Traitement de l'eau : Les nanoréservoirs captent les hormones stéroïdes

Au IAMT forscht Dr. Siqi Liu an elektrochemischer Oxidation und Membrantrennung zur Wasseraufbereitung. (Foto : IAMT, KIT)

Les hormones stéroïdes font partie des contaminants micro-organiques les plus répandus dans l’eau. Elles nuisent à la santé humaine et perturbent l’équilibre écologique des eaux. Au Karlsruhe Institute of Technology (KIT), des chercheuses ont étudié le fonctionnement de la dégradation des hormones stéroïdes dans un réacteur membranaire électrochimique à membrane en nanofibres de carbone. Elles ont constaté que l’adsorption des hormones stéroïdes sur les nanofibres de carbone n’entrave pas leur dégradation ultérieure. Les scientifiques rendent compte de leur étude dans Nature Communications (DOI : 10.1038/s41467-024-52730-7).

Fournir une eau propre aux populations du monde entier constitue l’un des grands défis du présent et de l’avenir. Dans les eaux usées, on trouve diverses microcontaminations, c’est-à-dire des substances organiques et inorganiques présentes à faibles concentrations, mais pouvant néanmoins avoir des effets nocifs sur l’homme et l’environnement. Les substances ayant une activité endocrinienne, c’est-à-dire pouvant affecter le système hormonal, présentent des risques particuliers, comme par exemple les hormones stéroïdes. Celles-ci sont notamment largement répandues dans les médicaments et les contraceptifs. Elles sont difficiles à détecter dans l’eau, mais peuvent perturber gravement la santé humaine et l’équilibre écologique des eaux.

L’oxydation permet la dégradation des microcontaminations

Les méthodes classiques de traitement de l’eau ne permettent ni de détecter ni d’éliminer les hormones stéroïdes. Une approche plus avancée, l’oxydation électrochimique (OE), est de plus en plus reconnue : les systèmes d’OE se composent d’une anode et d’une cathode, reliées à une source de courant externe. L’énergie électrique des électrodes est modulée, ce qui entraîne une oxydation à la surface de l’anode et la dégradation des contaminants. Les réacteurs membranaires électrochimiques (EMR) exploitent encore plus efficacement les possibilités de l’OE : une membrane conductrice sert d’électrode en flux, améliorant le transport des substances. De plus, les sites actifs pour les molécules réactives sont entièrement accessibles.

Les nanofibres de carbone possèdent des propriétés physiques et chimiques uniques

Des chercheuses du Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) du KIT, en collaboration avec des scientifiques de l’Université de Californie à Los Angeles et de l’Université hébraïque de Jérusalem, ont désormais approfondi la compréhension des mécanismes complexes dans les EMR : comme le rapportent les chercheurs dans l’édition spéciale « Water Treatment and Harvesting » de la revue Nature Communications, ils ont étudié la dégradation des microcontaminations d’hormones stéroïdes dans un EMR doté d’une membrane en nanofibres de carbone. Les nanofibres de carbone (Carbon Nanotubes, CNT) ont un diamètre nanométrique et possèdent des propriétés physiques et chimiques uniques : « Leur haute conductivité permet un transfert efficace d’électrons », explique Andrea Iris Schäfer, professeure en techniques de traitement de l’eau et directrice de l’IAMT du KIT. « Grâce à leur nanostructure, les CNT disposent d’une surface exceptionnellement grande, offrant un potentiel énorme pour l’adsorption de diverses substances organiques, ce qui facilite les réactions électrochimiques ultérieures. »

Dans leur étude, les chercheurs ont examiné avec des méthodes analytiques de pointe l’interaction complexe entre adsorption et désorption, réactions électrochimiques et formation de sous-produits dans un EMR. « Nous avons constaté que l’adsorption préalable des hormones stéroïdes, c’est-à-dire leur accumulation à la surface des CNT, n’entrave pas leur dégradation ultérieure », rapporte le Dr Siqi Liu, post-doctorante à l’IAMT. « Nous attribuons cela à leur adsorption rapide et à un transport efficace des substances. » La démarche analytique de l’étude facilite également la détermination des facteurs limitant la dégradation des hormones et des conditions changeantes. « Notre recherche clarifie certains mécanismes fondamentaux dans les réacteurs membranaires électrochimiques et fournit des connaissances précieuses pour le développement de stratégies électrochimiques visant à éliminer les microcontaminations dans l’eau », résume Schäfer. (or)

Publication originale :

Siqi Liu, David Jassby, Daniel Mandler, Andrea I. Schäfer : Différenciation de l’adsorption et de la dégradation dans l’élimination des micropolluants hormonaux stéroïdes par membrane en nanotubes de carbone électrochimique. Nature Communications, 2024. DOI : 10.1038/s41467-024-52730-7