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Utiliser la lumière pour désinfecter l'eau
L'accès à l'eau potable est un problème constant pour les habitants des pays en développement. Et même les villes qui disposent de bons systèmes de traitement de l'eau recherchent de meilleurs moyens de fournir une eau plus sûre et plus propre. Aujourd'hui, une équipe de recherche internationale a mis au point un photocatalyseur qui promet une désinfection rapide et efficace de l'eau à l'aide de la lumière du soleil ou de la lumière artificielle. De plus, le photocatalyseur continue de fonctionner après l'extinction de la lumière, désinfectant l'eau même dans l'obscurité.
Devenir propre : Une micrographie montre la surface d'un catalyseur activé par la lumière qui désinfecte l'eau même dans l'obscurité. Des nanoparticules de palladium à la surface d'un oxyde de titane dopé à l'azote contribuent à prolonger le pouvoir de désinfection du catalyseur jusqu'à 24 heures.
On sait depuis longtemps que l'irradiation de l'eau avec de la lumière ultraviolette à haute intensité tue les bactéries. Certains filtres à eau conçus pour les campeurs et les randonneurs, par exemple, utilisent cette technologie. Les chercheurs ont travaillé pour améliorer l'efficacité de la méthode en ajoutant un photocatalyseur qui est activé par la lumière UV et génère des composés chimiques réactifs qui décomposent les microbes en dioxyde de carbone et en eau.
Le nouveau photocatalyseur améliore cela en utilisant de la lumière visible plutôt que UV. Synthétisé par Jian Ku Shang , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois, à Urbana-Champaign, et ses collègues, le photocatalyseur fonctionne avec la lumière dans le spectre visible – des longueurs d'onde comprises entre 400 et 550 nanomètres. Il se compose de fibres d'oxyde de titane, un matériau couramment utilisé comme pigment blanc, dopés à l'azote pour lui permettre d'absorber la lumière visible. Seul, l'oxyde de titane dopé à l'azote tue les bactéries, mais pas efficacement. Les chercheurs ont ajouté des nanoparticules de palladium à la surface des fibres, augmentant considérablement l'efficacité de la désinfection. Lui et ses collègues du Laboratoire national de Shenyang pour les sciences des matériaux en Chine ont publié leurs travaux en ligne dans le Journal de la chimie des matériaux .
Il serait très agréable de déplacer l'activité des matériaux [photocatalyseurs] traditionnels, qui n'étaient activés que par le rayonnement ultraviolet, vers le visible, explique Alexander Orlov, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Stony Brook de New York. Si vous regardez le spectre solaire, il ne contient que 5 pour cent d'ultraviolets et environ 46 pour cent de visible. De tels photocatalyseurs permettraient à l'énergie solaire d'être utilisée plus efficacement ainsi qu'à l'intérieur, puisque l'éclairage fluorescent contient très peu de lumière ultraviolette.
Shang et ses collègues ont testé le photocatalyseur en le plaçant dans une solution contenant une forte concentration de E. coli bactéries, puis éclairer une lampe de bureau halogène sur la solution pendant des durées variables. Au bout d'une heure, la concentration de bactéries est passée de 10 millions de cellules par litre à une seule cellule pour 10 000 litres.
Les chercheurs ont également testé la capacité du photocatalyseur à désinfecter dans l'obscurité. Ils ont éclairé les fibres pendant 10 heures pour simuler l'exposition à la lumière du jour, puis les ont stockées dans l'obscurité pendant plusieurs durées. Même après 24 heures, le photocatalyseur tuait toujours les bactéries. En fait, quelques minutes d'éclairage suffisaient pour maintenir le photocatalyseur activé pendant cette durée.
En règle générale, lorsque vous avez un photocatalyseur, l'activité s'arrête presque instantanément lorsque la lumière est éteinte, explique Shang. Les espèces chimiques que vous générez ne dureront que quelques nanosecondes. Il s'agit d'un inconvénient intrinsèque d'un système photocatalytique, car vous avez besoin d'une activation lumineuse pratiquement tout le temps.
Les nanoparticules de palladium augmentent la puissance du photocatalyseur de deux manières. Lorsque les photons frappent le matériau, ils créent des paires de charges positives et négatives – des trous et des électrons. Les trous chargés positivement à la surface de l'oxyde de titane dopé à l'azote réagissent avec l'eau pour produire des radicaux hydroxyles, qui attaquent ensuite les bactéries. Ce que font les nanoparticules de palladium, c'est qu'elles attrapent les électrons, de sorte que la plupart des trous que vous produisez pourront survivre sans être neutralisés par les électrons, explique Shang.
Dès qu'elles attrapent les électrons, les nanoparticules entrent dans un état chimique différent et stockent les charges négatives. Lorsque la lumière est éteinte, cette charge se libère lentement, et cette libération lente est ce qui nous donne cet effet mémoire, dit Shang. Cette charge peut réagir avec les molécules d'eau pour produire à nouveau des agents oxydants. Il dit que les nanoparticules d'autres métaux de transition, comme l'argent, améliorent également l'efficacité du photocatalyseur.
Le photocatalyseur offre la possibilité de désinfecter à pleine puissance pendant la journée puis de continuer à travailler la nuit ou lors de pannes de courant. De plus, comme la désinfection se produit rapidement, les systèmes pourraient être conçus pour nettoyer de grands volumes d'eau en l'exposant à la lumière lorsque l'eau s'écoule dans les tuyaux, explique Shang.