Traitement de l'eau : la lumière aide à décomposer les hormones

Installation de filtration membranaire photocatalytique avec simulateur solaire. Les membranes sont recouvertes de dioxyde de titane. (Photo : Markus Breig, KIT)

En cas de microcontaminations dans l’eau, il s’agit souvent d’hormones qui s’accumulent dans l’environnement et peuvent avoir des effets négatifs sur les humains et les animaux. Des chercheurs de l’Institut de Technologie de Karlsruhe (KIT) et de l’Institut Leibniz pour la modification de surfaces (IOM) à Leipzig ont développé une méthode de dégradation photocatalytique de ces contaminants lors du passage à travers des membranes en polymère, présentée dans la revue Nature Nanotechnology. Par irradiation avec de la lumière, déclenchant une réaction chimique, les hormones stéroïdes sont décomposées sur des membranes recouvertes de dioxyde de titane.

Partout où vivent des humains, des hormones, telles qu’utilisées dans les médicaments contraceptifs et en agriculture, entrent dans les eaux usées. Les hormones stéroïdes, comme les hormones sexuelles et les corticostéroïdes, peuvent s’accumuler dans l’environnement et avoir des effets négatifs sur les humains et les animaux, en affectant le développement comportemental et la fertilité. Par exemple, les hormones sexuelles peuvent conduire à ce que des poissons mâles développent des caractéristiques femelles. Il est donc d’autant plus important, parmi d’autres microcontaminations, d’éliminer ces hormones des eaux usées avant qu’elles ne retournent dans le cycle naturel de l’eau, dont provient l’eau potable. « Fournir de l’eau potable propre aux populations constitue l’un des défis majeurs du monde actuel », déclare la professeure Andrea Iris Schäfer, responsable de l’Institut de Technologie des Membranes Avancées (IAMT) du KIT. « Les substances toxiques en traces représentent une menace énorme pour notre avenir, car elles compromettent notre fertilité et la fonction cérébrale. »

Inspiration de la technologie des cellules solaires

Depuis des années, Schäfer s’intéresse au traitement de l’eau par nanofiltration. Pour cela, elle utilise des membranes en polymère avec des pores de taille nanométrique. Cependant, la nanofiltration fonctionne à haute pression et consomme donc beaucoup d’énergie. De plus, il peut arriver que des microcontaminations s’accumulent dans les matériaux des membranes en polymère et migrent lentement dans l’eau filtrée. Même si l’élimination des contaminants est complète, cela génère un flux de concentrés de substances toxiques qui doit être traité en aval.

Inspirée par la technologie des cellules solaires, à laquelle s’intéresse également le professeur Bryce S. Richards du KIT, Schäfer a eu l’idée de recouvrir les membranes en polymère de dioxyde de titane et de développer des membranes photocatalytiques : des nanoparticules de dioxyde de titane actives photocatalytiquement sont appliquées sur des membranes de microfiltration, dont les pores sont légèrement plus grands que ceux de la nanofiltration. Par irradiation avec une lumière déclenchant une réaction chimique, les hormones stéroïdes sont décomposées sur les membranes. Schäfer a ainsi concrétisé cette idée avec son équipe de l’IAMT du KIT et avec des collègues de l’Institut Leibniz pour la modification de surfaces (IOM) à Leipzig, en présentant cette nouvelle technologie dans la revue Nature Nanotechnology.

Catalyseur pour l’eau

« Nous avons en quelque sorte développé un catalyseur pour l’eau », résume Schäfer. Grâce aux membranes polymères photocatalytiques, il a été possible d’éliminer les hormones stéroïdes lors d’un passage continu, jusqu’à atteindre la limite de détection analytique de quatre nanogrammes par litre — des valeurs très proches d’un nanogramme par litre, conformément à la nouvelle directive de l’OMS sur l’eau potable. Les chercheurs travaillent à l’amélioration de leur technologie pour réduire le temps et l’énergie nécessaires, ainsi que pour permettre l’utilisation de la lumière naturelle. Mais surtout, la recherche vise à décomposer d’autres substances toxiques par photocatalyse, comme les produits chimiques industriels tels que les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) ou les pesticides comme le glyphosate. Un autre défi consiste à mettre cette technologie en œuvre à une échelle plus grande. (or)

Publication originale

Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze et Andrea I. Schäfer : Dégradation photocatalytique des micropolluants hormonaux stéroïdes par des membranes en polyéthersulfone recouvertes de TiO2 en flux continu. Nature Nanotechnology, 2022. DOI : 10.1038/s41565-022-01074-8

Résumé disponible sur https://www.nature.com/articles/s41565-022-01074-8

Pour en savoir plus sur la publication : https://engineeringcommunity.nature.com/posts/catalyst-for-water-removing-steroid-hormone-micropollutants-in-flow-through-photocatalytic-membrane