Rattraper le vif-argent : Le matériau MXene peut contrer la contamination par le mercure
Les chercheurs montrent que le MXène carboxylé peut traiter efficacement l'eau contaminée par le mercure.
Les chercheurs estiment que les émissions de mercure dans l'atmosphère ont quadruplé depuis la révolution industrielle. Ce métal lourd, généré par la combustion de combustibles fossiles et l'élimination de déchets industriels et médicaux, est devenu si persistant dans les environnements aquatiques que la Food and Drug Administration américaine suggère qu'une demi-douzaine d'espèces de poissons sont tellement contaminées par le mercure que les gens devraient éviter de les consommer. Les chercheurs travaillent depuis de nombreuses années à la mise au point de systèmes permettant d'éliminer le mercure de l'eau. Mais une équipe de l'université de Drexel pourrait avoir trouvé le matériau idéal pour capturer efficacement le mercure - même à de faibles niveaux - et nettoyer les masses d'eau contaminées.
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Parmi les nombreuses méthodes permettant d'éliminer le mercure de l'eau, l'adsorption - processus consistant à attirer et à éliminer chimiquement les contaminants - est la technologie la plus prometteuse en raison de sa relative simplicité, de son efficacité et de son faible coût, selon Masoud Soroush, professeur au Drexel College of Engineering, dont le laboratoire développe une nouvelle technologie d'adsorption.
"Les adsorbants modernes, tels que les résines, la silice mésoporeuse, les chalcogénures et les carbones mésoporeux, ont des efficacités plus élevées que les adsorbants traditionnels, tels que le charbon actif, les argiles et les zéolithes qui ont une faible affinité envers le mercure et de faibles capacités", a déclaré Soroush. "Cependant, le problème avec tous ces matériaux, c'est que leurs efficacités d'élimination du mercure restent faibles, et qu'ils sont incapables d'abaisser le niveau de mercure à moins de 1 partie par milliard."
L'équipe de Soroush, composée de chercheurs de Drexel et de Temple University, a étudié la synthèse et l'utilisation d'un carbure de titane MXène modifié en surface pour l'élimination du mercure. Les MXenes sont une famille de nanomatériaux bidimensionnels qui a été découverte à Drexel il y a plus de dix ans et qui a démontré de nombreuses propriétés exceptionnelles. L'équipe a récemment fait part de ses résultats dans le Journal of Hazardous Materials.
Pour l'élimination des ions mercure, les avantages du carbure de titane MXene, selon Soroush, sont sa surface chargée négativement et l'accordabilité et la polyvalence de sa chimie de surface, ce qui rend le MXene attrayant pour l'élimination des ions de métaux lourds. Grâce à ces propriétés et à la structure en couches du MXene, les matériaux à base de carbure de titane et de MXene ont montré des performances supérieures dans la séparation des gaz, l'élimination du sel de l'eau, l'élimination des bactéries et la dialyse rénale.
"Nous savions que les matériaux 2D, tels que l'oxyde de graphène et le disulfure de molybdène, avaient précédemment été efficaces pour éliminer les métaux lourds des eaux usées par adsorption en raison de leurs fonctionnalités/structures chimiques qui attirent les ions métalliques", a déclaré Soroush. "Les MXènes sont un type de matériaux similaire, mais nous avons estimé que le carbure de titane MXène pourrait avoir des capacités d'absorption beaucoup plus importantes que ces autres matériaux - ce qui en fait un meilleur sorbant pour les ions mercure."
Mais l'équipe de Soroush a dû procéder à un ajustement clé de la structure chimique du carbure de titane MXene afin d'améliorer encore le matériau pour l'une de ses tâches les plus difficiles.
"Ce n'est pas pour rien que le mercure est appelé vif-argent : il est assez évasif une fois qu'il est émis dans l'environnement, que ce soit par la combustion de combustibles fossiles, l'exploitation minière ou l'incinération des déchets", a expliqué M. Soroush. "Il change rapidement de forme chimique, ce qui augmente sa toxicité et le rend extrêmement difficile à éliminer des masses d'eau où il s'accumule inévitablement. Donc, pour attirer les ions mercure encore plus rapidement, nous devions modifier la surface des paillettes de carbure de titane MXene."
Il existe une attraction naturelle entre les ions mercure et la surface du carbure de titane MXene, car les ions métalliques, comme le mercure, sont chargés positivement et la surface des paillettes MXene est chargée négativement. Cependant, pour extraire plus fortement les ions mercure de l'eau, l'équipe devait donner un coup de pouce à cette attraction. À cette fin, ils ont traité les paillettes de MXène avec de l'acide chloroacétique - un processus appelé carboxylation - qui fournit au MXène des groupes d'acide carboxylique forts et très mobiles et augmente la charge négative de la surface des paillettes de MXène, améliorant la capacité des paillettes à attirer et retenir les ions de mercure.
Le résultat est un nouveau matériau sorbant - le carbure de titane carboxylé MXene, qui a démontré une absorption plus rapide des ions mercure et une plus grande capacité que tous les adsorbants disponibles dans le commerce, selon les chercheurs.
"Le carbure de titane carboxylé MXene s'est avéré bien supérieur aux matériaux adsorbants actuellement utilisés pour l'élimination des ions mercure", a déclaré Soroush. "En une minute, il a été capable d'éliminer 95% des ions mercure d'un échantillon d'eau contaminé à une concentration de 50 parties par million, ce qui signifie qu'il pourrait être suffisamment efficace et efficient pour être utilisé dans le traitement des eaux usées à grande échelle".
En cinq minutes, le carbure de titane MXene et le carbure de titane carboxylé MXene ont éliminé 98% des ions mercure d'un échantillon d'eau de 10 millilitres contaminé par des ions mercure à des concentrations comprises entre 1 et 1000 parties par million.
"Cela indique que le [MXène] et le [MXène carboxylé] sont des adsorbants efficaces pour éliminer les ions mercure des eaux usées en raison de leurs propriétés structurelles particulières et de la forte densité des groupes fonctionnels de surface", écrit l'équipe. "En général, le mécanisme d'adsorption des ions métalliques suit deux étapes : dans un premier temps, les ions sont rapidement adsorbés sur les sites actifs disponibles, et le processus est rapide. L'adsorption se déroule plus lentement à mesure que les sites d'adsorption se remplissent, et les ions doivent diffuser dans les pores et l'intercouche."
Cette découverte est importante dans la lutte contre la pollution par le mercure, qui est devenue si répandue que les autorités sanitaires recommandent d'éviter complètement de manger certaines espèces de poisson. Les efforts visant à contenir le mercure libéré par la combustion de combustibles fossiles se sont révélés aussi difficiles que la réduction de la dépendance aux combustibles eux-mêmes.
Bien que l'abandon des sources d'énergie polluantes soit la solution ultime pour prévenir la libération de métaux lourds, comme le mercure, dans l'environnement, M. Soroush suggère que cette percée pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour nettoyer la pollution qui a déjà été créée.
"Nous envisageons que l'utilisation de la technologie du MXène carboxylé puisse éliminer tous les ions de métaux lourds", a-t-il déclaré. "Outre l'utilisation du MXène carboxylé comme sorbant, une autre façon d'y parvenir est de fabriquer des filtres revêtus ou intégrés avec le MXène carboxylé."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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