Les nanomatériaux au secours de nos eaux

Omniprésents dans notre quotidien, les nanomatériaux sont couramment utilisés pour décontaminer les eaux polluées… Comment fonctionnent-ils et quels sont les impacts environnementaux ?

De nos jours, les nanomatériaux sont omniprésents dans la vie courante : tous les secteurs de l’industrie, mais aussi de la santé et de l’alimentation, en utilisent ou envisagent d’y recourir pour répondre à des usages très divers. Les nanomatériaux, et plus globalement les nanotechnologies, offrent aussi de nouvelles solutions pour le traitement des eaux, notamment vis-à-vis de molécules et de composés que nous ne savions pas éliminer jusqu’à présent.

Ils possèdent en effet de remarquables propriétés d’adsorption, c’est-à-dire qu’ils sont capables de fixer à leur surface des atomes, des ions ou des molécules : cette propriété les rend particulièrement précieux pour débarrasser les eaux de nombreux polluants.

Décontaminer les eaux polluées grâce aux nanomatériaux

Les environnements urbains et agricoles sont de plus en plus contaminés et pollués par des cocktails de multiples molécules : pesticides, PCB[1], solvants organiques chlorés, nitrates, substances médicamenteuses, ETM (« éléments traces métalliques », anciennement nommés métaux lourds : chrome, mercure, nickel, argent, cadmium…), etc.

À terme, par infiltration, ces molécules dégradent les nappes phréatiques qui sont pourtant, hors pollution, la meilleure des ressources pour la production d’eau potable. Face à ce problème, l’injection de nanoparticules de fer en suspension (telles que le fer zérovalent) est à ce jour la seule stratégie permettant une décontamination in situ, à moindre coût et à moindre impact.

Altérer les contaminants grâce à des nanoparticules de fer

Les nanoparticules métalliques ont la propriété, via des réactions chimiques[2], d’immobiliser et d’altérer les contaminants. Ce même type de réactions entraine aussi la libération d’hydrogène (par réduction de la molécule d’eau) et ainsi l’établissement de conditions favorables pour le développement de communautés bactériennes très performantes[3]. Les enzymes de ces bactéries ont en particulier la capacité de partiellement arracher des ions à des polluants organiques[4]. Cela les fragilise et permet ainsi aux bactéries de les détruire[5] définitivement.

Cela permet par exemple d’éliminer différents solvants utilisés en blanchisserie pour le lavage à sec (perchloroéthylène, trichloroéthylène), des PCB et dioxines et des pesticides organochlorés (DDT, Lindane et le très funeste chlordécone contaminant les sols et les nappes d’eau douce aux Antilles) : rendus vulnérables par les nanomatériaux, ces polluants sont à la merci des enzymes bactériennes.

Le fer nanométrique est également utilisé pour purifier des eaux naturellement contaminées ou polluées par l’arsenic. Les nanoparticules magnétiques d’oxyde de fer se lient à l’arsenic. En raison de la propension des nanoparticules de fer à spontanément se lier et s’agréger entre elles par des interactions magnétiques fortes, elles peuvent être extraites de la solution, avec l’arsenic qu’elles piègent, sous l’action d’un champ magnétique très faible de la puissance d’un aimant ordinaire : une stratégie de dépollution aussi performante qu’économe en énergie.

Traiter les eaux usées grâce au dioxyde de titane nanoparticulaire

Principalement pour le traitement ultime des eaux usées et secondairement pour celui des eaux souterraines en vue de leur potabilisation, le dioxyde de titane (TiO2) nanoparticulaire – déjà connu pour son effet blanchissant dans les crèmes solaires et les matériaux de construction – s’avère aussi très efficace pour l’adsorption puis la photo-dégradation[6] par exposition aux UV des contaminants organiques mais aussi pour le piégeage et la destruction des bactéries et des virus.

Actuellement, si des résultats très positifs sont obtenus en laboratoire, les applications commerciales tardent à se développer en raison de la tendance de ces nanoparticules à s’agglomérer, diminuant ainsi la surface de réaction lors de l’étape finale de photo-dégradation des contaminants. Des étapes additionnelles de filtration et/ou centrifugation sont en outre nécessaires pour la récupération des nanoparticules dans l’eau après décontamination.

Filtrer et potabiliser l’eau grâce à la nanofiltration

L’autre grand domaine en pleine évolution des nanotechnologies pour le traitement des eaux réside dans la réalisation de membranes de nanofiltration, qui purifient l’eau en éliminant les bactéries, les virus ou les polluants comme l’arsenic, le mercure, le plomb.

Déjà mise en œuvre dans certains pays littoraux dépourvus de ressource en eau, cette technique permet de réduire de 25 % le coût de l’eau potable obtenue par désalinisation de l’eau de mer. Les membranes de nanofiltration permettent aussi de réduire le calcaire et de traiter les eaux usées. Elles agissent comme une barrière physique retenant tout microorganisme ou particule d’une taille supérieure à ses pores nanométriques, et rejetant certaines substances de manière sélective.

Des nanomatériaux pour remplacer les filtres conventionnels ?

Des recherches sont actuellement menées pour développer de nouvelles classes de matériaux nanoporeux plus efficaces que les filtres conventionnels. Il a en effet été démontré que des filtres en nanotubes de carbone sont plus performants que les filtres conventionnels et nécessitent moins d’énergie que les processus plus classiques d’osmose inverse pour l’extraction des virus et des bactéries de l’eau.

En outre, des argiles naturelles (comme l’attapulgite) et des zéolites (minéraux sous forme de cristaux microporeux, qui peuvent être naturels ou artificiellement produits) présentent des pores de taille nanoscopique. Le recours à ces matériaux peu onéreux a permis la réalisation de membranes de filtration pour le traitement des eaux usées de laiteries, par exemple. Par ce procédé, on réalise ainsi une réduction très efficace du lactosérum et des autres matières organiques présentes au sein de ces effluents à forts impacts environnementaux.

De même, l’hydrotalcite, une argile de synthèse peu coûteuse piégeant l’arsenic en solution dans les eaux naturelles ou polluées, est commercialisée sous la forme d’un sachet similaire à un sachet de thé. Elle permet à une échelle individuelle et familiale une décontamination de l’eau à usage alimentaire pour un coût compatible avec le niveau de vie des pays les plus pauvres.

Des nanomembranes pour filtrer l’eau

Le recours aux nanotechnologies pour le traitement de l’eau est un champ de recherche nouveau en plein développement, débouchant sur des applications innovantes. L’une des pistes les plus prometteuses pour l’avenir est la combinaison de nanomembranes constituées d’un réseau de fibres de polyvinyle filées et croisées, où sont incorporés des nanomatériaux (comme le dioxyde de titane).

Cette nanofiltration permet l’élimination et la destruction de molécules rémanentes telles que les perturbateurs endocriniens (bisphénol, retardateur de feu, dans les détergents, les cosmétiques, les produits de nettoyage) et les substances pharmaceutiques (œstrogènes, antibiotiques, antiviraux, β-bloquants, anti-cancéreux…) pour lesquels les performances des stations d’épuration – et particulièrement le traitement biologique au sein des bassins de boues activées – sont de faible efficacité. Une fois que les nattes ont absorbé les contaminants, l’exposition à la lumière UV permettra leur photo-dégradation et une réutilisation ultérieure de la membrane filtrante.

Toutes ses applications novatrices et porteuses d’espoir ne doivent pas occulter la nécessité d’un accompagnement et d’une évaluation des impacts environnementaux et sanitaires du recours à ces nouveaux matériaux et méthodologies. C’est à cette condition que ces stratégies de dépollution, de décontamination et de potabilisation pour des substances jusqu’alors impossibles à éliminer pourront être pleinement acceptées. 

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[1]. Les PCB, ou PolyChloroBiphényles, sont des polluants chimiques persistants dans l’environnement largement répandus et utilisés principalement comme lubrifiants et isolants pour la fabrication des transformateurs électriques et des condensateurs et comme adjuvants dans la formulation des huiles, des peintures, des encres, du papier, des adhésifs, des plastiques…
[2]. Par une réaction d’oxydoréduction, le nano-métal cède une partie de ses électrons qui sont captés par la molécule de polluant, entrainant son immobilisation et sa réduction chimique.
[3]. Il s’agit de bactéries anaérobies, c’est-à-dire dont la vie n’est possible qu’en l’absence d’oxygène.
[4]. Elles peuvent par exemple arracher des ions chlore (déshalogénation) aux contaminants organo-chlorés
[5]. Une fois l’ion chlore arraché, la structure carbonée des molécules devient alors accessible aux enzymes des bactéries aérobies qui peuvent ainsi les minéraliser et les détruire.
[6]. La photo-dégradation est une détérioration des molécules et un moyen de stérilisation résultant d’une exposition à des rayonnements ionisants, surtout ultraviolets (UV) dans le contexte de l’épuration des eaux.