Filtre à métaux lourds hautement efficace
Les chercheurs de l'ETH développent un nouveau système de filtration de l'eau qui surpasse les systèmes existants à bien des égards : il élimine très efficacement différents ions de métaux lourds toxiques et substances radioactives de l'eau et peut en outre être utilisé pour récupérer de l'or.
En novembre 2015, le Brésil a connu un désastre environnemental sans précédent. Deux barrages d'une mine de fer ont cédé, un bouillon toxique contenant des métaux lourds s'est déversé dans le Rio Doce et a atteint l'océan Atlantique après plusieurs jours. Les conséquences pour la nature et l'homme sont désastreuses : d'innombrables poissons, oiseaux et animaux domestiques sont morts, un quart de million de personnes n'ont plus d'eau potable.
Le cas le montre bien : La pollution de l'eau est l'un des grands problèmes de ce monde. Le traitement de l'eau contaminée par des métaux lourds ou des substances radioactives n'a pas trouvé de solution technique satisfaisante. Les méthodes utilisées jusqu'à présent pour éliminer les métaux lourds de l'eau présentent plusieurs inconvénients : elles sont trop spécifiques à un élément particulier ou la capacité de filtrage est trop faible. De plus, les solutions actuelles sont souvent trop chères.
Filtrer efficacement les métaux lourds
Une nouvelle membrane filtrante hybride, développée dans le laboratoire de Raffaele Mezzenga, professeur de denrées alimentaires et de matériaux souples à l'ETH Zurich, pourrait désormais y remédier. Cette technologie est non seulement très simple, mais elle se compose également de matières premières peu co?teuses comme les fibres de protéines de lactosérum et le charbon actif. Les ions de métaux lourds peuvent être presque entièrement éliminés de l'eau en un seul passage à travers la membrane filtrante.
"Ce projet pourrait être l'une des choses les plus importantes que j'ai faites jusqu'à présent dans ma vie", se réjouit le professeur de l'ETH à propos du nouveau développement de son laboratoire. Seuls lui et son collaborateur Sreenath Bolisetty ont travaillé sur ce projet. Leur publication vient de para?tre dans Nature Nanotechnology.
Petit-lait et charbon actif nécessaires
Le c?ur du système de filtration est une nouvelle membrane hybride composée de charbon actif et de fibres rigides et tenaces de protéines de petit-lait. Les deux composants sont disponibles à un prix avantageux et peuvent être fabriqués sans grand effort.
Les protéines du petit-lait sont d'abord dénaturées. Elles s'allongent ainsi ; plusieurs d'entre elles s'accumulent sous forme de fibrilles dites amylo?des. Elles sont déposées avec du charbon actif (comme celui contenu dans les comprimés de charbon médical) sur un matériau de support approprié, par exemple sur un papier filtre en cellulose. La proportion de charbon est de 98%, les protéines ne représentant que 2%.
Récupération de l'or gr?ce à une membrane filtrante
Cette membrane hybride absorbe différents métaux lourds, et ce de manière non spécifique. Il s'agit notamment d'éléments importants pour l'industrie comme le plomb, le mercure, l'or ou le palladium. Mais elle absorbe également des substances radioactives comme l'uranium ou le phosphore-32, qui sont pertinentes dans le cas de déchets radioactifs ou pour certaines thérapies contre le cancer.
De plus, la membrane élimine les cyanures métalliques hautement toxiques de l'eau. Le cyanure d'or, dont l'industrie électronique a souvent besoin pour la fabrication de circuits imprimés, fait partie de cette catégorie de substances. Gr?ce à cette membrane, le métal précieux peut être filtré et récupéré de manière simple. Le système de filtration pourrait ainsi un jour contribuer de manière importante au recyclage de l'or. "Le bénéfice réalisé avec l'or récupéré dépasse de 200 fois le co?t de la membrane hybride", souligne Mezzenga.
De nombreux sites de liaison pour les substances toxiques
Le procédé de filtration est très simple : l'eau contaminée est aspirée à travers la membrane à l'aide d'un vide. "Un vide suffisamment grand pourrait également être créé avec une simple pompe à main", explique Mezzenga, "ce qui permet de faire fonctionner le système de filtration sans électricité". En outre, le système est modulable presque à volonté, de sorte que de grandes quantités d'eau pourraient également être filtrées à moindre co?t.
Lors de l'aspiration de l'eau, les substances toxiques restent principalement "collées" aux fibres protéiniques. Ces dernières ont de nombreux points de liaison sur lesquels des ions métalliques individuels peuvent se fixer. Mais le charbon actif, avec sa grande surface, peut également absorber de grandes quantités de substances toxiques. Cela repousse la limite de saturation de la membrane vers le haut. En outre, les fibres protéiques confèrent à la membrane sa résistance mécanique et permettent, à haute température, la transformation chimique des ions capturés en précieuses nanoparticules métalliques.
Une capacité d'absorption inégalée
Mezzenga est enthousiasmé par la capacité de filtration de la membrane hybride : lors de tests avec du chlorure mercurique, par exemple, la concentration de mercure présente dans le filtrat a diminué de plus de 99,5 pour cent. La membrane hybride a absorbé encore plus efficacement un composé toxique de cyanure de potassium et d'or ou des sels de plomb : les premiers ont été liés à 99,98 pour cent dans la membrane, les seconds à 99,97 pour cent. Quant à l'uranium radioactif, la filtration a permis de fixer 99,4 pour cent de sa concentration initiale. "Nous avons obtenu ces valeurs élevées en un seul passage", souligne le co-inventeur Bolisetty.
Même sur plusieurs passages, la membrane hybride filtre les substances toxiques de manière très fiable. Certes, la concentration de mercure dans le filtrat a été multipliée par dix après dix passages, passant de 0,4 ppm à 4,2 ppm (parties par million). La quantité de protéines utilisée était toutefois extrêmement faible. Pour filtrer un total d'un demi-litre d'eau polluée, les chercheurs ont utilisé une membrane qui ne pesait qu'un dixième de gramme, dont sept pour cent en poids étaient constitués de fibres de protéines.
"Un kilo de protéines permet de purifier 90 000 litres d'eau, soit à peu près les besoins d'une personne tout au long de sa vie", explique le professeur de l'ETH. Mais cela signifie aussi que l'efficacité de la membrane filtrante peut encore être augmentée selon les besoins, en augmentant sa teneur en protéines en conséquence. "Cela montre à quel point l'approche choisie est flexible", ajoute Mezzenga.
Un potentiel prometteur
Mezzenga est persuadé que sa technologie trouvera sa place sur le marché. "Les applications sont nombreuses, et le problème de l'eau est l'un des plus urgents de notre époque", dit-il, en pensant notamment à la vague de boue au Brésil. Le professeur de l'ETH Zurich a donc fait breveter sa technologie et a été nominé en mars 2015 pour le prix Spark de l'ETH Zurich. Mais comme la publication scientifique a d? passer par un processus de révision de neuf mois, Bolisetty et Mezzenga ne peuvent présenter leur invention au public que maintenant.
Référence bibliographique
Bolisetty S, Mezzenga R. Amyloid-carbon hybrid membranes for universal water purification. Nature Nanotechnology, Advanced Online Publication Jan 25th 2016. doi : page externe10.1038/nnano.2015.310