Nettoyage bon marché et durable de l'eau des métaux lourds
Des chercheurs développent des systèmes de filtration à base de lignine
Pour débarrasser les eaux usées des métaux lourds, l'industrie doit recourir à des technologies de filtrage très raffinées. Souvent, la production de ces technologies n'est pas vraiment respectueuse de l'environnement. Des chercheurs viennois développent actuellement des systèmes de filtrage basés sur la lignine, un déchet de l'industrie du papier. Leur procédé promet une faible empreinte écologique et des coûts de production réduits.
Au cours des dernières décennies, les quantités de métaux lourds rejetés dans les eaux européennes par les usines chimiques, métallurgiques et de traitement des métaux ont considérablement diminué. Cela est dû non seulement à des réglementations européennes strictes, mais aussi à des technologies de filtrage très avancées qui permettent d'extraire efficacement le plomb, le zinc, le cuivre et le chrome des eaux usées. Cette capacité a toutefois un prix. Les matériaux filtrants eux-mêmes sont constitués de produits de l'industrie chimique, fabriqués à partir de produits pétroliers selon des processus extrêmement complexes, qui produisent eux aussi des eaux usées dangereuses.
Dans le cadre du projet "Bio-based macroporous materials for heavy metal absorption" financé par la FWF, Alexander Bismarck, Hande Barkan et Philip Verdross et leur groupe de chercheurs de l'université de Vienne explorent une alternative prometteuse. Des matières premières biosourcées et des sous-produits industriels peu coûteux sont transformés en une structure polymère perméable dont la structure des pores peut être spécifiquement adaptée pour lier et accumuler les métaux lourds. La méthode est conçue pour réduire l'empreinte écologique des filtres par un facteur multiple. Pour ce projet transfrontalier, l'Université de Vienne s'est associée à l'Institut luxembourgeois des sciences et technologies.
"Dans ce projet, nous nous sommes concentrés sur l'adsorption du chrome toxique. Le chrome VI est notamment utilisé pour le tannage du cuir. En Asie du Sud-Est notamment, ce métal lourd est souvent déversé dans les rivières sans être filtré", note le chimiste Hande Barkan. "Nous avons besoin de nouvelles technologies à la fois durables et bon marché pour améliorer la situation". En outre, la technologie étudiée est également intéressante pour l'élimination du cuivre, du plomb, de l'arsenic et du mercure.
Les systèmes de filtration fabriqués à partir de matières premières renouvelables présentent un grand potentiel pour l'industrie. Non seulement ils sont beaucoup moins chers et plus respectueux de l'environnement, mais ils sont aussi plus efficaces. Certains métaux lourds se retrouvent encore dans les rivières sans être filtrés.
Un sous-produit de l'industrie papetière
Les matériaux innovants sont basés sur la lignine, c'est-à-dire la matière qui assure la stabilité des parois cellulaires des plantes. La production de cellulose dans l'industrie du papier génère un sous-produit appelé liqueur noire, qui contient une grande quantité de lignine en plus des résidus des produits chimiques d'extraction utilisés. Cette liqueur noire constitue un matériau de base propice pour les chercheurs. D'autres matériaux qu'ils utilisent sont des sous-produits agricoles, comme les graisses végétales ou la glycérine, qui est produite à partir de matières premières biosourcées. Les composés carbonés aminés constituent une exception, car ils sont produits industriellement comme des produits pétroliers. "Les amines sont utilisées comme réticulants et sont responsables à la fois de la réticulation des molécules de substances naturelles et, plus tard, de la liaison chimique des métaux lourds aux polymères", explique M. Barkan. Dans l'ensemble, cependant, les matériaux biosourcés, en particulier la lignine en tant qu'"ingrédient principal", ont un effet extrêmement positif sur l'analyse du cycle de vie du développement, note M. Barkan.
Cela dit, il ne suffit pas de créer un matériau solide et fonctionnel à partir de la substance naturelle qu'est la lignine. La structure polymère qui en résulte, dans laquelle de nombreuses macromolécules complexes sont entrelacées, nécessite une structure de pores qui maximise la séparation des métaux lourds de l'eau envoyée à travers la structure. La technologie permettant d'atteindre cet objectif est appelée "templating mousse/émulsion" et a été développée en grande partie par Bismarck et son équipe.
De la goutte d'eau au pore du filtre
Comme son nom l'indique, la forme du polymère est fixée dans une émulsion. "Un grand nombre de gouttelettes sont dispersées dans ce liquide qui ressemble à une mousse. La taille et la fréquence des gouttelettes sont déterminées par les agents de surface qui sont ajoutés selon des critères spécifiques. Les surfactants sont des substances qui influencent la tension interfaciale entre les liquides", explique Philip Verdross. "L'émulsion et le polymère liquide sont mélangés avant que le polymère ne soit durci. L'émulsion agit alors comme un modèle qui détermine la forme et les propriétés des pores du plastique à base de lignine. Là où il y avait des gouttelettes dans l'émulsion, il y a des pores dans le polymère fini".
"L'adsorption du chrome VI à l'aide de cette technologie présente un grand avantage, car le métal lourd n'est pas seulement lié aux amines, mais subit également une autre réaction", note M. Verdross. Le chrome VI, hautement toxique et cancérigène, est transformé en chrome III, inoffensif, une étape qui nécessiterait un processus distinct avec les méthodes conventionnelles. Pour d'autres métaux lourds, la séparation en tant que telle fonctionnerait de la même manière que pour le chrome. Les chercheurs espèrent que l'utilisation de matières premières renouvelables permettra une production industrielle à faible coût. Si cette approche peut effectivement être utilisée à grande échelle, elle pourrait permettre une réduction substantielle de la pollution par les métaux lourds dans les cours d'eau du monde entier.
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.
Publication originale
Philip Verdross, Robert T. Woodward, Alexander Bismarck; "Flexing with lignin: lignin-based elastomers synthesised from untreated kraft black liquor"; Polymer Chemistry, Volume 15, 2024
Hande Barkan-Öztürk, Philip Verdross, Alexander Bismarck; "Macroporous lignin adsorbents: A bio-sourced tool kit to defuse the Cr(VI) threat in wastewater"; Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 12
Khatanbaatar Byambatsogt, Qixiang Jiang, Aayush Kumar Jaiswal, Vesa Kunnari, Alexander Bismarck, Andreas Mautner; "Pilot-scale foam and cast-coated nanocellulose filters for water treatment"; Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly, 2024-5-17
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