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Une mousse d’oxyde de graphène réduit fonctionnalisée 3D réutilisable (3D‐FrGOF) est utilisée comme électrode de dépôt électrolytique in situ pour extraire l’uranium de l’eau contaminée. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation des chercheurs
AVEC-équipe de recherche dirigée sur les modes graphène mousse dans un appareil capable d’extraire l’uranium et d’autres métaux lourds de l’eau du robinet.
Certains types de pollution de l’eau, tels que les proliférations d’algues et les plastiques qui encrassent les rivières, les lacs et les environnements marins, sont bien en vue. Mais d’autres contaminants ne sont pas si facilement apparents, ce qui rend leur impact potentiellement plus dangereux. Parmi ces substances invisibles se trouve l’uranium. Lixiviant les ressources en eau des opérations minières, des sites de déchets nucléaires ou des gisements souterrains naturels, l’élément peut maintenant être trouvé s’écoulant des robinets dans le monde entier.
Rien qu’aux États-Unis, « de nombreuses zones sont touchées par la contamination à l’uranium, notamment les aquifères des hautes plaines et de la vallée centrale, qui alimentent en eau potable 6 millions de personnes », explique Ahmed Sami Helal, post-doctorant au département des sciences et de l’ingénierie nucléaires. Cette contamination représente un danger proche et présent. “Même de petites concentrations sont mauvaises pour la santé humaine”, déclare Ju Li, professeur de science et d’ingénierie nucléaires de la Battelle Energy Alliance et professeur de science et d’ingénierie des matériaux.
Aujourd’hui, une équipe dirigée par Li a mis au point une méthode très efficace pour éliminer l’uranium de l’eau potable. En appliquant une charge électrique à la mousse d’oxyde de graphène, les chercheurs peuvent capturer l’uranium en solution, qui précipite sous forme de cristal solide condensé. La mousse peut être réutilisée jusqu’à sept fois sans perdre ses propriétés électrochimiques. «En quelques heures, notre procédé peut purifier une grande quantité d’eau potable en dessous de la limite EPA pour l’uranium», explique Li.
Un article décrivant ce travail a été publié dans le Matériaux avancés. Les deux premiers co-auteurs sont Helal et Chao Wang, un post-doctorant au MIT pendant l’étude, qui est maintenant à la School of Materials Science and Engineering de l’Université Tongji de Shanghai. Des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne, de l’Université nationale Chiao Tung de Taïwan et de l’Université de Tokyo ont également participé à la recherche. La Defense Threat Reduction Agency (Département américain de la Défense) a financé les étapes ultérieures de ce travail.
Cibler le contaminant
Le projet, lancé il y a trois ans, a commencé comme un effort pour trouver de meilleures approches pour le nettoyage environnemental des métaux lourds des sites miniers. À ce jour, les méthodes d’assainissement de métaux tels que le chrome, le cadmium, l’arsenic, le plomb, le mercure, le radium et l’uranium se sont révélées limitées et coûteuses. «Ces techniques sont très sensibles aux matières organiques dans l’eau et ne permettent pas de séparer les contaminants de métaux lourds», explique Helal. « Ils impliquent donc de longs temps de fonctionnement, des coûts d’investissement élevés et, à la fin de l’extraction, génèrent des boues plus toxiques. »
Pour l’équipe, l’uranium semblait une cible particulièrement attrayante. Des tests sur le terrain du US Geological Service et de l’Environmental Protection Agency (EPA) ont révélé des niveaux malsains d’uranium se déplaçant dans des réservoirs et des aquifères à partir de sources rocheuses naturelles dans le nord-est des États-Unis, d’étangs et de fosses stockant d’anciennes armes nucléaires et du combustible dans des endroits comme Hanford , Washington, et des activités minières situées dans de nombreux États de l’Ouest. Ce type de contamination est également répandu dans de nombreux autres pays. Un nombre alarmant de ces sites montre des concentrations d’uranium proches ou supérieures au plafond recommandé par l’EPA de 30 parties par milliard (ppb) – un niveau lié aux lésions rénales, au risque de cancer et aux changements neurocomportementaux chez l’homme.
Le défi majeur consistait à trouver un procédé de dépollution pratique exclusivement sensible à l’uranium, capable de l’extraire de la solution sans produire de résidus toxiques. Et tandis que des recherches antérieures ont montré que la fibre de carbone chargée électriquement pouvait filtrer l’uranium de l’eau, les résultats étaient partiels et imprécis.
Wang a réussi à résoudre ces problèmes – sur la base de son enquête sur le comportement de la mousse de graphène utilisée pour les batteries lithium-soufre. « Les performances physiques de cette mousse étaient uniques en raison de sa capacité à attirer certaines espèces chimiques à sa surface », dit-elle. “Je pensais que les ligands de la mousse de graphène fonctionneraient bien avec l’uranium.”
Simple, efficace et propre
L’équipe s’est mise au travail pour transformer la mousse de graphène en l’équivalent d’un aimant en uranium. Ils ont appris qu’en envoyant une charge électrique à travers la mousse, en séparant l’eau et en libérant de l’hydrogène, ils pouvaient augmenter le pH local et induire un changement chimique qui retirerait les ions uranium de la solution. Les chercheurs ont découvert que l’uranium se greffait sur la surface de la mousse, où il formait un hydroxyde d’uranium cristallin jamais vu auparavant. Lors de l’inversion de la charge électrique, le minéral, qui ressemble à des écailles de poisson, a glissé facilement de la mousse.
Il a fallu des centaines d’essais pour obtenir la composition chimique et l’électrolyse parfaites. « Nous n’arrêtions pas de modifier les groupes chimiques fonctionnels pour qu’ils fonctionnent correctement », explique Helal. « Et la mousse était initialement assez fragile, ayant tendance à se briser en morceaux, nous devions donc la rendre plus solide et plus durable », explique Wang.
Ce procédé de filtration de l’uranium est simple, efficace et propre, selon Li : « À chaque utilisation, notre mousse peut capter quatre fois son propre poids d’uranium, et nous pouvons atteindre une capacité d’extraction de 4 000 mg par gramme, ce qui est un amélioration majeure par rapport aux autres méthodes », dit-il. « Nous avons également fait une percée majeure en matière de réutilisation, car la mousse peut subir sept cycles sans perdre son efficacité d’extraction. » La mousse de graphène fonctionne également dans l’eau de mer, où elle réduit les concentrations d’uranium de 3 parties par million à 19,9 ppb, montrant que les autres ions de la saumure n’interfèrent pas avec la filtration.
L’équipe pense que son appareil efficace et peu coûteux pourrait devenir un nouveau type de filtre à eau domestique, s’adaptant sur des robinets comme ceux des marques commerciales. “Certains de ces filtres ont déjà du charbon actif, alors peut-être pourrions-nous les modifier, ajouter de l’électricité basse tension pour filtrer l’uranium”, explique Li.
“L’extraction d’uranium réalisée par cet appareil est très impressionnante par rapport aux méthodes existantes”, a déclaré Ho Jin Ryu, professeur agrégé d’ingénierie nucléaire et quantique à l’Institut avancé des sciences et technologies de Corée. Ryu, qui n’a pas été impliqué dans la recherche, estime que la démonstration de la réutilisabilité de la mousse de graphène est une “avancée significative” et que “la technologie de contrôle local du pH pour améliorer le dépôt d’uranium aura un impact car le principe scientifique peut être appliqué plus généralement à l’extraction des métaux lourds des eaux polluées.
Les chercheurs ont déjà commencé à étudier des applications plus larges de leur méthode. “Il y a une science à cela, nous pouvons donc modifier nos filtres pour qu’ils soient sélectifs pour d’autres métaux lourds tels que le plomb, le mercure et le cadmium”, explique Li. Il note que le radium est un autre danger important pour les localités aux États-Unis et ailleurs qui manquent de ressources pour une infrastructure d’eau potable fiable.
« À l’avenir, au lieu d’un filtre à eau passif, nous pourrions utiliser un filtre intelligent alimenté par une électricité propre qui active l’action électrolytique, ce qui pourrait extraire plusieurs métaux toxiques, vous indiquer quand régénérer le filtre et vous donner une assurance qualité sur l’eau que vous buvez.
Référence : « Dépôt électrolytique d’uranium in situ avec une électrode fonctionnelle réutilisable en mousse de graphène » par Chao Wang, Ahmed S. Helal, Ziqiang Wang, Jian Zhou, Xiahui Yao, Zhe Shi, Yang Ren, Jinhyuk Lee, Jeng-Kuei Chang, Bunshi Fugetsu et Ju Li, le 4 août 2021, Matériaux avancés.
DOI : 10.1002/adma.202102633
