Caractérisation et analyse de la filtration EM à flux continu pour la réduction des nitrates. Crédit : Eau naturelle (2024). DOI : 10.1038/s44221-024-00278-7
La contamination de l’eau par les nitrates constitue depuis longtemps une menace pour l’environnement et la santé humaine. Des chercheurs de Yale ont désormais mis au point un moyen efficace et efficient de l’éliminer.
Lea Winter, professeure adjointe de génie chimique et environnemental, propose l’utilisation de membranes électrifiées fabriquées à partir de nanotubes de carbone comme stratégie pour l’élimination des nitrates dans l’eau potable. Les résultats sont publiés dans Eau naturelle.
Comme le souligne Winter, il existe généralement deux façons d’éliminer les nitrates de l’eau : en les séparant et en les détruisant.
« Si vous ne faites que séparer les nitrates, vous vous retrouvez avec un flux de déchets concentré qui retourne inévitablement dans l’environnement et dans l’eau potable », a-t-elle déclaré. « Il est donc préférable de pouvoir les détruire. »
Les techniques classiques de destruction impliquent la dénitrification biologique, généralement utilisée dans les stations d’épuration des eaux usées. Le problème, cependant, est que les processus sont sensibles et qu’un léger changement dans des paramètres tels que l’équilibre du pH, la teneur en cellules ou la température peut entraîner l’échec de l’ensemble du processus. Et comme la destruction des nitrates dépend des microbes, le processus peut être assez lent.
Pour contourner ces obstacles, les scientifiques ont développé des procédés électrocatalytiques. « C’est beaucoup plus rapide et cela permet également de détruire les nitrates, ce qui évite de se retrouver avec un flux de déchets concentré. »
Winter souligne cependant que si ces technologies permettent un meilleur contrôle du processus, elles présentent également des inconvénients. Les procédés électrochimiques classiques impliquent l’utilisation d’électrodes plates bidimensionnelles.
« Vous ne pouvez tout simplement pas faire passer le nitrate de votre solution à vos électrodes assez rapidement pour pouvoir faire réagir efficacement le nitrate à la surface de cette électrode », a-t-elle déclaré.
Le laboratoire de Winter a contourné ce problème en utilisant des membranes électrifiées, constituées de nanotubes de carbone et d’un polymère qui les maintient ensemble.
Crédit : Université Yale
« Dans ces systèmes, nous circulent à travers l’électrode, mais l’essentiel ici n’est pas seulement que nous avons des pores et que nous circulons à travers eux, mais que la taille de ces pores soit vraiment petite. »
Dans les systèmes bidimensionnels classiques, la couche de fluide la plus proche de la surface de l’électrode, appelée « couche limite », mesure environ 100 micromètres. Cette couche limite relativement grande peut limiter la réaction car le débit du fluide, et donc le transport du nitrate à travers cette couche, est beaucoup plus lent que la vitesse de réaction elle-même.
Les membranes développées dans le laboratoire de Winter présentent des pores d’une taille d’environ 50 nanomètres, soit environ 2 000 fois plus petits. Cela signifie que le nitrate doit parcourir un espace « lent » beaucoup plus petit avant d’atteindre la surface de l’électrode et de subir une réaction.
« Dans cette configuration, nous sommes capables de surmonter ces limitations de diffusion et nous commençons à voir des propriétés assez intéressantes. »
Contrairement à la plupart des systèmes électrochimiques, qui nécessitent des métaux pour atteindre une conversion suffisante des nitrates, les membranes de Winter ne contiennent aucun métal. Parce qu’elles surmontent les limitations de diffusion, les membranes, utilisant des nanotubes de carbone comme catalyseurs, peuvent atteindre une conversion des nitrates comparable à celle des catalyseurs métalliques.
Une grande différence entre cette technique et les procédés électrochimiques conventionnels est qu’elle réduit considérablement le temps nécessaire à la destruction du nitrate.
« Si l’on considère les processus électrochimiques classiques, il faut généralement plusieurs heures pour éliminer 80 ou 90 % de ces nitrates », a-t-elle déclaré. « Il faut laisser réagir longtemps, car il faut beaucoup de temps pour que tout ce nitrate atteigne les surfaces. Dans nos systèmes, nous obtenons une conversion similaire d’environ 80 % en 15 secondes grâce à notre réacteur. Nous passons de quelques heures à 15 secondes. »
Pour tester la technologie dans une application réelle, l’équipe de recherche de Winter a échantillonné de l’eau du lac Wintergreen, près du campus de Yale, et a ajouté une petite quantité de nitrate.
« Il est en fait beaucoup plus facile de convertir des concentrations plus élevées, c’est pourquoi nous voulions spécifiquement voir si cela pouvait fonctionner sur des concentrations plus faibles qui sont représentatives de ce que l’on voit dans les eaux contaminées réelles », a-t-elle déclaré. « Nous avons pris cette concentration, puis nous avons pu éliminer le nitrate jusqu’à ce qu’il atteigne un niveau inférieur à la norme de l’EPA pour l’eau potable. »
Plus d’information:
Yingzheng Fan et al., Réduction hautement efficace des nitrates sans métal rendue possible par filtration membranaire électrifiée, Eau naturelle (2024). DOI : 10.1038/s44221-024-00278-7
Fourni par l’Université Yale
Citation:Les membranes électrifiées avec des nanotubes de carbone offrent une élimination plus rapide des nitrates dans l’eau potable (2024, 19 juillet) récupéré le 19 juillet 2024 à partir de
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