Traitement de l’eau : des capsules recyclables utilisant les nanotubes de carbone

 

26 mai 2017

 

De nombreux nanomatériaux sont à divers stades de la recherche et développement, chacun possédant des fonctionnalités uniques qui sont potentiellement applicables à l’assainissement des eaux usées industrielles, des eaux souterraines, des eaux de surface et de l’eau potable. L’objectif principal pour la plupart de ces recherches est de développer, à faible coût, des matériaux écologiques pour l’élimination des métaux lourds dans l’eau.

L’eau potable ou souterraine peut être contaminée par des ions de métaux lourds tels que le plomb, le chrome, et l’arsenic rejetés par les eaux usées industrielles. Ces ions de métaux lourds sont considérés comme des polluants hautement toxiques car ils peuvent causer un large éventail de problèmes de santé en cas d’accumulation à long terme dans l’organisme.

 

Parmi les différents agents de décontamination disponibles, les oxydes métalliques hiérarchiquement structurés ont été largement utilisés et leur capacité de suppression a été jugée relativement fiable. Pour ce type d’agent de décontamination, le mécanisme d’élimination des ions de métaux lourds est supposément la formation d’un lien fort entre les ions métalliques et la surface des oxydes métalliques.

Cette formation de liens forts est avantageuse pour l’élimination complète des ions de métaux lourds mais elle présente un inconvénient si l’on veut concevoir un agent réutilisable par réactivation du site de la réaction des ions de métaux lourds.

Précisément parce que le mécanisme d’élimination est basée sur la formation de liens solides entre l’ion métallique et la surface de l’oxyde, le recyclage de ces agents de décontamination s’est avéré difficile.

La régénération de la surface active suite à une réaction de liaison d’ions métalliques demeure un grand défi. Si l’on pouvait construire un agent recyclable pour l’élimination des ions de métaux lourds, cela pourrait réduire sensiblement le coût pour la purification de l’eau tout en produisant une façon écologique d’utiliser ces agents de décontamination.

Des chercheurs sud-coréens ont testé un prototype d’agent de décontamination recyclable pour les ions de métaux lourds. Ce prototype est composé d’un élément actif à base de nanotubes de carbone enveloppé dans une micro-capsule d’oxyde de fer (hématite).

 

Comme l’explique San Won Choi, professeur à l’Institut coréen de sciences fondamentales (KBSI), ce type de capsule pourrait être un candidat prometteur pour le retrait des ions de métaux lourds :

  • le coeur de la structure présente un grande surface de réaction où les groupes fonctionnels peuvent réagir avec des ions de métaux lourds;
  • la micro-capsule en forme de coquille peut fournir une grande résistance mécanique contre l’usure et facilite son transport.

 

“Un avantage supplémentaire de cette structure cœur-capsule est que l’agrégation des cœurs suite à la réaction peut être évitée par la présence des capsules,” dit Choi. “Les nanotubes de carbone à l’intérieur des capsules peuvent être transformés d’un configuration en conglomérat suite à la réaction, vers un ensemble de nanotubes individuels par traitement thermique et sonication.

Les ions métalliques adsorbés sur les cœurs de nanotubes de carbone pourraient être réversiblement désorbés lors de l’exposition à un pH faible. Cela permettrait donc la réutilisation de ces capsules.

Puisque la micro-capsule d’hématite peut offrir une protection contre l’agrégation massive de chacun des cœurs de nanotubes de carbone lors de la formation des liens avec les ions, cette structure devient un excellent candidat pour l’élimination des ions de métaux lourds.”

 

 

 

Ce prototype, rapporté dans Advanced Functional Materials, ouvre une voie prometteuse pour la préparation d’un agent de décontamination réutilisable et respectueux de l’environnement. Pour fabriquer leurs structure cœur-capsule, Choi et son équipe ont formé des agrégats de nanotubes de carbone sphériques individuellement encapsulés à l’intérieur d’une capsule d’hématite.

Par des cycles répétitifs de sonication et de traitement thermique, les cœurs encapsulés ont présentés un désassemblage et assemblage réversible à l’intérieur des capsules.

“Les nanotubes de carbone à l’intérieur des capsules permettent aux ions de plomb ou de chrome d’être adsorbés facilement. L’exposition à un faible pH conduit à la désorption des ions de métaux lourds”, explique Choi.

“Nous avons maintenant démontré l’application de ce type de micro-capsule comme agent de retrait pour les ions de métaux lourds. Cependant, ce genre de structure pourrait également être utilisé pour de nombreuses applications potentielles, y compris des capteurs chimiques, de micro-réacteurs, des catalyseurs et le transport de médicaments. ”