Un nouveau matériau de filtration pourrait éliminer les produits chimiques persistants de l'eau

Les membranes à base de soie naturelle et de cellulose peuvent éliminer de nombreux contaminants, notamment les « produits chimiques éternels » et les métaux lourds.

La contamination de l’eau par les produits chimiques utilisés dans les technologies actuelles est un problème mondial en pleine croissance. Une  étude récente menée par les Centres américains pour le contrôle et la prévention des maladies a révélé que 98 % des personnes testées présentaient des niveaux détectables de PFAS, une famille de composés particulièrement persistants, également connus sous le nom de « produits chimiques éternels », dans leur circulation sanguine.

Un nouveau matériau de filtration développé par des chercheurs du MIT pourrait apporter une solution naturelle à ce problème de contamination tenace. Ce matériau, à base de soie et de cellulose naturelles, peut éliminer une grande variété de ces produits chimiques persistants ainsi que les métaux lourds. De plus, ses propriétés antimicrobiennes peuvent aider à empêcher l'encrassement des filtres.

Les résultats sont décrits dans la revue ACS Nano , dans un article rédigé par Yilin Zhang, postdoctorante au MIT, Benedetto Marelli, professeur de génie civil et environnemental, et quatre autres personnes du MIT.

Les PFAS sont présents dans une large gamme de produits, notamment les cosmétiques, les emballages alimentaires, les vêtements imperméables, les mousses anti-incendie et les revêtements antiadhésifs pour ustensiles de cuisine. Une étude récente a identifié 57 000 sites contaminés par ces produits chimiques aux États-Unis seulement. L'Agence américaine de protection de l'environnement a estimé que l'assainissement des PFAS coûterait 1,5 milliard de dollars par an, afin de respecter  la nouvelle réglementation qui impose de limiter la concentration de ce composé à moins de 7 parties par billion dans l'eau potable.

La contamination par les PFAS et autres composés similaires « est en réalité un problème très grave, et les solutions actuelles ne peuvent résoudre ce problème que partiellement de manière très efficace ou économique », explique Yilin Zhang. « C'est pourquoi nous avons mis au point cette solution entièrement naturelle à base de protéines et de cellulose », explique-t-il.

« Nous sommes arrivés à ce projet par hasard », explique Benedetto Marelli. La technologie initiale qui a rendu possible le matériau de filtration a été développée par son groupe dans un but totalement différent : créer un système d’étiquetage pour contrer la propagation de semences contrefaites, souvent de qualité inférieure. Son équipe a mis au point un moyen de transformer les protéines de soie en cristaux nanométriques uniformes, ou « nanofibrilles », grâce à une méthode de moulage par goutte à l’eau respectueuse de l’environnement, à température ambiante.

Yilin Zhang a suggéré que leur nouveau matériau nanofibrillaire pourrait être efficace pour filtrer les contaminants, mais les premières tentatives avec les nanofibrilles de soie seules n'ont pas fonctionné. L'équipe a décidé d'essayer d'ajouter un autre matériau : la cellulose, qui est abondamment disponible et peut être obtenue à partir de déchets de pâte de bois agricole. Les chercheurs ont utilisé une méthode d'auto-assemblage dans laquelle la protéine de fibroïne de soie est suspendue dans l'eau, puis transformée en nanofibrilles en insérant des « graines » de nanocristaux de cellulose. Cela permet aux molécules de soie précédemment désordonnées de s'aligner le long des graines, formant la base d'un matériau hybride aux nouvelles propriétés distinctes.

En intégrant la cellulose dans les fibrilles à base de soie qui pourraient être formées en une fine membrane, puis en ajustant la charge électrique de la cellulose, les chercheurs ont produit un matériau très efficace pour éliminer les contaminants lors de tests en laboratoire.

En intégrant de la cellulose dans des fibrilles à base de soie qui pourraient être transformées en une fine membrane, puis en ajustant la charge électrique de la cellulose, les chercheurs ont produit un matériau très efficace pour éliminer les contaminants lors de tests en laboratoire. L'image montre un exemple du filtre.

Image : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Les chercheurs ont découvert que la charge électrique de la cellulose lui conférait également de fortes propriétés antimicrobiennes. Il s’agit d’un avantage considérable, car l’une des principales causes de défaillance des membranes de filtration est l’encrassement par des bactéries et des champignons. Les propriétés antimicrobiennes de ce matériau devraient réduire considérablement ce problème d’encrassement, affirment les chercheurs.

« Ces matériaux peuvent réellement rivaliser avec les matériaux standards actuels en matière de filtration de l’eau lorsqu’il s’agit d’extraire les ions métalliques et ces contaminants émergents, et ils peuvent même surpasser certains d’entre eux actuellement », lance Benedetto Marelli. Lors des tests en laboratoire, les matériaux ont pu extraire des ordres de grandeur supérieurs de contaminants de l’eau que les matériaux standards actuellement utilisés, le charbon actif ou le charbon actif granulaire.

Bien que ce nouveau travail serve de preuve de principe, souligne Benedetto Marelli, l'équipe prévoit de continuer à travailler sur l'amélioration du matériau, notamment en termes de durabilité et de disponibilité des matières premières. Bien que les protéines de soie utilisées puissent être disponibles en tant que sous-produit de l'industrie textile de la soie, si ce matériau devait être produit à plus grande échelle pour répondre aux besoins mondiaux en matière de filtration de l'eau, l'offre pourrait être insuffisante. En outre, d'autres matériaux protéiques pourraient s'avérer capables de remplir la même fonction à moindre coût.

Au départ, le matériau serait probablement utilisé comme filtre au point d’utilisation, quelque chose qui pourrait être fixé à un robinet de cuisine, assure Yilin Zhang. À terme, il pourrait être utilisé à plus grande échelle pour assurer la filtration des approvisionnements en eau municipaux, mais seulement après que des tests auront démontré que cela ne poserait aucun risque d’introduction de contamination dans l’approvisionnement en eau. Mais l’un des grands avantages de ce matériau, dit-il, est que les composants en soie et en cellulose sont considérés comme des substances de qualité alimentaire, de sorte qu’une contamination est peu probable.

« La plupart des matériaux disponibles aujourd’hui se concentrent sur une seule classe de contaminants ou résolvent des problèmes uniques », explique Yilin Zhang. « Je pense que nous sommes parmi les premiers à traiter tous ces problèmes simultanément. »

« Ce que j’aime dans cette approche, c’est qu’elle utilise uniquement des matériaux cultivés naturellement, comme la soie et la cellulose, pour lutter contre la pollution », explique Hannes Schniepp, professeur de sciences appliquées au College of William and Mary, qui n’a pas participé à ces travaux. « Dans les approches concurrentes, on utilise des matériaux synthétiques, qui ne nécessitent généralement qu’un peu plus de chimie pour lutter contre certains des effets indésirables produits par la chimie. [Ces travaux] brisent ce cycle ! […] Si ces produits peuvent être produits en masse de manière économiquement viable, cela pourrait avoir un impact majeur. »

https://news.mit.edu/2024/new-filtration-material-could-remove-long-lasting-water-chemicals-0906