Dégradation de nouveaux polluants par des membranes composées de nanofils en dioxyde de titane (TiO2) pendant le traitement de l’eau

Y. Norman Zhou, professeur, Université de Waterloo,

Enjeu

L’accroissement de la population urbaine a pour effet d’augmenter les volumes d’effluents d’eaux usées municipales, causant de nombreux défis pour les réseaux d’eau, surtout en ce qui concerne les produits pharmaceutiques et de soins personnels (PPSP). Les usines de traitement des eaux usées n’ont pas été conçues pour éliminer les PPSP de leurs effluents. Par conséquent, de nombreux résidus de ces produits ont été détectés dans les effluents, et ils se retrouvent éventuellement dans les plans d’eau de surface qui servent de source d’approvisionnement en eau potable non traitée. Étant donné la méfiance du public à l’égard de l’eau potable municipale depuis la tragédie de Walkerton, les gestionnaires municipaux sont préoccupés par la détection à large échelle de résidus de PPSP, même si ce n’est qu’en très petites concentrations. Les techniques traditionnelles utilisées pour désinfecter l’eau potable non traitée, comme la chloration, sont généralement inefficaces pour éliminer les PPSP, tandis que les méthodes de pointe, comme l’osmose inversée, sont très efficaces, mais couteuses.

De récentes avancées technologiques produisent de nouveaux matériaux ayant des propriétés tensioactives uniques qui pourraient aider à éliminer les PPSP des sources d’eau potable non traitée. Ce projet de recherche vise à déterminer si des nanofils en dioxyde de titane (TiO₂), structurés en membranes, peuvent mécaniquement filtrer, adsorber et dégrader divers PPSP.

Projet

L’objectif général du projet était de concevoir une nouvelle technologie de traitement de l’eau faisant appel à des membranes de nanofils de TiO₂, dans le but principal d’éliminer de nouveaux contaminants, comme les PPSP.

Pour développer cette technologie, l’équipe a cherché à décrire les seuils de rétention fournis par la filtration mécanique, à évaluer la capacité du TiO₂ d’altérer les réactions chimiques avec la lumière ultraviolette (UV) et évaluer l’efficacité du TiO₂ pour éliminer un sous-ensemble de PPSP. Les chercheurs ont réalisé une série d’expériences pour déterminer l’augmentation de la structure des membranes de nanofils, ce qui impliquait la caractérisation de la porosité. Les taux d’élimination des PPSP par les membranes de nanofils de TiO₂ ont été établis avec et sans la lumière UV et comparés aux pratiques commerciales actuelles. Les résultats ont démontré que la dégradation par le TiO₂ avec induction UV est un mécanisme viable pour éliminer les PPSP.

La recherche en cours se fait sur un ensemble plus large de PPSP ayant diverses propriétés chimiques et physiques en vue de mieux comprendre les mécanismes de dégradation. Cela permettra ensuite de déterminer si les PPSP sont complètement minéralisés ou bien s’ils se dégradent simplement en composés plus petits qui pourraient conserver certaines de leurs propriétés biologiques originales.

Dans le cadre de ce projet, les études sur la manière dont les PPSP sont adsorbés en présence des membranes de nanofils ont aussi été concluantes. Les résultats probants obtenus indiquent que l’adsorption atteindrait un équilibre après 20 à 30 minutes. Plus récemment, les chercheurs se sont penchés sur les propriétés d’ultrafiltration des membranes de nanofils de TiO₂, étudiant particulièrement la façon dont les propriétés mécaniques peuvent être considérablement améliorées en ajoutant de l’argent au mélange.

Enfin, les chercheurs ont fait des progrès dans la conception d’un prototype de système de filtration en cycle fermé utilisant la lumière UV.

Produits

• En 2013, le projet intitulé « Removal of drinking water contaminants with innovative TiO₂ nanowire membranes » a obtenu une subvention de projet stratégique du CRSNG de trois ans.

• En février 2012, l’équipe de recherche a présidé la section intitulée « Nanotechnology in Water Treatment and Sampling Applications » lors de la 47^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, à Burlington. Quelque 30 chercheurs y ont participé.

• En avril 2012, il y a eu présentation d’un exposé technique intitulé « Nanotechnology for innovative water treatment » à Conestoga Rovers & Associates. 

• Les avancées de la recherche ont été diffusées dans la revue Water Canada dans un article intitulé « A Bitter Pill » en janvier 2012.

• En février 2011, l’équipe de recherche a présidé la section intitulée « Nanotechnology in Water Treatment » lors de la 46^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, à Burlington. Quelque 30 chercheurs y ont participé.

• Il y a eu présentation d’un exposé lors du symposium « Nanotechnology for Energy and Environment » dans le cadre du salon Material Science & Technologies 2011, à Columbus, Ohio (États-Unis). Plus 50 chercheurs et délégués de l’industrie étaient présents.

 

Publications

Liang, R., A. Hu, W. Li, Y. N. Zhou. « Enhanced degradation of persistent pharmaceuticals in wastewater treatment effluents using TiO₂ nanobelt photocatalysts », J. Nanoparticle Res., vol. 15, no 9 (2013), p. 1990: 1 – 13.

Hu, A., et coll. « Enhanced photocatalytic degradation of dyes by TiO₂ nanobelts with hierarchical structures », J. Photochem. Photobiol. A: Chem, vol. 256 (2013, p. 7-15.

Hu, A., et coll. « Adsorption and Photocatalytic Degradation Kinetics of Pharmaceuticals by TiO₂ nanowires During Water Treatment », Waste and Biomass Valorization, vol. 3 (2013), p. 443-449.

Présentations

Hu. A, Zhang X, Oakes K, Servos M. R., Zhou Y. N. Photocatalytic degradation of pharmaceuticals and mechanical filtration by TiO2 nanowire membranes. Exposé donné dans le cadre de la 22^e conférence sur la science des matériaux (Canadian Materials Science Conference) à Waterloo, Canada, juin 2010.

Hu, A., Zhang, X., Oakes, K. D., Servos M., Zhou Y.N. Development of TiO2 nanowire membranes for nanofiltration and photocatalytic degradation of water treatment. Exposé donné dans le cadre du salon Materials Science & Technology 2010, Houston (États-Unis), octobre 2010.

Hu, A., Zhang, X., Luong D., Oakes K., Servos M., Zhou, Y. N. Adsorption and photocatalytic degradation of pharmaceuticals by TiO2 nanowires. Exposé présenté lors de la 46^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, Canada Centre for Inland Waters, Burlington (Ontario), février 2011.

Hu. A., Zhang, X., Luong D., Oakes K., Servos M., Zhou, Y.N. Adsorption and photocatalytic degradation kinetics of pharmaceuticals by TiO2 nanowires during water treatment. Affiche présentée à la rencontre Connecting Water Resources 2011, Ottawa, février 2011.

Liang, R., Hu, A., Zhang, X, Luong, D. Oakes, K.D., Servos, M.R., Zhou, Y.N. TiO­2­ Membranes for Pharmaceutical Degradation in Wastewater. Affiche présentée lors de la 47^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, Burlington (Ontario), février 2012.

Hu, A., Zhang. X, Pham P.H., Luong D., Kurdi, S., Liang, R., Huang, H. Oakes, K., Bols, N.C., Servos, M.R., Zhou, Y.N. Fast Synthesis of Large Scale High Performance TiO₂ Nanowire Membranes for Water Treatment. Exposé présenté lors de la 47^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, Burlington (Ontario), février 2012.

Kurdi, S., Hu, A.,  Huang, H., Liang, R., Peng, P., Zhou, Y.N. Investigation of the Roles of Active Oxygen Species in Photodegradation of the Heterocyclic Aromatic Chemical Compound Methylene Blue in TiO₂ Photocatalysis Utilizing a 365nm UV Lamp. Exposé présenté lors de la 47^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, Burlington (Ontario), février 2012.

Liang, R. Hu, A., Servos, M.R., and Zhou, Y.N. TiO2 Nanowires for Degradation of PPCPs and Flame Retardants in Water Treatment. Exposé présenté lors de la 48^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, Hamilton (Ontario), mars 2013.

Hu, A., Liang, R., Servos, M.R., Zhou, Y.N.  Development of Large scale high performance TiO2 nanowire membranes for water treatment. Exposé présenté lors de la 48^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, Hamilton (Ontario), mars 2013.

Li, W., Hu, A., Liang, Zhou, Y.N. Modified Preparation of Visible-light active TiO₂ photocatalysts by iodine acid. Affiche présentée lors de la 48^e édition de la Conférence régionale du Centre du Canada sur la recherche sur la qualité de l’eau, Hamilton (Ontario), mars 2013.