Purifier l'eau avec la puissance du soleil

Nov 07, 2023

Publié: 17 mars 2023

Auteur : Brett Beasley

"Aujourd'hui, les grands défis sont les technologies de l'information et l'énergie", déclare László Forró, professeur Aurora et Thomas Marquez de physique de la matière quantique complexe au département de physique et d'astronomie de l'Université de Notre Dame, "mais demain, le grand défi sera eau."

L'Organisation mondiale de la santé rapporte qu'aujourd'hui près de deux milliards de personnes consomment régulièrement de l'eau contaminée. Il estime que d'ici 2025, la moitié de la population mondiale pourrait être confrontée à une pénurie d'eau. Beaucoup de ceux qui sont touchés se trouvent dans des zones rurales qui ne disposent pas de l'infrastructure nécessaire pour faire fonctionner des purificateurs d'eau modernes, tandis que beaucoup d'autres se trouvent dans des zones touchées par la guerre, des catastrophes naturelles ou la pollution. Il y a plus que jamais besoin de moyens innovants pour étendre l'accès à l'eau à ceux qui vivent sans réseaux d'électricité, d'assainissement et de transport.

Récemment, le laboratoire de Forró a développé une telle solution. Ils ont créé un purificateur d'eau, décrit dans la revue partenaire de Nature Clean Water, qui est alimenté par une ressource à laquelle presque toutes les personnes les plus vulnérables du monde ont accès : le soleil.

Le composant clé du système de Forró est le dioxyde de titane. Le dioxyde de titane est un matériau facilement disponible connu pour ses propriétés de diffusion de la lumière. Sous une forme, c'est un pigment qui donne à certaines peintures et dentifrices leur couleur distinctive "blanc titane". Il sert également d'ingrédient actif dans les écrans solaires, absorbant la lumière avant qu'elle n'atteigne la peau.

Le dioxyde de titane peut également réagir à la lumière d'une autre manière : en produisant des formes hautement réactives d'oxygène appelées « radicaux libres ». Ces radicaux libres sont capables de détruire les parasites, les bactéries et les virus présents dans l'eau contaminée.

Forró et ses collègues ont réalisé que s'ils pouvaient produire une quantité suffisante de dioxyde de titane sous forme de nanofils, ils pourraient trouver un moyen de l'utiliser pour purifier l'eau. Les nanofils mesuraient environ 10 nanomètres de largeur, soit environ un 6 000e de la largeur d'un cheveu humain. Le hic, c'est que la plupart des laboratoires ne pouvaient créer que quelques grammes de nanofils à la fois. Cependant, Forró et Endre Horváth, un chimiste, ont mis au point un nouveau procédé qui a généré des nanofils de dioxyde de titane en grande quantité. Le nouveau processus présentait un avantage important. Il pourrait produire un kilogramme (plus de deux livres) de nanofils à la fois.

Avec de plus grandes quantités de nanofils de dioxyde de titane à leur disposition, Forró et ses collègues ont pu former de nouveaux matériaux composites. Ils ont mélangé les nanofils avec des nanotubes de carbone en suspension pour former une sorte de maille. Ils ont égoutté le maillage et l'ont aminci à l'aide d'une lame jusqu'à ce qu'il soit plus fin qu'une feuille de papier pour copieur. Ensuite, ils ont chauffé le matériau jusqu'à ce que ses composants fusionnent pour former une membrane qu'ils pourraient utiliser comme filtre.

Pour construire un système de purification, l'équipe de Forró a pris en sandwich le filtre entre des vitres et a créé une entrée en haut d'une extrémité et une sortie en bas de l'extrémité opposée. Ils ont émis l'hypothèse que l'eau s'écoulant dans l'appareil serait purifiée par trois processus distincts fonctionnant en parallèle les uns aux autres. L'un est la filtration mécanique. Le matériau du filtre empêcherait les grosses particules de passer à travers le papier. Dans le même temps, la lumière du soleil interagirait avec le dioxyde de titane pour produire des radicaux libres et détruire tous les microbes présents dans l'eau. Simultanément, la lumière du soleil réchaufferait le papier filtre et l'eau environnante, la pasteurisant et garantissant en outre que tous les micro-organismes nuisibles avaient été détruits. Ensuite, l'eau purifiée pourrait sortir de l'appareil prêt à être consommé.

Avec leur prototype entièrement assemblé, Forró et ses collègues ont pu le soumettre à une série de tests. Un test impliquait de l'eau d'une rivière voisine. Ils ont testé l'eau pour E. coli avant et après la filtration et ont constaté que l'appareil était capable d'éradiquer complètement tout E. coli de l'eau. Ils ont également testé l'appareil sur de l'eau mélangée à un "cocktail" de neuf polluants différents. Ceux-ci comprenaient des résidus de médicaments, des pesticides, des produits d'entretien, des hormones et des cosmétiques. Ils ont découvert que le processus d'assainissement en trois parties du filtre éliminait des portions importantes de même ces molécules polluantes de l'eau.

Alors que les premiers travaux de Forró sur son système de filtration ont commencé dans son ancienne institution, l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, il continue de le développer et de l'affiner dans son nouveau rôle de directeur inaugural du Centre Stavropoulos pour la matière quantique complexe à Notre-Dame. . Travaillant avec des chimistes, il développe des processus plus avancés pour créer des nanofils et travaille avec le Centre IDEA à Notre Dame pour explorer des applications commerciales potentielles. Il explore également des modifications qui rendraient le filtre plus efficace.

"Désormais, un seul appareil peut assainir deux litres d'eau par jour", dit-il. "C'est suffisant pour l'eau potable d'une personne, mais qu'en est-il d'autres personnes et d'autres utilisations comme la cuisine et la lessive ? Nous pensons que des filtres plus grands et des applications à plus grande échelle ajouteront de plus grands avantages."

Forró dit que la leçon qu'il espère que d'autres chercheurs tireront de son expérience dans le développement de l'appareil concerne la valeur de penser de nouvelles façons au-delà des frontières disciplinaires traditionnelles.

"Ce travail comprend des avancées en physique", explique Forró. « Nous devons comprendre les propriétés des nanofils de dioxyde de titane à un niveau fondamental. Mais il y a aussi la science des matériaux : comment pouvons-nous en faire des filtres et quelle est la meilleure façon de les traiter ? Et il y a la biologie et la biochimie. lorsque nous travaillons dans différentes spécialités et que nous apprenons le vocabulaire de l'autre."

Forró offre comme exemple sa collaboration avec un biologiste qui examinait les microtubules de polymères protéiques qui jouent un rôle majeur dans la division cellulaire. Forró avait la technique, qu'il avait élaborée en mesurant des nanotubes de carbone, et le biologiste savait comment fabriquer des microtubules en laboratoire. Cela a pris du temps, mais ils ont finalement publié un ouvrage fondateur sur la complexité et les propriétés mécaniques des microtubules.

Pour Forró, travailler de manière large et interdisciplinaire signifie également rester à l'écoute des plus grands problèmes du monde et utiliser la science au service de la société.

"C'est un exemple d'avancée dans la science fondamentale qui a aussi une application pratique", dit-il. "Ce n'est pas la science pour la science. C'est la science qui est engagée dans la société, et c'est quelque chose qui continue de guider tout notre travail à l'avenir."

Les travaux en cours de Forró pour développer son dispositif de purification d'eau solaire sont soutenus par le Centre Stavropoulos pour la matière quantique complexe.

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