Rejetés en grandes quantités par les fabricants de textiles, de cosmétiques, d’encres, de papier et autres, les colorants sont très toxiques et peuvent entraîner des substances cancérigènes potentielles dans les eaux usées. Il s’agit d’une préoccupation majeure pour le traitement des eaux usées, mais les chercheurs de la faculté d’ingénierie de l’université Drexel ont peut-être trouvé une solution en utilisant un minuscule nanofilament.
Une étude menée par Michel Barsoum, Ph.D., professeur distingué au Collège d’ingénierie, et son équipe, comprenant des chercheurs du Collège des arts et des sciences de Drexel, ont découvert qu’un matériau photocatalyseur unidimensionnel à base d’oxyde de titane structuré en lépidocrocite a la capacité pour décomposer deux polluants colorants courants – la rhodamine 6G et le cristal violet – sous le spectre de la lumière visible.
Le matériau a également réduit ces concentrations de colorant dans l’eau de 90 % et 64 %, respectivement, en seulement 30 minutes, lorsque le rapport massique du catalyseur de départ sur le colorant était de 1 pour 1.
« Il s’agit d’une découverte passionnante car elle permet de résoudre un problème qui constitue un véritable défi pour le processus de traitement de l’eau », a déclaré Barsoum. « Nous prévoyons que l’intégration de notre photocatalyseur à l’oxyde de titane dans les processus actuels pourrait améliorer son efficacité dans l’élimination de ces produits chimiques, ainsi que réduire la quantité d’énergie nécessaire pour ce faire. »
Le processus commence par l’adsorption, où le colorant adhère à la surface du nanofilament et, une fois éclairé, subit une photocatalyse. Le colorant sensibilise les nanofilaments à la lumière visible. Ce processus accélère la dégradation, permettant au colorant de se décomposer en sous-produits inoffensifs tels que le dioxyde de carbone et l’eau.
L’étude, récemment publiée dans la revue Matièrea découvert que la clé du processus de dégradation du colorant et d’autosensibilisation était la capacité du matériau à générer des trous électroniques et ce qu’on appelle des « ROS » : hydroxyle, superoxyde et oxygène singulet, des radicaux, ainsi que des « trous » électroniques.
Les deux colorants cibles sont généralement des effluents entraînés par des colorants dans les eaux usées. Les effluents, qui signifient littéralement quelque chose qui s’écoule, sont différents des eaux usées trouvées dans les eaux usées. Les déchets solides peuvent être filtrés et éliminés avant que l’eau ne soit purifiée. Les effluents sont en suspension dans l’eau, ce qui rend difficile leur séparation et leur élimination.
La rhodamine 6G est un colorant dérivé du xanthène principalement utilisé dans la transformation du bois, la teinture du papier, l’encre pour stylos et les cosmétiques. Le violet cristal, un colorant triphénylméthane, est utilisé pour teindre l’encre et les textiles. Ces colorants sont solubles dans l’eau et tout excès est rejeté sous forme d’effluent.
Les eaux usées constituent une préoccupation environnementale majeure à l’échelle mondiale et leur existence a des impacts à long terme sur la santé des humains, des plantes aquatiques et des animaux. Les ménages et l’industrie génèrent chaque année près de 380 milliards de tonnes cubes d’eaux usées dans le monde. Seuls 24 % de ces déchets sont traités de manière adéquate en raison des défis liés au traitement, notamment la consommation d’énergie élevée, l’existence de produits chimiques résiduels, le personnel des centres de traitement et le traitement insuffisant des contaminants complexes et persistants, notamment les colorants.
Les méthodes de traitement des eaux usées les plus courantes, telles que la sédimentation, l’oxydation biologique et le traitement physico-chimique, sont inefficaces pour éliminer les colorants, selon les chercheurs, en raison de la structure moléculaire complexe des colorants et de leur nature soluble dans l’eau.
L’adsorption avec des matériaux argileux, du charbon actif, de l’oxyde de fer et des matériaux naturels tels que le marc de café a également été utilisée auparavant et présente une absorption élevée de colorants cationiques, échangeant des ions ou formant des liaisons. Cependant, ces matériaux permettent simplement de séparer le colorant de l’eau : le colorant existe toujours et est simplement fixé aux matériaux adsorbants présents dans les eaux usées.
Les photocatalyseurs, longtemps considérés comme la clé pour éliminer les colorants de l’eau, n’ont jusqu’à présent pas produit de solution durable. Selon Barsoum, de nombreux photocatalyseurs nécessitent généralement un traitement à la lumière UV, qui consomme beaucoup d’énergie. L’impact du nouveau nanofilament réside dans son comportement d’autosensibilisation, qui le rend plus sensible à la lumière visible.
« L’utilisation de la lumière visible – la lumière que l’œil humain peut voir – comme le soleil ou d’autres sources de lumière simulées, pourrait réduire considérablement les coûts financiers et de consommation d’énergie associés au traitement, tout en restant très efficace pour éliminer les colorants des eaux usées, éliminant ainsi les substances toxiques. effluents », a déclaré Adam Walter, doctorant dans le groupe de recherche de Barsoum et premier auteur de l’article au Département de science et d’ingénierie des matériaux.
« Cela présente également une opportunité passionnante d’expansion dans d’autres domaines tels que les cellules solaires ou les dispositifs optiques. »
Le résultat : une eau plus propre sans utilisation de toxines supplémentaires ni d’énergie supplémentaire.
Pour réaliser l’étude, l’équipe a utilisé la diffraction des rayons X pour caractériser la disposition des atomes dans le nanomatériau. Ils ont ensuite caractérisé le nanomatériau par microscopie électronique à balayage et à transmission, qui envoie des faisceaux d’électrons sur le matériau pour former une image.
Pour surveiller la décoloration du colorant, l’équipe a surveillé l’échantillon à l’aide de la spectroscopie ultraviolette-visible et a quantifié la minéralisation par la demande chimique en oxygène. L’étude détaille les propriétés structurelles et optiques des nanofilaments, ainsi que les promesses du matériau pour le traitement des eaux usées en raison de son efficacité d’adsorption des deux colorants testés dans l’étude.
L’une des découvertes les plus importantes de l’étude a été la preuve solide que le nanofilament est sensibilisé par le colorant, ce qui représente une relation symbiotique entre l’additif et l’effluent qui a abouti à une eau plus propre et moins toxique. Une façon d’envisager cela, a déclaré Walter, est que le colorant catalyse sa propre destruction.
En outre, bien que cette étude ait prouvé que le nanofilament pouvait être exploité pour améliorer la capacité de traitement de l’eau, elle constitue également la première preuve que les matériaux peuvent être sensibilisés, ouvrant ainsi la porte à d’autres applications dans les cellules solaires et les dispositifs optiques. Plus tôt cette année, le même nanofilament a été étudié par l’équipe et s’est avéré exploiter la lumière du soleil pour la séparation de l’hydrogènece qui pourrait libérer son potentiel dans la production de carburants verts.
« Nous commençons tout juste à découvrir les possibilités de ce matériau », a déclaré Barsoum. « À mesure que nous comprenons mieux les processus qui permettent son comportement, nous prévoyons d’explorer de nouvelles applications où cela pourrait améliorer les performances de la technologie dont le monde a besoin pour évoluer vers un avenir plus durable. »
Plus d’information:
Adsorption et auto-sensibilisation, lumière visible, photodégradation de la rhodamine 6G et du cristal violet par l’oxyde de titane lépidocrocite unidimensionnel, Matière (2023). DOI : 10.1016/j.matt.2023.09.008. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00465-4