Particules de polymères avec et sans empreinte moléculaire pour l’élimination des CPSE et des PPSP présents dans les eaux et eaux usées.

Banu Örmeci, professeure agrégée, Université Carleton , 2009 - 2011

Enjeu

Au cours des dix dernières années, plusieurs études ont signalé la présence de traces de composés perturbateurs du système endocrinien (CPSE) et de produits pharmaceutiques et de soins personnels (PPSP) dans les eaux de surface, l’eau potable et les effluents d’eaux usées. Les PPSP sont des produits utilisés pour des raisons de santé ou à des fins cosmétiques. Ils ne font que commencer à intéresser les scientifiques et leurs effets sur la santé humaine et sur l’environnement sont encore inconnus. Puisque les CPSE sont capables d’imiter ou de bloquer le système hormonal des mammifères, leur présence dans les sources d’approvisionnement en eau et leurs effets indésirables sur la santé humaine et l’environnement sont de plus en plus préoccupants. Les CPSE et les PPSP sont généralement libérés dans l’environnement dans les rejets d’eaux usées et ils contaminent ainsi les eaux de surface d’où est tirée l’eau potable. Les concentrations de ces contaminants émergents sont extrêmement faibles, toutefois, plusieurs études en laboratoire et sur le terrain ont démontré que même à de faibles concentrations, ces composés peuvent avoir un impact sur les écosystèmes aquatiques. On soupçonne également qu’ils ont des effets indésirables sur la santé humaine.

Actuellement, les usines de traitement ne sont ni conçues ni efficaces pour éliminer les CPSE et les PPSP. Par conséquent, il importe de développer de nouvelles technologies qui soient novatrices, efficaces et abordables pour l’élimination de ces contaminants émergents. On a donc étudié, dans le cadre de ce projet, le recours à des particules de polymère avec et sans empreinte moléculaire (PAEM et PSEM) comme méthode novatrice de traitement pour éliminer ces nouveaux composés des eaux et eaux usées.

Projet

L’usage proposé de PAEM et PSEM pour éliminer les composés émergents est une nouvelle approche qui pourrait être très efficace pour l’élimination des CPSE et PPSP des eaux usées et de l’eau potable. La technologie est basée sur l’adsorption des CPSE et des PPSP sur de petites particules de polymère dont la dimension est inférieure à un micron. Cela permettrait d’éliminer toute production de sous-produits de déchets ou de composés de filiation qui peuvent être plus dangereux que les composés d’origine. Les PAEM, qui sont conçus pour avoir une grande sélectivité et une forte affinité pour les produits chimiques ciblés, sont idéaux pour le traitement des eaux usées industrielles où il faut retirer des composés précis présents en grande concentration. Quant aux PSEM, ils ont un grand potentiel pour ce qui est du traitement général des eaux usées et de l’eau potable qui requiert normalement l’élimination simultanée de divers contaminants.

Avec un taux d’élimination estimé à 80 %, les résultats de l’étude indiquent que les particules de PAEM et PSEM sont très efficaces pour éliminer un large éventail de CPSE et de PPSP des eaux usées et de l’eau potable. Leur efficacité de liaison est demeurée élevée même en présence de matière organique et d’autres éléments présents dans l’eau et les eaux usées. Une fois le traitement terminé, les particules de polymère peuvent être retirées de l’eau par coagulation, par force centrifuge ou par filtration. Pendant l’étude, les chercheurs ont créé des particules PAEM et PSEM ayant des propriétés magnétiques, facilitant ainsi leur retrait à travers des champs magnétiques. Ils ont démontré que ces particules PAEM et PSEM avaient des pouvoirs de liaison très élevés pour une gamme de composés émergents. Dans l’ensemble, l’équipe du projet a bien réussi à prouver le concept de la technologie des PAEM et PSEM et a démontré le fort potentiel de cette avancée technologique pour le traitement des eaux et eaux usées.

Puisque la technologie des PAEM et PSEM est basée sur l’adsorption, il n’y a pas de formation de sous-produits ou produits de filiation dangereux et, contrairement au charbon activé, l’agglutination en surface dans les eaux usées est peu probable. Les particules de polymère peuvent être conçues pour un type d’élimination bien précis ou pour une élimination à large spectre et simultanée de divers contaminants.

Produits

• Atelier sur les contaminants émergents dans l’environnement et les méthodes de détection. Plus de 35 étudiants de l’Université Carleton et de l’Université d’Ottawa ont participé à cet atelier.
• Diffusion des résultats du projet dans des réunions et des conférences, ici et à l’étranger, dans des journaux et dans le cadre d’entrevues radiophoniques.

Publications

Murray, A., B. Örmeci, B., E. Lai. « Evaluation of Molecularly Imprinted and Non-Imprinted Nanoparticles for Removal of Endocrine Disrupting Compounds from Surface Water and Wastewater », Water Science & Technology (2011).

Xia, X., E. Lai, B. Örmeci. « Ultrasonication-assisted Synthesis of Molecularly Imprinted Polymer-encapsulated Magnetic Nanoparticles for Rapid and Selective Removal of 17β-estradiol from Aqueous Environment », Polymer Engineering & Science, vol. 52 (2012), n^o 8, p. 1775-1783.

Xia, X., E. Lai, B. Örmeci. « Duo-molecularly Imprinted Polymer-coated Magnetic Particles for Class-selective Removal of Endocrine Disrupting Compounds from Aqueous Environment », Environmental Science and Pollution Research, (2012).

Hassanzadeh-Khayyat, M., E. Lai, K. Kollu, B. Örmeci. « Degradation of Diclofenac in Molecularly Imprinted Polymer Submicron Particles by UV Light Irradiation and HCl Acid Treatment », Journal of Water Resource Protection, vol. 3 (2011), n^o 9, p. 643-654.

Présentations

Murray, A., Örmeci, B. et Lai, E. Removal of Emerging Contaminants using Imprinted and Non-imprinted Polymers. Affiche présentée à la conférence Connecting Water Resources du Réseau canadien de l’eau en 2011.

Xia, X., Lai, E. et Örmeci, B. Preparation of MIP-encapsulated Magnetic Nanoparticles for Selective Removal of Endocrine Disrupting Compounds from Drinking and Environmental Waters. Affiche présentée au salon Water Expo, à Beijing en 2011.

Résultats

• Technologie de traitement et solutions de gestion étendues et améliorées
• Économies potentielles en ce qui concerne le fonctionnement et le maintien des infrastructures de l’eau, grâce au développement d’une technologie abordable et réutilisable pour l’élimination des contaminants émergents. Les polymères sont bon marché et peuvent être produits à peu de frais en grande quantité, permettant des utilisations à grande échelle dans l’avenir. Les particules de polymère peuvent aussi être régénérées et réutilisées à maintes reprises.
• Changements potentiels dans les pratiques – car les résultats indiquent que les particules peuvent être retirées par coagulation accrue une fois le traitement terminé. La technologie peut donc être incorporée dans les usines existantes de traitement des eaux usées sans besoin d’effectuer de grands changements au niveau des structures ou des processus.