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Les ingénieurs ont conçu une approche relativement peu coûteuse et écoénergétique pour traiter l’eau contaminée par des métaux lourds.
Les ingénieurs ont conçu une approche relativement peu coûteuse et écoénergétique pour traiter l’eau contaminée par des métaux lourds.
Ingénieurs à AVEC ont développé une nouvelle approche pour éliminer le plomb ou d’autres contaminants de métaux lourds de l’eau, dans un processus qui, selon eux, est beaucoup plus économe en énergie que tout autre système actuellement utilisé, bien qu’il y en ait d’autres en cours de développement qui s’en rapprochent. En fin de compte, il pourrait être utilisé pour traiter les approvisionnements en eau contaminée par le plomb au niveau de la maison, ou pour traiter l’eau contaminée par certains processus chimiques ou industriels.
Le nouveau système est le dernier d’une série d’applications basées sur les découvertes initiales il y a six ans par les membres de la même équipe de recherche, initialement développé pour le dessalement de l’eau de mer ou de l’eau saumâtre, et plus tard adapté pour éliminer les composés radioactifs de l’eau de refroidissement de l’énergie nucléaire. les plantes. La nouvelle version est la première méthode de ce type qui pourrait être applicable pour le traitement de l’approvisionnement en eau domestique, ainsi que pour les utilisations industrielles.
Les résultats ont été publiés le 22 septembre 2021 dans la revue Sciences et technologies de l’environnement – Eau, dans un article des étudiants diplômés du MIT Huanhuan Tian, Mohammad Alkhadra et Kameron Conforti, et du professeur de génie chimique Martin Bazant.
« Il est notoirement difficile d’éliminer les métaux lourds toxiques qui sont persistants et présents dans de nombreuses sources d’eau différentes », explique Alkhadra. « De toute évidence, il existe aujourd’hui des méthodes concurrentes qui remplissent cette fonction, il s’agit donc de savoir quelle méthode peut le faire à moindre coût et de manière plus fiable. »
Le plus grand défi en essayant d’éliminer le plomb est qu’il est généralement présent dans de si petites concentrations, largement dépassées par d’autres éléments ou composés. Par exemple, le sodium est généralement présent dans l’eau potable à une concentration de dizaines de parties par million, tandis que le plomb peut être hautement toxique à seulement quelques parties par milliard. La plupart des procédés existants, tels que l’osmose inverse ou la distillation, suppriment tout à la fois, explique Alkhadra. Cela prend non seulement beaucoup plus d’énergie que ce qui serait nécessaire pour une élimination sélective, mais c’est contre-productif car de petites quantités d’éléments tels que le sodium et le magnésium sont en fait essentielles pour une eau potable saine.
La nouvelle approche utilise un processus appelé électrodialyse de choc, dans lequel un champ électrique est utilisé pour produire une onde de choc à l’intérieur d’un matériau poreux chargé électriquement transportant l’eau contaminée. L’onde de choc se propage d’un côté à l’autre à mesure que la tension augmente, laissant derrière elle une zone où les ions métalliques sont épuisés, et séparant le flux d’alimentation en une saumure et un flux frais. Le processus entraîne une réduction de 95 pour cent du plomb du flux frais sortant.
En principe, « cela rend le processus beaucoup moins cher », dit Bazant, « parce que l’énergie électrique que vous mettez pour faire la séparation va vraiment après la cible de grande valeur, qui est la tête. Vous ne gaspillez pas beaucoup d’énergie à éliminer le sodium. Parce que le plomb est présent à une concentration si faible, “il n’y a pas beaucoup de courant impliqué dans l’élimination de ces ions, donc cela peut être un moyen très rentable.”
Le procédé a encore ses limites, car il n’a été démontré qu’à petite échelle de laboratoire et à des débits assez lents. L’intensification du processus pour le rendre pratique pour une utilisation à domicile nécessitera des recherches supplémentaires, et les utilisations industrielles à plus grande échelle prendront encore plus de temps. Mais cela pourrait être pratique d’ici quelques années pour certains systèmes à domicile, dit Bazant.
Par exemple, une maison dont l’alimentation en eau est fortement contaminée par du plomb pourrait avoir un système dans la cave qui traite lentement un jet d’eau, remplissant un réservoir d’eau sans plomb à utiliser pour boire et cuisiner, tout en laissant la majeure partie de l’eau non traité pour des utilisations comme la chasse d’eau ou l’arrosage de la pelouse. De telles utilisations pourraient être appropriées en tant que mesure provisoire pour des endroits comme Flint, Michigan, où l’eau, principalement contaminée par les conduites de distribution, mettra de nombreuses années à se résorber grâce au remplacement des conduites.
Le procédé pourrait également être adapté à certaines utilisations industrielles telles que le nettoyage de l’eau produite dans les opérations minières ou de forage, afin que l’eau traitée puisse être éliminée ou réutilisée en toute sécurité. Et dans certains cas, cela pourrait également fournir un moyen de récupérer les métaux qui contaminent l’eau mais pourraient en fait être un produit précieux s’ils étaient séparés ; par exemple, certains de ces minéraux pourraient être utilisés pour traiter des semi-conducteurs ou des produits pharmaceutiques ou d’autres produits de haute technologie, selon les chercheurs.
Les comparaisons directes de l’économie d’un tel système par rapport aux méthodes existantes sont difficiles, dit Bazant, car dans les systèmes de filtration, par exemple, les coûts concernent principalement le remplacement des matériaux filtrants, qui s’encrassent rapidement et deviennent inutilisables, alors que dans ce système les coûts sont principalement pour l’apport d’énergie continu, qui est très faible. À ce stade, le système d’électrodialyse de choc fonctionne depuis plusieurs semaines, mais il est trop tôt pour estimer la longévité réelle d’un tel système, dit-il.
Développer le processus en un produit commercial évolutif prendra un certain temps, mais « nous avons montré comment cela pouvait être fait, d’un point de vue technique », déclare Bazant. « Le principal problème serait d’ordre économique », ajoute-t-il. Cela inclut de déterminer les applications les plus appropriées et de développer des configurations spécifiques qui répondraient à ces utilisations. «Nous avons une idée raisonnable de la façon d’étendre cela. Il s’agit donc d’avoir les ressources », ce qui pourrait être un rôle pour une start-up plutôt qu’un laboratoire de recherche académique, ajoute-t-il.
« Je pense que c’est un résultat passionnant », dit-il, « parce qu’il montre que nous pouvons vraiment aborder cette application importante » du nettoyage du plomb de l’eau potable. Par exemple, dit-il, il existe maintenant des endroits qui effectuent le dessalement de l’eau de mer par osmose inverse, mais ils doivent exécuter ce processus coûteux deux fois de suite, d’abord pour éliminer le sel, puis à nouveau pour éliminer le faible niveau mais fortement contaminants toxiques comme le plomb. Ce nouveau procédé pourrait être utilisé à la place du deuxième cycle d’osmose inverse, à une dépense d’énergie beaucoup plus faible.
Référence : « Élimination continue et sélective du plomb de l’eau potable par électrodialyse de choc » par Huanhuan Tian, Mohammad A. Alkhadra, Kameron M. Conforti et Martin Z. Bazant, 22 septembre 2021, Sciences et technologies de l’environnement – Eau.
DOI : 10.1021/acsestwater.1c00234
La recherche a reçu le soutien d’une bourse d’ingénierie MathWorks et d’une bourse décernée par Abdul Latif Jameel Water Systems Lab du MIT, financée par Xylem, Inc.
