Les effets néfastes de l’excès de nitrate dans l’eau sur la productivité et la vie humaines ont reçu une attention croissante en raison du rejet d’eaux usées industrielles et de la surutilisation d’engrais pour les terres agricoles. Une équipe internationale de chercheurs a mené une étude approfondie sur le besoin et le défi importants d’une élimination efficace des nitrates.
Plusieurs techniques ont été utilisées pour éliminer les nitrates de l’eau, telles que la dénitrification biologique qui est technologiquement mature, rentable et largement utilisée. Cependant, les processus biologiques sont souvent lents et facilement affectés par des conditions environnementales variables, telles que la température et la disponibilité des réserves de carbone. Les chercheurs ont suggéré que la technologie électrocatalytique est une méthode prometteuse pour l’élimination des nitrates car aucun produit chimique n’est nécessaire, aucune boue n’est produite et la mise en œuvre de la méthodologie est pratique.
La plupart des électrodes actuellement utilisées pour la réduction électrocatalytique des nitrates sont des cathodes à plaques classiques mises en œuvre dans des réacteurs à plaques parallèles où le transfert de masse est fortement limité. Par conséquent, le taux de réduction électrocatalytique global des nitrates diminue. De nouvelles membranes électrochimiques réactives (REM) pour la réduction des nitrates avaient déjà été signalées, mais les procédés de synthèse de ces matériaux proposés sont compliqués et le coût élevé de la préparation a entravé l’application pratique des REM.
Pour surmonter ces obstacles, des chercheurs de l’Université Minzu de Chine et de l’Université de Wuhan ont préparé une membrane de nanotubes de carbone modifiés au Pd-Cu qui a été fabriquée avec une méthode d’électrodéposition et utilisée pour réduire le nitrate dans un réacteur électrochimique à circulation.
Leur étude révèle que la membrane obtenue avec un rapport Pd : Cu de 1:1 présentait une efficacité d’élimination des nitrates et une sélectivité en N2 relativement élevées. Cette étude intitulée « Electrocatalytic reduction of nitrate using Pd-Cu modified carbon nanotube membranes » est publiée en ligne dans Frontières des sciences et de l’ingénierie de l’environnement.
Dans cette étude, l’équipe de recherche a fabriqué une nouvelle cathode à membrane de nanotubes de carbone modifié Pd-Cu sur un substrat de fluorure de polyvinylidène (PVDF) pour surmonter le problème de transfert de masse lors de la réduction des nitrates.
Initialement, pour déterminer le potentiel optimal de réduction électrocatalytique des nitrates en mode continu, la réduction des nitrates a été réalisée avec des membranes CNT modifiées Pd-Cu avec différents potentiels allant de -2,0 à -0,4 V. L’équipe a noté que le potentiel et la durée optimaux pour la codéposition de Pd et Cu était de -0, 7 V et 5 min, respectivement, selon les résultats de voltamétrie à balayage linéaire pour les membranes CNT dans différentes solutions.
La deuxième question que l’équipe a examinée était l’effet du rapport molaire Pd-Cu et du potentiel d’électrode sur l’élimination des nitrates. L’équipe a noté que la membrane obtenue avec un rapport Pd : Cu de 1:1 présentait une efficacité d’élimination des nitrates et une sélectivité en N2 relativement élevées.
Le nitrate était presque complètement réduit (~ 99%) par la membrane à des potentiels inférieurs à -1, 2 V. Cependant, -0, 8 V était le potentiel optimal de réduction du nitrate en termes d’efficacité d’élimination du nitrate et de sélectivité du produit. L’efficacité d’élimination des nitrates était de 56,2 % et la sélectivité en N2 était de 23,8 % pour la membrane Pd : Cu = 1:1 fonctionnant à -0,8 V.
La troisième question sur laquelle l’équipe s’est penchée était l’effet des conditions de la solution. Ils ont noté que l’élimination des nitrates était améliorée dans des conditions acides, tandis que la sélectivité en N2 était diminuée. Les concentrations d’ions Cl− et d’oxygène dissous ont montré peu d’effet sur la réduction des nitrates.
De plus, pour illustrer l’effet de l’opération d’écoulement continu sur le transfert de masse, l’équipe a évalué l’effet du flux membranaire sur la réduction des nitrates et a calculé les constantes de vitesse de transfert de masse à différents flux membranaires.
Ils notent que la constante de vitesse de transfert de masse a été grandement améliorée de 6,6 fois, passant de 1,14 × 10−3 m/h à un flux membranaire de 1 L/(m2·h) à 8,71 × 10−3 m/h à un flux membranaire de 15 L/(m2·h), ce qui a entraîné une augmentation significative du taux d’élimination des nitrates de 13,6 à 133,5 mg/(m2·h).
Des membranes CNT modifiées au Pd-Cu ont été préparées avec succès via la méthode d’électrodéposition, et un système électrocatalytique à flux continu a été construit pour réduire le nitrate dans cette étude. Cette technologie a de larges perspectives d’application pour une réduction efficace des nitrates et mérite d’être modifiée davantage dans la pratique.
Plus d’information:
Zhijun Liu et al, Réduction électrocatalytique du nitrate à l’aide de membranes de nanotubes de carbone modifiés Pd-Cu, Frontières des sciences et de l’ingénierie de l’environnement (2022). DOI : 10.1007/s11783-023-1640-1
Fourni par la presse de l’enseignement supérieur