De nouvelles connaissances sur les propriétés de décontamination de l’eau de la magnétite
Les Nations unies ont reconnu que l’accès à l’eau potable est un droit de l’homme en 2010, et l’objectif six des Objectifs de développement durable est de «garantir l’accès de tous à des services d’alimentation en eau et d’assainissement». Les résultats de REPONANO sur le plan de l’assainissement de l’eau contribuent à garantir que ces défis seront relevés avec succès. L’équipe en charge du projet REPONANO a testé une nouvelle méthode de décontamination de l’eau utilisant de la magnétite, un minéral d’oxyde de fer. «Dans le cadre de REPONANO, en plus d’améliorer globalement les processus d’assainissement à base de magnétite, nous voulions aussi les miniaturiser. Nous avons donc développé une configuration microfluidique, en tirant parti de nouvelles avancées dans le domaine de la spectroscopie afin de visualiser la manière dont les agrégats polymère-nanomagnétite éliminent les agents contaminants», explique Evgenia-Maria Papaslioti, chercheuse dans le cadre de ce projet financé par les Actions Marie Skłodowska-Curie. La magnétite est capable de décontaminer l’eau potable et les eaux usées de trois manières. Elle permet tout d’abord d’y parvenir en modifiant la composition de l’eau: la magnétite provoque une dissipation des particules toxiques, les faisant se précipiter au fond de l’eau pour y être extraites. Les particules de nanomagnétite peuvent également être utilisées dans les microfiltres afin d’empêcher le passage des polluants. Enfin, fortes de ses propriétés de liaison à l’oxygène, la magnétite peut former ce que l’on appelle des agrégats d’(hydr)oxydes de fer qui se lient aux particules contaminantes, les éliminant ainsi de l’eau. Cette méthode a généralement été étudiée dans des systèmes en traitement discontinu ou à renouvellement continu à grande échelle qui présentent un grand potentiel en termes d’élimination des métaux lourds toxiques tels que le sélénium, le plomb et l’arsenic.
Des épreuves par lots à grande échelle
REPONANO a mené des expériences par lots à grande échelle pour déterminer l’efficacité de la magnétite à immobiliser des éléments toxiques tels que l’arsenic, l’antimoine et l’uranium dans des eaux usées très acides et riches en phosphates. Contribuant à la promotion des processus écologiques, la magnétite utilisée a été recyclée à partir des déchets de l’industrie sidérurgique, par le biais d’un processus breveté par HYMAG’IN. «Notre technique innovante en trois étapes a démontré pour la première fois qu’il est possible d’utiliser du fer zérovalent pour réduire l’acidité. Nous avons ensuite éliminé le phosphate en l’utilisant pour former la “vivianite” (un minéral) avant d’ajouter la magnétite pour immobiliser les agents contaminants», ajoute Evgenia-Maria Papaslioti.
Des tests microfluidiques
Étant donné que l’hydrodynamique est mieux étudiée à l’échelle microscopique, l’équipe a collaboré avec l’Institut de physique de Rennes pour mettre au point un dispositif polymère microfluidique destiné à étudier la décontamination de l’eau par de minuscules particules de magnétite (nanomagnétite). Celles-ci étant déjà considérées comme des agents de décontamination efficaces, l’équipe entendait découvrir si les revêtements polymères pouvaient accroître leur capacité de décontamination. Elle a donc créé des agrégats de forme cylindrique composés d’un hydrogel (polyéthylène glycol) mélangé à des nanoparticules de magnétite revêtues de chitosane. «La nanomagnétite est déjà utilisée comme matériau filtrant par certaines centrales de traitement des eaux usées. Cependant, en raison de sa taille minuscule, elle a tendance à passer à travers les filtres ou à les obturer», explique Laurent Charlet, coordinateur du projet. «Nos matériaux hybrides permettent d’augmenter leur taille et de modifier leur forme afin de remédier à ce problème, ce qui facilite également leur filtrage.» Des expériences de renouvellement continu ont été menées afin de tester l’efficacité de ces agrégats de polymère-nanomagnétite à immobiliser l’antimoine. La spectrométrie d’absorption des rayons X et la micro-fluorescence des rayons X ont été utilisées pour la première fois dans ce type de systèmes pour cartographier la distribution de l’antimoine et la quantité sorbée dans les agrégats, ainsi que déterminer son nombre d’oxydation (qui favorise l’immobilisation de l’antimoine et son élimination de l’eau). Un modèle informatique 3D a ensuite été élaboré pour simuler et valider les mécanismes de diffusion et de distribution de l’antimoine pendant ces expériences. L’identification des zones spécifiques où l’antimoine réagit avec la nanomagnétite permet de mieux appréhender la forme et la composition optimales des agrégats. «Cette approche est pleine de promesses, non seulement pour mettre au point des moyens plus efficaces d’observer les systèmes naturels, mais aussi pour développer de nouveaux traitements de l’eau fondés sur des dispositifs microscopiques, comme la microfluidique», explique Evgenia-Maria Papaslioti. L’équipe a l’intention de mener de nouvelles expériences de sorption avec un éventail plus large d’agents contaminants et de conditions, en faisant varier les concentrations de polluants/nanomagnétite, le pH, les débits et en expérimentant différentes compositions et formes d’agrégats.
Mots‑clés
REPONANO, agrégat, magnétite, eau, assainissement, contaminant, engrais, microfluidique, microfiltres, antimoine, sorber
