Nanotechnologies pour l’analyse et le traitement de l’eau

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

Par l’équipe AVICENN – Dernier ajout novembre 2020

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. 
Trois domaines d’application des nanotechnologies au domaine de l’eau peuvent être distingués :

  • La détection des contaminants dans l’eau
  • La purification de l’eau
  • Dépollution et remédiation des sols et des eaux

Devant ces potentielles innovations, se pose la prise en compte des risques associés aux nanomatériaux utilisés. Ce domaine d’application peut résulter en l’augmentation de la présence de nanomatériaux manufacturés dans les eaux et nappes phréatiques.

Se pose également la question du 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 dans l’eau

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’identification spécifique aussi bien en analyse chimique que microbiologique »1Entretien de M. Hervé Suty, Directeur général des Centres de recherche de Veolia Environnement, accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011.

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 nanorevêtements2Voir notamment:
    – Un projet de nanofiltration pour réduire les rejets en micropolluants du site SOTREMO a été déployé au Mans
    – Suez Environnement a ainsi participé à un projet de recherche européen NAMATECH (2009-2012) sur l’utilisation de nanoparticules pour des membranes « particulièrement prometteuses » cf Entretien de Mme Zdravka Doquang, Responsable Pôle Analyse et Santé au CIRSEE (Suez Environnement), accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011
    – 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’eau
    – des chercheurs français et américains ont mis au point des « tamis nanoscopiques » cf Cf. Dessaler l’eau de mer avec des filtres à l’échelle nano, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, 29 mars 2018
    – 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
  • des 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)3Voir par exemple : – Des éponges en nanocellulose contre les marées noiresIndustrie et Technologie, 9 décembre 2014. Mise au point par deux chercheurs, Gilles Sèbe du LCPO de l’université de Bordeaux 1 et Philippe Tingaut, de l’Empa près de Zurich, lauréats pour cette éponge du Prix des techniques innovantes du salon Pollutec.
    Low energy water purification enabled by nanomaterial-coated spongesScience for Environment Policy, février 2015 (article académique : Conducting nanosponge electroporation for affordable and highefficiency disinfection of bacteria and viruses in water, Liu, C et al., Nano Letters, 13(9): 4288-93, 2013)
    .

La dissolution chimique des polluants par oxydation

Ceci avec 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.

Des projets de recherche en cours..
  • 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 incertaines4Entretien 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. ».
  • Des recherches ont été menées ou sont toujours en cours :
    – au laboratoire GEPEA (Ecole des Mines de Nantes)5Devenir de polluants émergents lors d’un traitement photochimique ou photocatylitique sous irradiation solaire, thèse de Vanessa Maroga Mboula, Ecole des Mines de Nantes, 2012
    – à l’Institut européen des membranes de Montpellier6Voir 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..
  • D’autres recherches sont menées dans beaucoup d’autres pays7– 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 endocriniensLe Journal de l’Environnement, novembre 2014
    .

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 domaine8Cf. notamment :
– Des chercheurs iraniens et finlandais ont mis au point une méthode à base de nanoparticules d’oxyde de fer pour retirer le nitrate et le nitrite de l’eau : cf. Scientists Present Simple Method to Eliminate Nitrate, Nitrite from Water, Soil, Iran Nanotechnology Initiative Council, février 2015
– Des chercheurs de la Rice University aux Etats-Unis ont utilisé des nanoparticules de rouille (dioxyde de fer) pour extraire l’arsenic de l’eau : cf. Low-Field Magnetic Separation of Monodisperse Fe3O4 Nanocrystals, Yavuz C T et al. Science, 2006
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Ou encore l’élimination des bactéries, par l’utilisation de nanoparticules métalliques (nanoparticules d’argent ou de cuivre) aux propriétés antibactériennes9Cf Projet de recherche : NanoSELECT : Des nanomatériaux biologiques pour purifier l’eau, Suède, FP7 ; http://www.cordis.europa.eu/result/rcn/165353_en.html et Voir aussi : Hymag’in, une start-up française qui fabrique des nanoparticules de magnétite pour purifier de l’eau contaminée.

La désalinisation est aussi un enjeu important10Voir notamment
– 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.
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Dépollution et remédiation

Selon une étude réalisée pour l’Ademe en 2010, le marché de la dépollution était de 470 millions d’euros. Une piste de solution serait d’utiliser des nanoparticules de fer pour dépolluer les sols. De 2009 à 2012, le projet de recherche NanoFreezes a mobilisé les efforts de chercheurs du CNRS, de l’INERIS et du CEREGE.

Des chercheurs du Gisfi (Groupement d’intérêt scientifique sur les friches industrielles) ont réitéré en mars 2019 l’intérêt de la nanoremédiation. Plusieurs nanomatériaux11Tel que les nano-zéolites, les oxydes métalliques, les nanotubes et nanofibres de carbone, les enzymes et différents métaux nobles (principalement des nanoparticules bimétalliques de Fe/Pd ou Fe/Pt) et le dioxyde de titane… ont été explorés dans un but de remédiation, mais les nanoparticules de fer restent les plus utilisées. Elles permettent de décontaminer des eaux et des sols chargés en composés chlorés, qui figurent parmi les polluants les plus répandus. Elles peuvent être injectées dans les nappes et mélangées à des sols, jusqu’à des profondeurs d’une douzaine de mètres. En France, comme au Canada, des études sont financées12Voir notamment:
– Les études continuent avec le Gisfi, la région Grand Est et quatre partenaires européens (Finlande, Grèce, Hongrie et Italie) dans un programme TANIA TreAting contamination through NanoremedIAtion (1 285 735 € pour des travaux de janvier 2017 à décembre 2021).
– Au Canada, l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) et l’Université de Montréal ont reçu en 2021 une subvention de 338 688 dollars du ministère de l’Économie et de l’Innovation, pour un projet novateur de décontamination des eaux à base de nanomatériaux, via le développement de nouveaux procédés électro-catalytiques avancés (ECA). 
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En utilisant des membranes de nanocellulose et/ou de nanochitine, il serait possible de procéder à l’élimination de bactéries dans l’eau13Cf le projet de recherche : NanoSELECT : Des nanomatériaux biologiques pour purifier l’eau, Suède, FP7. De même, une start-up francaise fabrique et fait la promotion de la nano-magnétite pour traiter les eaux et dépolluer les sols. .

Les auteurs soulignent cependant les incertitudes sur les risques, « les barrières à franchir d’ordre réglementaire et concernant l’acceptabilité de ces techniques par les entreprises, les clients, les élus et le public« .  L’introduction des ZVI nanométriques dans l’environnement peut présenter un risque pour les micro-organismes qui sont la base de la chaîne alimentaire. Les facteurs et processus affectant l’écotoxicité sont complexes et l’impact potentiel des nanoparticules manufacturées sur l’environnement et sur la santé humaine reste aujourd’hui peu décrit. Afin de prévenir tout impact négatif de la nanoremédiation sur l’environnement, il est indispensable de mener une évaluation appropriée, incluant des études avec ces nanoparticules à l’échelle de l’écosystème. Il reste essentiel d’imposer une analyse bénéfices-risques.

Une remarque, une question ? Cette fiche réalisée par AVICENN a vocation à être complétée et mise à jour. N'hésitez pas à apporter votre contribution.

Les prochains RDV nanos

13
Déc.
2022
Nanotechnologies, virage ou mirage ? (FCE CFDT, Paris)
Paris
  • « Quelles démarches de prévention pour limiter les risques ? »
  • Journée Santé Travail sur l’impact des nanotechnologies sur la santé
  • Organisateur : Fédération Chimie Energie (FCE) de la CFDT
  • Intervenants : FCE, INRS, AVICENN
  • Site internet : www.fce.cfdt.fr/…
31
Jan.
2023
Future-proof Approaches for Risk Governance – Lessons Learned from Nanomaterials (NANORIGO, RiskGONE & Gov4Nano, en ligne)
En ligne
Conférence
  • Conférence
  • Sujet : « future challenges in risk governance of nano- & advanced materials. This includes safe- and sustainable by design (SSbD) and harmonisation and standardisation »
  • Organisateurs : NANORIGO, RiskGONE et Gov4Nano, en collaboration avec le « Working Party on Manufactured Nanomaterials » de l’OCDE
  • Site internet : www.eventbrite.com/…
5
Juin
2023
NanoSafe conference 2023 (CEA, Grenoble)
Grenoble
Conférence
  • 8ème conférence internationale sur les questions sanitaires pour une approche responsable des nanomatériaux
  • Du 5 au 9 juin 2023
  • Organisateur : Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
  • Site internet : www.cea.fr/cea-tech/pns/nanosafe/…  

Cette fiche a été initialement créée en février 2019


Notes & références

  • 1
    Entretien de M. Hervé Suty, Directeur général des Centres de recherche de Veolia Environnement, accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011
  • 2
    Voir notamment:
    – Un projet de nanofiltration pour réduire les rejets en micropolluants du site SOTREMO a été déployé au Mans
    – Suez Environnement a ainsi participé à un projet de recherche européen NAMATECH (2009-2012) sur l’utilisation de nanoparticules pour des membranes « particulièrement prometteuses » cf Entretien de Mme Zdravka Doquang, Responsable Pôle Analyse et Santé au CIRSEE (Suez Environnement), accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011
    – 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’eau
    – des chercheurs français et américains ont mis au point des « tamis nanoscopiques » cf Cf. Dessaler l’eau de mer avec des filtres à l’échelle nano, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, 29 mars 2018
    – 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 +
  • 3
    Voir par exemple : – Des éponges en nanocellulose contre les marées noiresIndustrie et Technologie, 9 décembre 2014. Mise au point par deux chercheurs, Gilles Sèbe du LCPO de l’université de Bordeaux 1 et Philippe Tingaut, de l’Empa près de Zurich, lauréats pour cette éponge du Prix des techniques innovantes du salon Pollutec.
    Low energy water purification enabled by nanomaterial-coated spongesScience for Environment Policy, février 2015 (article académique : Conducting nanosponge electroporation for affordable and highefficiency disinfection of bacteria and viruses in water, Liu, C et al., Nano Letters, 13(9): 4288-93, 2013)
  • 4
    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. »
  • 5
    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
  • 6
    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.
  • 7
    – 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 endocriniensLe Journal de l’Environnement, novembre 2014
  • 8
    Cf. notamment :
    – Des chercheurs iraniens et finlandais ont mis au point une méthode à base de nanoparticules d’oxyde de fer pour retirer le nitrate et le nitrite de l’eau : cf. Scientists Present Simple Method to Eliminate Nitrate, Nitrite from Water, Soil, Iran Nanotechnology Initiative Council, février 2015
    – Des chercheurs de la Rice University aux Etats-Unis ont utilisé des nanoparticules de rouille (dioxyde de fer) pour extraire l’arsenic de l’eau : cf. Low-Field Magnetic Separation of Monodisperse Fe3O4 Nanocrystals, Yavuz C T et al. Science, 2006
  • 9
    Cf Projet de recherche : NanoSELECT : Des nanomatériaux biologiques pour purifier l’eau, Suède, FP7 ; http://www.cordis.europa.eu/result/rcn/165353_en.html et Voir aussi : Hymag’in, une start-up française qui fabrique des nanoparticules de magnétite pour purifier de l’eau contaminée
  • 10
    Voir notamment
    – 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.
  • 11
    Tel que les nano-zéolites, les oxydes métalliques, les nanotubes et nanofibres de carbone, les enzymes et différents métaux nobles (principalement des nanoparticules bimétalliques de Fe/Pd ou Fe/Pt) et le dioxyde de titane…
  • 12
    Voir notamment:
    – Les études continuent avec le Gisfi, la région Grand Est et quatre partenaires européens (Finlande, Grèce, Hongrie et Italie) dans un programme TANIA TreAting contamination through NanoremedIAtion (1 285 735 € pour des travaux de janvier 2017 à décembre 2021).
    – Au Canada, l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) et l’Université de Montréal ont reçu en 2021 une subvention de 338 688 dollars du ministère de l’Économie et de l’Innovation, pour un projet novateur de décontamination des eaux à base de nanomatériaux, via le développement de nouveaux procédés électro-catalytiques avancés (ECA). 
  • 13
    Cf le projet de recherche : NanoSELECT : Des nanomatériaux biologiques pour purifier l’eau, Suède, FP7. De même, une start-up francaise fabrique et fait la promotion de la nano-magnétite pour traiter les eaux et dépolluer les sols. 

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