Des catalyseurs performants pour le traitement des eaux usées
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Face à l’accroissement du volume d’eaux usées et de leur toxicité grandissante, la photocatalyse est une solution prometteuse qui utilise la capacité des matériaux semiconducteurs à absorber la lumière pour produire des réactions chimiques et dégrader des polluants. La photocatalyse permet de traiter et de détruire certains contaminants présents dans l’eau comme les antibiotiques ou les hormones et autres perturbateurs endocriniens. Ceux-ci sont connus pour leurs effets néfastes sur la faune et la flore. En raison des technologies utilisées dans les stations d’épuration, le traitement des eaux usées est incomplet et ces polluants sont rejetés tels quels. Grâce à l’utilisation de catalyseurs innovants, nous souhaitons améliorer l’intégration de cette technologie dans les stations d’épuration. Aussi, nous veillons à utiliser des méthodes de production compatibles avec l’industrie afin de permettre une production à grande échelle des matériaux proposés.
La photocatalyse, comment ça fonctionne ?
Dans le traitement des eaux usées, le but de la photocatalyse est de transformer les polluants présents dans l’eau en substances inoffensives : on parle de dégradation des polluants. Pour cela, on utilise des catalyseurs, c’est-à-dire des matériaux semiconducteurs capables d’absorber la lumière et de générer des paires d’électrons-trous. Si elles atteignent la surface du catalyseur pour rentrer en contact avec le liquide à traiter, ces paires peuvent alors participer à des réactions chimiques et ainsi dégrader les polluants.
Quels sont les défis pour la photocatalyse ?
En pratique, la photocatalyse présente certains défis, liés avant tout aux propriétés intrinsèques des matériaux semi-conducteurs employés comme catalyseurs.
Premièrement, la plupart des catalyseurs performants utilisés aujourd’hui, tels que le dioxyde de titane ou l’oxyde de zinc, sont capables de générer des paires d’électrons-trous uniquement lorsqu’ils absorbent des rayons ultraviolets (UV). Ces rayons dangereux pour l’Homme ne représentent que 3 à 5 % des radiations solaires qui atteignent la surface terrestre. Par conséquent, l’efficacité de ces matériaux est limitée en présence de lumière naturelle. Une solution consiste à utiliser de grands réacteurs exposés à des lampes UV. Néanmoins, l’utilisation de sources UV chères, contraignantes et dangereuses pour les opérateurs limite considérablement l’intégration de ces matériaux dans les stations d’épuration.
Deuxièmement, afin de faciliter le contact des paires d’électrons-trous avec l’eau et ainsi maximiser l’effet de photocatalyse, il faut limiter la taille des catalyseurs. On utilise alors des catalyseurs sous forme de particules microscopiques, voire nanométriques, le plus souvent en suspension. Une fois la photocatalyse effectuée, il est essentiel de récupérer ces particules afin d’obtenir une eau traitée exempte de contaminants et d’assurer un coût de traitement compétitif. Or, cette contrainte complique l’intégration de ces matériaux à grande échelle.
Nos stratégies pour améliorer la photocatalyse
Dans le cadre de nos recherches, nous proposons des méthodologies simples et compatibles avec l’industrie, permettant de se passer de sources UV et de procédures de récupération [1] [2]. Pour ce faire, nous concentrons nos efforts sur la ferrite de bismuth ou le BiFeO3 (BFO), qui est un matériau capable d’absorber la lumière visible. Grâce à l’électrofilage, nous synthétisons des membranes composées de fibres de BFO. Contrairement aux particules en suspension traditionnellement employées, celles-ci sont solidement attachées à une lamelle de verre. Cette approche nous permet de nous affranchir de la contrainte de récupération du catalyseur après la dégradation des polluants.
Figure 1 – Bécher contenant de la rhodamine B et une membrane de fibres de BFO. Les bulles sont le résultat des réactions chimiques qui interviennent à la surface de la membrane.
Nous avons également démontré que la taille et le temps de dépôt des fibres de BFO doivent être optimisés afin d’obtenir une dégradation optimale du polluant. Dans nos études, la molécule polluante considérée est un colorant appelé rhodamine B, souvent utilisé pour suivre les écoulements d’eau et nocif pour les organismes aquatiques. Nous démontrons que 92 % de la concentration initiale du polluant est dégradée en 2 h 30 sous une lumière artificielle dépourvue d’UV. L’efficacité se maintient au-dessus de 80 % de dégradation de rhodamine B après cinq cycles d’utilisation et l’intégrité physique de la membrane est préservée à plus de 99 %.
Plus important encore, cette membrane est écologique, car elle met en jeu un matériau biocompatible et nécessite 100 fois moins de matériau par rapport à l’état de l’art pour des performances de dégradation similaires. Fabriquée par des techniques déjà éprouvées en industrie, cette membrane laisse espérer un déploiement à grande échelle de la membrane développée. Une seconde membrane tout aussi efficace a également été produite par sérigraphie lors de nos recherches. Nous avons synthétisé des poudres de BFO sur lesquelles nous faisons grandir un autre semiconducteur. Cette membrane bénéficie d’une synergie entre les deux matériaux et présente une autre solution qui permet d’éviter la récupération des catalyseurs à la fin de la dégradation des polluants.
Figure 2 – Schéma du montage expérimental utilisé
Perspectives
À la suite de la publication de ces résultats, nous poursuivons nos efforts afin de produire des membranes encore plus performantes. En particulier, nous étudions la synergie entre les fibres de BFO et des nanoparticules de dioxyde de titane. Nous avons obtenu des résultats préliminaires prometteurs. Afin de valider notre travail à plus grande échelle, la dégradation de différents polluants impliquant des volumes à traiter plus importants est à envisager.
Information supplémentaire
Pour plus d’information sur nos recherches, consulter les articles suivants :
Fourmont, P., Nechache, R., & Cloutier, S. G. (2021). Reusable BiFeO3 Nanofiber-Based Membranes for Photo-activated Organic Pollutant Removal with Negligible Colloidal Release. ACS Applied Nano Materials, 4(11), 12261-12269.
Fourmont, P., & Cloutier, S. G. (2022). Screen-printed p–n BiOCl/BiFeO3 heterojunctions for efficient photocatalytic degradation of Rhodamine B. RCS Advances, 9, 24868-24875.
