En novembre 2015, Le Brésil a connu une catastrophe environnementale sans précédent. Lorsque deux barrages se sont brisés dans une mine de minerai de fer, un cocktail toxique de métaux lourds s'est déversé dans le Rio Doce, atteignant l'Atlantique quelques jours plus tard. Les conséquences ont été dévastatrices pour la nature comme pour les humains :d'innombrables poissons, les oiseaux et les animaux sont morts, et un quart de million de personnes se sont retrouvées sans eau potable.

Ce cas démontre que la pollution de l'eau est l'un des problèmes mondiaux les plus graves d'aujourd'hui. Aucune solution technique satisfaisante n'a été trouvée pour le traitement des eaux contaminées par des métaux lourds ou des substances radioactives. Méthodes existantes utilisées pour éliminer l'eau des métaux lourds, par exemple, présentent plusieurs inconvénients :soit ils sont trop ciblés sur un élément précis, soit leur capacité de filtrage est trop faible; en outre, ils sont souvent trop chers.

Filtration efficace des métaux lourds

Maintenant, une solution a peut-être été trouvée dans un nouveau type de membrane filtrante hybride développée dans le laboratoire de Raffaele Mezzenga, Professeur d'aliments et de matériaux mous à l'ETH Zurich. Cette technologie a non seulement une structure extrêmement simple, mais comprend également des matières premières à faible coût, tels que les fibres de protéines de lactosérum et le charbon actif. Les ions de métaux lourds peuvent être presque complètement éliminés de l'eau en un seul passage à travers la membrane filtrante.

"Le projet est l'une des choses les plus importantes que j'ai pu faire, " dit Mezzenga, enthousiasmé par le nouveau développement. Lui et sa chercheuse Sreenath Bolisetty étaient les seuls à y travailler, et leur publication vient de paraître dans la revue Nature Nanotechnologie .

Lactosérum et charbon actif requis

Au cœur du système de filtration se trouve un nouveau type de membrane hybride composée de charbon actif et résistant, fibres rigides de protéines de lactosérum. Les deux composants sont bon marché à obtenir et simples à produire.

Tout d'abord, les protéines de lactosérum sont dénaturées, ce qui les fait s'étirer, et se réunissent finalement sous la forme de fibrilles amyloïdes. Avec le charbon actif (qui est également contenu dans les comprimés de charbon médical), ces fibres sont appliquées sur un matériau de substrat approprié, tel qu'un papier filtre en cellulose. La teneur en carbone est de 98%, avec seulement 2% constitués par la protéine.

Récupération de l'or grâce à la membrane filtrante

Cette membrane hybride absorbe divers métaux lourds de manière non spécifique, y compris les éléments industriellement pertinents, comme le plomb, Mercure, or et palladium. Cependant, il absorbe également des substances radioactives, comme l'uranium ou le phosphore-32, qui sont pertinents dans les déchets nucléaires ou certaines thérapies contre le cancer, respectivement.

De plus, la membrane élimine les cyanures métalliques hautement toxiques de l'eau. Cette classe de matériaux comprend le cyanure d'or, qui est couramment utilisé dans l'industrie électronique pour produire des pistes conductrices sur des circuits imprimés. La membrane offre un moyen simple de filtrer et de récupérer l'or, ainsi, le système de filtrage pourrait un jour jouer un rôle important dans le recyclage de l'or. "Le profit généré par l'or récupéré est plus de 200 fois supérieur au coût de la membrane hybride, " dit Mezzenga.

Le processus de filtration est extrêmement simple :l'eau contaminée est aspirée à travers la membrane par le vide. "Un vide suffisamment fort pourrait être produit avec une simple pompe à main, " dit Mezzenga, « qui permettrait au système de fonctionner sans électricité ». Par ailleurs, le système est évolutif presque à l'infini, permettant de filtrer de manière rentable même de grands volumes d'eau.

Comme ils sont tirés à travers le filtre, les substances toxiques "collent" principalement aux fibres protéiques, qui ont de nombreux sites de liaison où les ions métalliques individuels peuvent s'arrimer. Cependant, la grande surface du charbon actif peut également absorber de grandes quantités de toxines, ce qui permet de retarder les limites de saturation des membranes. En outre, les fibres protéiques confèrent une résistance mécanique à la membrane et, à haute température, permettent aux ions piégés d'être chimiquement convertis en nanoparticules métalliques précieuses.

Capacité d'absorption inégalée

Mezzenga est enthousiasmé par la capacité de filtration de la membrane hybride :lors de tests avec du chlorure de mercure, par exemple, la concentration en mercure présent dans le filtrat a baissé de plus de 99,5 %. L'efficacité était encore plus élevée avec un composé toxique de cyanure d'or de potassium, où 99,98 % du composé était lié à la membrane, ou avec des sels de plomb, où l'efficacité était supérieure à 99,97 %. Et avec l'uranium radioactif, 99,4 % de la concentration d'origine étaient liés pendant la filtration. "Nous avons atteint ces valeurs élevées en un seul passage, " souligne Bolisetty, co-auteur de l'invention.

Même sur plusieurs passages, la membrane hybride filtre les substances toxiques avec un haut degré de fiabilité. Bien que la concentration de mercure dans le filtrat ait augmenté d'un facteur 10 de 0,4 ppm (parties par millions) à 4,2 ppm après 10 passages, la quantité de protéine utilisée était extrêmement faible. Pour filtrer un demi-litre d'eau contaminée, les chercheurs ont utilisé une membrane ne pesant qu'un dixième de gramme, dont sept pour cent en poids étaient constitués de fibres protéiques. "Un kilo de whey protéine suffirait à purifier 90'000 litres d'eau, plus que la quantité d'eau nécessaire dans une vie humaine, " dit le professeur de l'ETH. Cela implique également que l'efficacité peut être encore augmentée aux exigences souhaitables, en augmentant simplement la teneur en protéines de la membrane, il ajoute, soulignant la souplesse de cette nouvelle approche.

Potentiel prometteur

Mezzenga est convaincu que sa technologie trouvera son chemin sur le marché. « Il existe de nombreuses applications pour cela, et l'eau est l'un des problèmes les plus urgents auxquels nous sommes confrontés aujourd'hui, " dit-il à la lumière du torrent de boue connu au Brésil. Le professeur de l'ETH a breveté sa technologie et a été nominé en mars de cette année pour le Spark Award de l'ETH Zurich. Cependant, parce que la publication scientifique a dû subir un processus de révision de neuf mois, ce n'est que maintenant que Bolisetty et Mezzenga peuvent rendre publique leur découverte.