De nouveaux types d'adsorbeurs à membrane éliminent les particules indésirables de l'eau et également, à la fois, substances dissoutes telles que le bisphénol A à activité hormonale ou le plomb toxique. Pour faire ça, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB ont intégré des particules adsorbantes sélectives dans des membranes de filtration.

Ce n'est qu'en janvier 2015 que l'Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) a abaissé la valeur seuil du bisphénol A dans les emballages. Le produit chimique en vrac à activité hormonale est entre autres un matériau de base pour le polycarbonate à partir duquel, par exemple, CD, de la vaisselle en plastique ou des verres à lunettes sont fabriqués. En raison de sa structure chimique, le bisphénol A n'est pas complètement dégradé dans les étapes biologiques des stations d'épuration et est rejeté dans les rivières et les lacs par la station d'épuration.

Le charbon actif ou les matériaux adsorbants sont déjà utilisés pour éliminer les produits chimiques, des antibiotiques ou des métaux lourds provenant des eaux usées ou de traitement. Cependant, un inconvénient de ces matériaux très poreux est le temps de contact long que nécessitent les polluants pour diffuser dans les pores. Pour que le plus grand nombre possible de substances nocives soient capturées même en moins de temps, les stations d'épuration utilisent de plus grandes quantités d'adsorbeurs dans des bassins de traitement d'autant plus grands. Cependant, le charbon actif ne peut être régénéré qu'avec un apport énergétique élevé, entraînant pour la plupart la nécessité d'éliminer de grandes quantités de matériaux contaminés par des polluants.

Aussi, filtration membranaire avec nanofiltration ou membranes d'osmose inverse, qui peut éliminer les substances contaminantes, n'est pas encore rentable pour l'élimination des molécules dissoutes des flux à grand volume tels que les procédés ou les eaux usées. Les membranes filtrent l'eau à travers leurs pores lorsqu'une pression s'accumule sur un côté de la membrane, retenant ainsi les molécules plus grosses et les particules solides. Mais plus les pores de la membrane sont petits, plus la pression - et donc plus d'énergie - est nécessaire pour séparer les substances de l'eau.

Adsorbeurs membranaires – filtrage et liaison en une seule étape

Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB à Stuttgart ont opté pour une nouvelle approche qui combine les avantages des deux méthodes. Lors de la fabrication des membranes, ils ajoutent de petits, particules adsorbantes polymères. Les adsorbeurs à membrane qui en résultent peuvent – ​​en plus de leur fonction de filtration – lier par adsorption des substances dissoutes dans l'eau. « Nous utilisons la structure poreuse de la membrane située sous la couche de séparation. Les pores ont une surface très spécifique afin que le plus de particules possible puissent être incrustées, et ils offrent également une accessibilité optimale, " dit le Dr Thomas Schiestel, Responsable du groupe de travail "Interfaces inorganiques et membranes" au Fraunhofer IGB.

"Contrairement aux adsorbeurs conventionnels, nos adsorbeurs membranaires transportent les polluants par convection. Cela signifie que, l'eau s'écoulant rapidement à travers les pores de la membrane, un temps de contact de quelques secondes seulement est suffisant pour adsorber les polluants à la surface des particules, " dit le scientifique. Jusqu'à 40 pour cent du poids des adsorbeurs à membrane est représenté par les particules, leur capacité de liaison est donc élevée en conséquence. En même temps, les adsorbeurs à membrane peuvent fonctionner à basse pression. Comme les membranes peuvent être emballées très étroitement, de très grands volumes d'eau peuvent être traités même avec de petits appareils.

Particules adsorbantes fonctionnelles

Les chercheurs fabriquent les particules d'adsorbeur en une seule étape, processus rentable. Dans ce procédé breveté, les composants monomères sont polymérisés à l'aide d'un agent de réticulation pour générer des globules de polymère de 50 à 500 nanomètres. "En fonction des substances à retirer de l'eau, nous sélectionnons le plus approprié parmi une variété de monomères avec des groupes fonctionnels différents, " explique Schiestel. Le spectre va ici de la pyridine, qui a tendance à être hydrophobe, au moyen de composés d'ammonium cationiques et comprend des phosphonates anioniques.

Élimination sélective des polluants et des métaux

Les chercheurs ont pu montrer dans différents tests que les adsorbeurs membranaires éliminent très sélectivement les polluants au moyen des particules, qui sont personnalisés pour le contaminant particulier en question. Par exemple, les adsorbeurs membranaires avec des groupes pyridine fixent particulièrement bien le bisphénol A hydrophobe, tandis que ceux avec des groupes amino adsorbent le sel chargé négativement de l'antibiotique pénicilline G.

« Les différentes particules de l'adsorbeur peuvent même être combinées dans une membrane. De cette façon, nous pouvons éliminer plusieurs micropolluants simultanément avec un seul adsorbeur à membrane, " dit Schiestel, soulignant un autre avantage. Equipé de différents groupes fonctionnels, les adsorbeurs à membrane peuvent également éliminer de l'eau les métaux lourds toxiques tels que le plomb ou l'arsenic. Adsorbeurs à membrane phosphonate, par exemple, adsorbent plus de 5 grammes de plomb par mètre carré de surface membranaire, soit 40 % de plus qu'un adsorbeur à membrane disponible dans le commerce.

Économique et régénérable

Pour que les adsorbeurs membranaires puissent être utilisés plusieurs fois, les polluants adsorbés doivent être à nouveau détachés des particules dans la membrane. « Les adsorbeurs membranaires pour le bisphénol A peuvent être entièrement régénérés par un décalage de la valeur du pH, " explique Schiestel. Les polluants concentrés peuvent ensuite être éliminés de manière rentable ou décomposés à l'aide de procédés d'oxydation appropriés.

La régénérabilité des adsorbeurs membranaires permet également une autre application :la réutilisation des molécules séparées. Cela rend en outre la technologie attrayante pour récupérer des métaux précieux ou des métaux des terres rares.