De toxique à précieux : épurer les eaux usées, dénicher un trésor
Des chercheurs mettent au point une approche « 2 en 1 » permettant d'éliminer les métaux lourds et de récupérer des éléments de terres rares précieux présents dans l'eau
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En général, on jette un objectif d'appareil photo cassé, des écouteurs ou un vieux téléphone qui ne fonctionne plus et qui est irréparable, car ils semblent inutiles lorsqu'ils ne fonctionnent plus. Cependant, ces objets renferment des éléments de terres rares (ETR) qui trouvent des applications notamment dans les aimants, la supraconductivité, l'optique et les batteries. Lorsque ces objets se retrouvent dans l’eau, il devient difficile de récupérer les TER.
D’autre part, les activités industrielles peuvent introduire dans ces mêmes eaux des métaux toxiques tels que le plomb, le cadmium, le nickel et le manganèse. Le défi ne consiste plus simplement à éliminer ces polluants métalliques indésirables et nocifs de l’eau, mais aussi à récupérer efficacement les précieux éléments de terres rares.
Et si une seule stratégie pouvait permettre de résoudre ces deux problèmes ? Dans cette optique, des chercheurs de l’Institut indien de technologie de Gandhinagar (IITGN), de l’université de Cambridge et de l’université de Birmingham ont développé conjointement un protocole utilisant une classe de matériaux hautement poreux appelés structures métallo-organiques (MOF). Ces matériaux permettent de capturer efficacement les métaux toxiques présents dans l’eau et de récupérer les terres rares précieuses issues des flux de déchets. Publiée dans *Nature Protocols*, cette étude fournit un cadre pour la conception, la caractérisation et le déploiement des MOF dans le traitement de l’eau ainsi que dans des applications liées à l’économie circulaire, en tenant compte des conditions réelles.
Un filtre intelligent
Considérez le MOF comme un filet de pêche moléculaire. Ses innombrables pores offrent une vaste surface de capture, tandis que des sites chimiques spécialement conçus agissent comme des hameçons capables de s’accrocher à des métaux spécifiques. Les chercheurs ont ajusté ce filet de manière à ce qu’il piége préférentiellement les métaux qu’ils recherchent. C’est comme si l’on identifiait et sélectionnait spécifiquement des billes rouges et vertes dans un seau contenant des centaines de billes de différentes couleurs.
Certains MOF peuvent présenter une surface interne pouvant atteindre 7 000 mètres carrés par gramme. Pour mettre ce chiffre en perspective, un gramme peut ressembler à une minuscule pincée de poudre, mais il recèle en son sein une surface comparable à celle d’un terrain de football entier !
Cette immense surface interne rend les MOF particulièrement intéressants en tant qu’adsorbants. En termes simples, ils agissent comme des matériaux qui retiennent des substances à leur surface. Si les méthodes conventionnelles telles que la précipitation, la coagulation et la floculation peuvent s’avérer utiles pour le traitement de l’eau, elles sont généralement sensibles au pH, et leur efficacité optimale se limite à des plages étroites. De manière générale, la précipitation permet aux impuretés lourdes de se déposer, la coagulation fait agglomérer les impuretés, et la floculation provoque la collision de petits agrégats d’impuretés pour former des agrégats plus volumineux pouvant être séparés.
Ces approches nécessitent également des infrastructures importantes et génèrent de grandes quantités de boues, un déchet épais et visqueux qui doit ensuite être traité et éliminé. D’autres procédés, tels que le traitement électrochimique, entraînent des coûts économiques et environnementaux élevés.
L’adsorption offre une alternative efficace, simple à mettre en œuvre, avec une large applicabilité et une grande efficacité même à de faibles concentrations de contaminants. Comme elle repose sur le degré d’affinité des métaux cibles avec la surface spécialement conçue, elle a le potentiel d’éliminer 90 à 99 % des contaminants, à l’instar d’un filtre hautement sélectif ! Le recours à des approches basées sur l’adsorption évite également la production de contaminants secondaires et permet la régénération et la réutilisation des matériaux. Dans ce domaine, les MOF se distinguent par leur flexibilité exceptionnelle en matière de conception pour la capture et la récupération des métaux.
Au-delà du laboratoire
Dans la réalité, les effluents industriels, qui sont des déchets rejetés par les installations de fabrication, d’exploitation minière et de traitement chimique dans les cours d’eau, contiennent non pas un seul mais de nombreux métaux, ainsi que d’autres contaminants tels que des pesticides, des détergents et des polluants organiques.
Ce protocole détaille une méthodologie permettant d’utiliser les MOF comme adsorbants pour la récupération et l’élimination des métaux dans des conditions contrôlées. Il présente des essais réalisés dans des scénarios complexes reflétant la réalité. Par exemple, l’élimination et la récupération ont été évaluées à partir d’eaux usées alcalines (pH ~ 8,5), troubles et riches en impuretés solides dissoutes. La méthode a également été testée dans de l’eau de mer artificielle et sur des échantillons issus de déchets électroniques. Le protocole mis au point dans cette étude peut être appliqué à des adsorbants similaires et à d’autres contaminants.
« Pour moi, l’aspect le plus intéressant a été d’observer que le MOF utilisé dans notre protocole présentait des capacités d’adsorption substantielles », a déclaré Dhruv Menon (BTech, IITGN). Il a ajouté : « Les expériences ont montré qu’un gramme de MOF à base de cuivre pouvait capturer près d’un demi-gramme de plomb (490 mg/g), ainsi qu’environ un quart de gramme de cadmium (264 mg/g) et de manganèse (226 mg/g) chacun. Quant aux éléments des terres rares, il pouvait en capturer environ un tiers de gramme par gramme de matériau (351 mg/g de néodyme, 343 mg/g d’yttrium, 335 mg/g de dysprosium, 337 mg/g de terbium et 345 mg/g d’europium). » M. Menon est actuellement doctorant au département de génie chimique et de biotechnologie de l’université de Cambridge.
Vers la durabilité
Comme l’explique le professeur Superb Misra : « Il est nécessaire de mettre au point des approches capables de résoudre simultanément plusieurs défis environnementaux. Nous nous sommes concentrés sur l’optimisation des performances des MOF afin de les utiliser dans des applications de remédiation environnementale. Cela dit, il est essentiel de comprendre que des expériences contrôlées en série ne peuvent pas prédire entièrement les comportements dans des eaux usées complexes. Il est nécessaire de prendre en compte des facteurs tels que la fabrication à grande échelle, les analyses de coûts, l’évaluation du cycle de vie des MOF et les essais réglementaires », précise le Dr Misra, titulaire de la chaire Jibaben Patel au département de génie des matériaux de l’IITGN et chercheur principal au sein du groupe Bio Nano Materials.
Parmi les autres membres de l’équipe ayant participé à cette étude figuraient Prathmesh Bhadane (doctorat, IITGN ; chercheur postdoctoral, IIT Bombay), Priya Mahato (doctorante, IITGN), Prateek Goyal (doctorat, IITGN), le Dr Iseult Lynch (professeure à l’École de géographie, des sciences de la Terre et de l’environnement de l’université de Birmingham) et le Dr Swaroop Chakraborty (chercheur NERC à l’université de Birmingham).
Cette recherche s’inscrit dans le cadre du programme d’incitation au recyclage des minéraux critiques du gouvernement indien, qui fait partie de la Mission nationale sur les minéraux critiques, visant à développer les capacités nationales de recyclage pour séparer et produire des minéraux critiques à partir de sources secondaires, notamment les volumes croissants de déchets électroniques et de batteries usagées. L’IIT Gandhinagar est partenaire du Centre d’excellence de la Mission nationale sur les minéraux critiques, hébergé à l’IIT (ISM) de Dhanbad. Ces résultats s’inscrivent également dans le cadre de l’Initiative de sécurité technologique entre le Royaume-Uni et l’Inde, qui prévoit une collaboration en matière d’extraction et de récupération durables des minéraux critiques à partir de flux de déchets en fin de vie. Ils coïncident par ailleurs avec les objectifs de développement durable n° 6, 9 et 12 des Nations unies, axés respectivement sur l’eau propre et l’assainissement, l’industrie et l’innovation, ainsi que la consommation et la production responsables.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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