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Un nouveau matériau cristallin pour l’adsorption sélective du cuivre dans les eaux polluées

Posté le par Arnaud Moign dans Matériaux, Biotech & chimie

Malgré son rôle physiologique essentiel, à forte dose le cuivre est un métal toxique pour l’être humain. Des chercheurs américains du Berkeley Lab ont développé un nouveau matériau cristallin pour la capture sélective par adsorption des ions cuivre dans les eaux polluées.

Le cuivre est un métal largement utilisé dans tous les secteurs d’activité et chaque année, des millions de tonnes de cuivre sont extraites à travers le monde. Malheureusement, l’omniprésence de ce métal est associée à des problèmes de pollution des eaux et des sols.

De gauche à droite : diagramme schématique d’un réseau ZIOS ; cliché MEB d’un échantillon ZIOS-cuivre sur wafer silicium (crédit : Berkeley Lab)

La dépollution des métaux lourds par adsorption

Pour éliminer les métaux lourds des effluents, les industriels utilisent plusieurs méthodes : l’évaporation, la précipitation chimique, la coagulation-floculation, la photocatalyse ou encore la séparation membranaire. Malheureusement, les procédés de dépollution actuels ne permettent pas de séparer ces différents métaux de manière économiquement viable, ce qui empêche la récupération de nombreux métaux précieux.

La capture des métaux lourds par adsorption apparaît comme une solution de dépollution efficace et économique, mais elle nécessite de développer des matériaux adsorbants spécifiques à chaque métal à récupérer. Si des solutions existent pour l’adsorption du cuivre (adsorbants à base de carbone, de polymère, réseaux organométalliques MOF), aucune ne donne à ce jour entière satisfaction.

HOIF : une classe émergente de matériaux d’adsorption

Une nouvelle classe d’adsorbants, appelée HOIF (Hydrogen-bonded organic–inorganic frameworks), est en train d’émerger pour la séparation sélective. Dans un article publié dans Nature Communications, une équipe de scientifiques du Berkeley Lab présente un nouveau matériau entrant dans cette catégorie : le ZIOS (zinc imidazole salicylaldoxime supramolecule).

Jeffrey J.Urban et Ngoc T. Bui, du Molecular Foundry ainsi que leurs coauteurs affirment ainsi que les cristaux de ZIOS présentent les propriétés suivantes :

  • capture sélective des ions cuivre 30 à 50 fois plus rapide que les solutions actuelles ;
  • très bonne stabilité dans l’eau : jusqu’à 52 jours ;
  • capture sélective efficace en milieu acide (même à pH <3) ;

D’après le communiqué de presse du Berkeley Lab, ces excellents résultats ont surpris l’équipe de chercheurs elle-même. Ngoc T. Bui, première autrice de cette étude le reconnaît :

« Au début, j’ai pensé que c’était une erreur, car les cristaux de ZIOS ont une très faible surface spécifique, or il est communément admis qu’un matériau doit avoir une surface spécifique élevée pour que sa capacité d’adsorption le soit également et que la cinétique d’adsorption soit rapide, comme c’est le cas avec les autres familles d’adsorbants comme les PAF et les MOF ».

Comme le montrent les investigations complémentaires réalisées suite à ces observations, il est apparu que l’immersion de cristaux de ZIOS conduit au gonflement des nanocanaux présents dans ceux-ci (d’à peine 2-3 angströms, soit un peu plus que la taille d’une molécule d’eau). Cette extension des pores permet une meilleure circulation des molécules d’eau et des ions cuivre, ce qui facilite la réaction chimique qui a lieu entre les ions cuivre et le ZIOS.

Fort de ce succès, l’équipe de chercheurs entend maintenant explorer de nouvelles solutions d’élimination sélective pour d’autres polluants.

Pour aller plus loin

Posté le par Arnaud Moign


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