consiste à convertir le sulfure en produits chimiques utilisés dans les engrais et le matériau de cathode pour les batteries lithium-soufre, mais les mécanismes pour le faire ne sont toujours pas bien compris. Ainsi, Tarpeh et ses collègues ont entrepris d'élucider une approche rentable qui ne créerait aucun sous-produit chimique.

Les chercheurs se sont concentrés sur l'oxydation électrochimique du soufre, qui nécessite un faible apport d'énergie et permet un contrôle précis des produits soufrés finaux. Alors que certains produits, comme le soufre élémentaire, peuvent se déposer sur les électrodes et ralentir les réactions chimiques, d'autres comme le sulfate peuvent être facilement captés et réutilisés. S'il fonctionnait efficacement, le processus pourrait être alimenté par des énergies renouvelables et adapté pour traiter les eaux usées collectées dans des bâtiments individuels ou des villes entières.

Faisant une nouvelle utilisation de la microscopie électrochimique à balayage - une technique qui facilite les instantanés microscopiques des surfaces des électrodes pendant le fonctionnement des réacteurs - les chercheurs ont quantifié les taux de chaque étape de l'oxydation électrochimique du soufre ainsi que les types et les quantités de produits formés. Ils ont identifié les principales barrières chimiques à la récupération du soufre, y compris l'encrassement des électrodes et les intermédiaires les plus difficiles à convertir. Ils ont découvert, entre autres, que la variation des paramètres de fonctionnement, tels que la tension du réacteur, pouvait faciliter la récupération à faible énergie du soufre des eaux usées.

Ces informations et d'autres ont permis de clarifier les compromis entre l'efficacité énergétique, l'élimination des sulfures, la production de sulfates et le temps. Avec eux, les chercheurs ont défini un cadre pour éclairer la conception des futurs procédés d'oxydation électrochimique du sulfure qui équilibrent l'apport d'énergie, l'élimination des polluants et la récupération des ressources. À l'avenir, la technologie de récupération du soufre pourrait également être combinée à d'autres techniques, telles que la récupération de l'azote des eaux usées pour produire des engrais à base de sulfate d'ammonium. Le Codiga Resource Recovery Center, une usine de traitement à l'échelle pilote sur le campus de Stanford, jouera probablement un rôle important dans l'accélération de la conception et de la mise en œuvre futures de ces approches.

"J'espère que cette étude contribuera à accélérer l'adoption de technologies qui atténuent la pollution, récupèrent des ressources précieuses et créent de l'eau potable en même temps", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Xiaohan Shao, titulaire d'un doctorat. étudiant en génie civil et environnemental à Stanford.

Tarpeh est également professeur adjoint (par courtoisie) de génie civil et environnemental, membre du centre (par courtoisie) du Stanford Woods Institute for the Environment, chercheur affilié au programme de Stanford sur l'eau, la santé et le développement, et membre de Stanford. Bio-X. L'auteur supplémentaire Sydney Johnson était étudiant de premier cycle en génie chimique à Stanford au moment de la recherche.