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Applications des nanotechnologies pour l'analyse et le traitement de l'eau

Par MD , DL et l'équipe Avicenn - Dernier ajout 16 août 2018

Cette fiche fait partie de notre dossier Nano et Eau : elle a vocation à être progressivement complétée et mise à jour avec l'aide des adhérents et veilleurs de l'Avicenn. Vous pouvez vous aussi contribuer à l'améliorer en nous envoyant vos remarques à l'adresse redaction(at)veillenanos.fr.

Les nanotechnologies sont utilisées pour développer des dispositifs plus efficaces pour l'analyse et le traitement de l'eau.
Il est aujourd'hui difficile de faire la part entre les applications déjà sur le marché et celles qui n'en sont qu'au stade de la recherche et développement.
Il est également nécessaire d'être vigilant par rapport aux "effets d'annonce" de certains chercheurs soucieux de valoriser leurs recherches mais dont les résultats de recherche sont encore loin d'être transformés en produits ou procédés réels.
Le flou prévaut aussi en ce qui concerne les produits commercialisés par certaines compagnies qui utilisent le mot "nanotechnologies" comme argument "marketing" de leurs produits, sans jouer la carte de la transparence sur la nature des procédés ou des nanomatériaux utilisés.

Deux principaux domaines d'application des nanotechnologies au domaine de l'eau peuvent être distingués : l'analyse et le traitement de l'eau.

Avec quelle prise en compte des risques associés aux nanomatériaux utilisés ?

Et quel rapport bénéfices / risques par rapport aux alternatives naturelles ? L'innovation n'est pas uniquement technologique, comme en attestent les "solutions fondées sur la nature" (SfN) promues par les Nations Unies en 2018.

La détection des contaminants

Les nanotechnologies pourraient avoir des applications intéressantes en matière de détection des substances chimiques et biochimiques dans l'eau.
Début 2011, le Directeur général des Centres de recherche de Veolia Environnement considérait que "c'est très probablement dans ce domaine [de l'analyse] que l'on verra prochainement une industrialisation de nanotechnologies pour l'échantillonnage et l'indentification spécifique aussi bien en analyse chimique que microbiologique" 1.

Une thèse est en cours (ou en projet ?) à l'université d'Orléans sur l'élaboration de capteurs électrochimiques pour la détection de polluants émergents basés sur des carbones nanostructurés fonctionnalisés par greffage de sels de diazonium.

La purification de l'eau

Les nanotechnologies peuvent être utilisées pour désaliniser l'eau, filtrer des polluants, réduire le calcaire et/ou traiter les eaux usées.

Les procédés utilisés ou envisagés peuvent combiner différents types d'action :

- la filtration d'éléments indésirables (polluants, microbes, sel) : ce serait le procédé le plus avancé, notamment pour les membranes ; les filtres peuvent être constitués notamment :
  • de nanotubes de carbone, pour extraire les virus et les bactéries de l'eau
  • de membranes nanostructurées ou sur lesquelles sont ajoutées des nanoparticules ou des nanorevêtements
    • Suez Environnement a ainsi participé à un projet de recherche européen NAMATECH (2009-2012) sur l'utilisation de nanoparticules pour des membranes "particulièrement prometteuses"2
    • Veolia Environnement a de son côté mis en place un partenariat avec la société américaine NanoH2O visant à mettre au point des membranes pour le dessalement de l'eau de mer : des nanoparticules hydrophiles sont ajoutées à des membranes d'osmose inverse pour favoriser le passage de l'eau3
    • des chercheurs français et américains ont mis au point des "tamis nanoscopiques"4
    • Arkema propose en 2018 un procédé d'ultra filtration avec un polymère fluoré Kynar® PVDF utilisant des technologies de polymères nanométriques
    • en Chine, en 2018, une promesse de production industrielle de membranes de nanofibres par impression en 3D par Nano Sun, en savoir +
  • de l'argile attapulgite et de zéolites naturelles, disponibles dans de nombreuses régions du monde et présentant des pores naturels de taille nanoscopique
  • de nanoéponges qui piègent des contaminants (il peut s'agir notamment d'éponges de polyuréthanes recouvertes de nanoparticules d'oxyde de fer ou de nanotubes de carbone et de nanoargent)5.

- la dissolution chimique des polluants par oxydation grâce à l'utilisation de nanoparticules réactives (titane, oxyde de fer par exemple) : les nanocatalyseurs pourraient être utilisés pour décomposer chimiquement les polluants. Les nanoparticules d'oxyde de titane sont par exemple des catalyseurs plus efficaces que l'oxyde de titane à l'échelle macroscopique et pourraient servir à détruire les contaminants par photocatalyse sous l'effet de rayons UV.
  • Début 2011, Veolia Environnement était impliqué dans l'étude de nanoparticules pour la catalyse de type oxydante ou réductrice afin d'éliminer des polluants dans l'eau, avec des perspectives d'applications encore incertaines6.
  • Des recherches ont été menées ou sont toujours en cours :

- l'extraction des polluants par aimantation : les nanoparticules magnétiques ont une grande surface par rapport à leur volume et peuvent ainsi facilement former des liaisons chimiques avec des contaminants véhiculés par l'eau - tels que l'arsenic, le mercure, le plomb, le pétrole - et être ensuite extraits à l'aide d'un aimant. Des applications seraient déjà commercialisées et les recherches sont nombreuses dans ce domaine10.

- l'élimination des bactéries, par l'utilisation de nanoparticules métalliques (nanoparticules d'argent ou de cuivre) aux propriétés antibactériennes.

Projet de recherche : NanoFREZES : Nanoparticules de Fer pour la remédiation des Eaux Souterraines : https://www.cerege.fr/spip.php?article233 et http://www.ineris.fr/nanofrezes/

Projet de recherche : NanoSELECT : Des nanomatériaux biologiques pour purifier l'eau, Suède, FP7 http://www.nanoselect.eu/ ; http://www.cordis.europa.eu/result/rcn/165353_en.html

  • - la désalinisation est un enjeu important, avec :
- aux USA en 2017 une recherche sur une combinaison de distillation membranaire et de nanophotonique.
- en 2018 une publication chinoise sur une méthode testée en laboratoire, associant l'intégration de nanoparticules de tellure dans l’eau avec la plasmonique. Le taux d’évaporation de l’eau est multiplié par trois sous l’effet des rayons du soleil. Ainsi, en 100 secondes la température passe de 29°C à 85°C. La création des nanoparticules est extrêmement complexe et n’offre aucune possibilité de commercialisation pour l’instant.

En savoir plus

- Lire aussi sur notre site :

- Ailleurs sur le web :


NOTES et REFERENCES
1 - Entretien de M. Hervé Suty, Directeur général des Centres de recherche de Veolia Environnement, accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011

2 - Entretien de Mme Zdravka Doquang, Responsable Pôle Analyse et Santé au CIRSEE (Suez Environnement), accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011

3 - Entretien de M. Hervé Suty, Directeur général des Centres de recherche de Veolia Environnement, accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011 : "Le principe consiste à introduire dans la membrane filtrante qui fait quelques dizaines de micromètres d'épaisseur des nanoparticules hydrophiles (de l'ordre de quelques %). Cette "charge" dispersée de façon homogène qui va faciliter le passage de l'eau, permettra de réduire les pressions et donc de diminuer les consommations énergétiques d'un procédé qui est relativement énergivore au départ. Les nanoparticules sont dans la matrice (...). Ce type de produit qui arrive sur le marché maintenant est en cours d'évaluation à l'échelle industrielle par nos équipes de R&D et nous avons un partenariat pour la commercialisation de ces nouvelles membranes sur le marché du dessalement. Veolia est généralement ce que l'on qualifie d'un "end-user" qui sélectionne les membranes en fonction de leurs performances intrinsèques pour une application donnée. Dans le cas du dessalement par osmose inverse, il est clair que cette nouvelle approche peut conduire à une nouvelle génération de membranes plus performantes ; les résultats d'évaluation des performances sont attendus dans le courant du premier trimestre 2011 et les premières utilisations pour le dessalement d'eau de mer courant 2011. Dans les membranes, d'autres études sont en cours sur le développement de matériaux nanostructurés mais les développements sont en cours et les applications sont attendues pour plus tard, d'ici 5 à 10 ans."
Selon le fabricant, les nanoparticules ne présentent pas de risques pour la qualité de l'eau : cf. sa FAQ : "Do nanoparticles pose any potential risks to water quality?
No. LG NanoH2O's QuantumFlux membrane elements are completely safe for the treatment of potable water. The Qfx SW 365 ES, Qfx SW 400 ES, Qfx SW 400 SR and Qfx SW 400 R are all NSF Standard 61 certified, which means that they have been independently evaluated by NSF International, the global organization that provides standards development, product certification, auditing, education and risk management for public health and safety. NSF Standard 61 certification attests to the safety and viability of the Qfx SW 365 ES, Qfx SW 400 ES, Qfx SW 400 SR and Qfx SW 400 R membrane elements when used in the production of drinking water."


4 - Cf. Dessaler l'eau de mer avec des filtres à l'échelle nano, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, 29 mars 2018

5 - Voir par exemple :

6 - Entretien de M. Hervé Suty, Directeur général des Centres de recherche de Veolia Environnement, accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011 : "On peut également utiliser des nanopoudres deTiO2 (libres ou fixées), pour la photocatalyse et l'élimination de polluants mais aussi des nanopoudres adsorbantes (charbon actif ou autres), qui vont permettre des éliminations sélectives de certains polluants par transfert et non plus par dégradation.
Nous travaillons là encore avec des laboratoires du domaine public mais aussi des fabricants industriels pour mettre au point de nouvelles technologies et arriver à des procédés intensifs de traitement. Ces procédés doivent répondre à un certain nombre de critères de performance sur des considérations technico-économiques mais ils doivent également s'inscrire dans une démarche de développement durable et apporter un plus par rapport aux technologies actuelles sur ces aspects. Le devenir des polluants éliminés avec la formation de sous produits par exemple mais aussi celui des nanoparticules dans leur mise en œuvre sont deux aspects critiques de ces recherches.
Typiquement dans le domaine de l'oxydation qui a été très étudié dans les 30 dernières années avec un développement industriel tout relatif, les nanotechnologies peuvent être de nature à repositionner certains procédés de façon favorable en levant des verrous jusqu'à lors rédhibitoires. (...) Pour les matériaux nanostructurés le gain, le rapport coût/bénéfice, n'est pas encore atteint. Par contre pour les matériaux incorporant des nanoparticules, comme les membranes pour lesquelles une poudre est dispersée dans une matrice polymèrique, c'est justifié et ceci d'autant plus si la durée de vie des produits est améliorée. La durée de vie des membranes est en générale de l'ordre de 5 ans, si on peut les faire durer 10 ou 15ans cela devient vraiment très intéressant."


7 - Devenir de polluants émergents lors d'un traitement photochimique ou photocatylitique sous irradiation solaire, thèse de Vanessa Maroga Mboula, Ecole des Mines de Nantes, 2012

8 - Voir les projets de recherche du département Génie d'élaboration de membranes inorganiques photocatalytiques de l'Institut européen des membranes (IEM) de Montpellier (CNRS, UM2, ENSCM) pour élaborer des membranes à base de nanoparticules de dioxyde de titane afin de développer des systèmes de couplage entre la séparation membranaire et la dégradation photocatalytique de polluants pour le traitement d'eaux usées

9 - Voir par exemple :
- Mat baits, hooks and destroys pollutants in water, Rice University, mars 2018 : "The mat depends on the ability of a common material, titanium dioxide, to capture pollutants and, upon exposure to light, degrade them through oxidation into harmless byproducts"
- Des nanoparticules pour soigner... les cours d'eau et les sols contaminés, Le Soleil (Canada), juillet 2015
- Un nanomatériau pour dégrader les perturbateurs endocriniens, Le Journal de l'Environnement, novembre 2014

10 - Cf. notamment :

Fiche initialement créée en février 2015
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