La membrane simplifie le dessalement et élimine les métaux toxiques
Les chimistes de l’Université de Californie à Berkeley ont découvert un moyen de simplifier l’élimination des métaux toxiques. comme le mercure et le bore. pendant le dessalement pour produire de l’eau propre, tout en capturant potentiellement des métaux précieux, tels que l’or.
Le dessalement – l’élimination du sel – n’est qu’une étape dans le processus de production d’eau potable, ou d’eau pour l’agriculture ou l’industrie, à partir de l’océan ou des eaux usées. Que ce soit avant ou après l’élimination du sel, l’eau doit souvent être traitée pour éliminer le bore, qui est toxique pour les plantes, et les métaux lourds comme l’arsenic et le mercure, qui sont toxiques pour l’homme. Souvent, le processus laisse derrière lui une saumure toxique qui peut être difficile à éliminer.
La nouvelle technique, qui peut facilement être ajoutée aux processus actuels de dessalement par électrodialyse à membrane, élimine près de 100% de ces métaux toxiques, produisant une saumure pure avec de l’eau pure et isolant les métaux précieux pour une utilisation ultérieure ou une élimination.
« Les usines de dessalement ou de traitement de l’eau nécessitent généralement une longue série de systèmes de pré et post-traitement coûteux que toute l’eau doit traverser, un par un », a déclaré Adam Uliana, un étudiant diplômé de l’UC Berkeley qui est le premier auteur d’un article décrivant la technologie. « Mais ici, nous avons la possibilité de réaliser plusieurs de ces étapes en une seule, ce qui est un processus plus efficace. Fondamentalement, vous pouvez l’implémenter dans des configurations existantes. »
Les chimistes de l’UC Berkeley ont synthétisé des membranes polymères flexibles, comme celles actuellement utilisées dans les processus de séparation membranaire, mais des nanoparticules intégrées qui peuvent être réglées pour absorber des ions métalliques spécifiques – des ions or ou uranium, par exemple. La membrane peut incorporer un seul type de nanoparticule accordée, si le métal doit être récupéré, ou plusieurs types différents, chacun étant réglé pour absorber un métal ou un composé ionique différent, si plusieurs contaminants doivent être éliminés en une seule étape.
La membrane polymère contenant des nanoparticules est très stable dans l’eau et à haute température, ce qui n’est pas le cas de nombreux autres types d’absorbeurs, y compris la plupart des armatures organométalliques (MOF), lorsqu’elles sont intégrées dans des membranes.
Les chercheurs espèrent être en mesure d’ajuster les nanoparticules pour éliminer d’autres types de produits chimiques toxiques, y compris un contaminant commun des eaux souterraines: les PFAS, ou substances polyfluoroalkyles, que l’on trouve dans les plastiques. Le nouveau processus, qu’ils appellent électrodialyse par capture d’ions, pourrait également éliminer les isotopes radioactifs des effluents des centrales nucléaires.
Dans leur étude, qui sera publiée cette semaine dans la revue Science, Uliana et l’auteur principal Jeffrey Long, professeur de chimie à l’UC Berkeley, démontrent que les membranes polymères sont très efficaces lorsqu’elles sont incorporées dans des systèmes d’électrodialyse à membrane – où une tension électrique entraîne ions à travers la membrane pour éliminer le sel et les métaux – et dialyse par diffusion, qui est principalement utilisée dans le traitement chimique.
« L’électrodialyse est une méthode connue pour faire du dessalement, et ici nous le faisons d’une manière qui incorpore ces nouvelles particules dans le matériau de la membrane et capture les ions toxiques ciblés ou les solutés neutres, comme le bore », a déclaré Long. « Ainsi, pendant que vous conduisez des ions à travers cette membrane, vous décontaminez également l’eau pour, par exemple, le mercure. Mais ces membranes peuvent aussi être très sélectives pour éliminer d’autres métaux, comme le cuivre et le fer, à haute capacité. »
Les pénuries mondiales d’eau nécessitent la réutilisation des eaux usées
Les pénuries d’eau deviennent monnaie courante dans le monde, y compris en Californie et dans l’Ouest américain, exacerbées par le changement climatique et la croissance démographique. Les communautés côtières installent de plus en plus d’usines pour dessaler l’eau de mer, mais les communautés de l’intérieur recherchent également des moyens de transformer les sources contaminées – eaux souterraines, ruissellement agricole et déchets industriels – en eau propre et salubre pour les cultures, les maisons et les usines.
Alors que l’osmose inverse et l’électrodialyse fonctionnent bien pour éliminer le sel des sources d’eau à haute salinité, telles que l’eau de mer, la saumure concentrée laissée peut contenir des niveaux élevés de métaux, notamment le cadmium, le chrome, le mercure, le plomb, le cuivre, le zinc, l’or et l’uranium.
Mais l’océan est de plus en plus pollué par l’industrie et le ruissellement agricole, et les sources intérieures encore plus.
« Cela serait particulièrement utile pour les zones qui ont de faibles niveaux de contaminants qui sont encore toxiques à ces faibles niveaux, ainsi que pour différents sites d’eaux usées qui ont beaucoup de types d’ions toxiques dans leurs cours d’eau », a déclaré Long.
La plupart des processus de dessalement éliminent le sel – qui existe en grande partie sous forme d’ions sodium et chlore dans l’eau – à l’aide d’une membrane d’osmose inverse, qui laisse passer l’eau, mais pas les ions, ou un polymère échangeur d’ions, qui laisse passer les ions, mais pas l’eau. La nouvelle technologie ajoute simplement des nanoparticules poreuses, chacune d’environ 200 nanomètres de diamètre, qui capturent des ions spécifiques tout en laissant passer le sodium, le chlore et d’autres molécules chargées non ciblées.
Long conçoit et étudie des matériaux poreux qui peuvent être décorés avec des molécules uniques qui captent les composés ciblés des flux liquides ou gazeux: le dioxyde de carbone provenant des émissions des centrales électriques, par exemple. Les nanoparticules utilisées dans ces membranes polymères sont appelées cadres aromatiques poreux, ou PAF, qui sont des réseaux tridimensionnels d’atomes de carbone liés par des composés constitués de multiples molécules en forme d’anneau – des groupes chimiques appelés composés aromatiques. La structure interne est liée à celle d’un diamant, mais avec le lien entre les atomes de carbone allongé par le lieur aromatique pour créer beaucoup d’espace interne. Diverses molécules peuvent être attachées aux lieurs aromatiques pour capturer des produits chimiques spécifiques.
Pour capturer le mercure, par exemple, des composés soufrés appelés thiols, connus pour se lier étroitement au mercure, sont fixés. Des groupes de soufre méthylé ajoutés permettent la capture du cuivre et des groupes contenant de l’oxygène et du fer de capture du soufre. Les nanoparticules altérées représentent environ 20% du poids de la membrane, mais, du fait qu’elles sont très poreuses, représentent environ 45% du volume.
Les calculs suggèrent qu’un kilogramme de la membrane polymère pourrait dépouiller essentiellement tout le mercure de 35 000 litres d’eau contenant 5 parties par million (ppm) du métal, avant d’exiger la régénération de la membrane.
Uliana a montré dans ses expériences que l’acide borique, un composé de bore toxique pour les cultures, peut être éliminé par ces membranes, mais avec une dialyse par diffusion qui repose sur un gradient de concentration pour entraîner le produit chimique – qui n’est pas ionique, comme les métaux – – à travers la membrane à capturer par les nanoparticules de PAF.
« Nous avons essayé différents types d’eau à haute salinité – par exemple, les eaux souterraines, les eaux usées industrielles et également les eaux saumâtres – et la méthode fonctionne pour chacun d’eux », a-t-il déclaré. « Il semble être polyvalent pour différentes sources d’eau; c’était l’un des principes de conception que nous voulions y mettre. »
Uliana a également démontré que les membranes peuvent être réutilisées plusieurs fois – au moins 10, mais probablement plus – sans perdre leur capacité à absorber les métaux ioniques. Et les membranes contenant des PAF réglés pour absorber les métaux libèrent facilement leurs métaux absorbés pour la capture et la réutilisation.
« C’est une technologie où, en fonction de vos impuretés toxiques, vous pouvez personnaliser la membrane pour faire face à ce type d’eau », a ajouté Long. « Vous pouvez avoir des problèmes avec le plomb, disons, au Michigan, ou le fer et l’arsenic au Bangladesh. Ainsi, vous ciblez les membranes pour des sources d’eau contaminées spécifiques. Ces matériaux la font vraiment tomber à des niveaux souvent incommensurables. »
Référence: Uliana AA, Bui NT, Kamcev J et coll. Electrodialyse par capture d’ions à l’aide de membranes adsorbantes multifonctionnelles. La science. 2021; 372 (6539): 296-299. doi: 10.1126 / science.abf5991
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