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La rouille offre un moyen peu coûteux de filtrer l’eau empoisonnée à l’arsenic


Lorsque l’eau coule profondément sous terre, elle dissout souvent les substances inorganiques des gisements minéraux de la croûte terrestre. Dans de nombreuses régions, ces dépôts contiennent de l’arsenic, un élément naturel qui est incolore, insipide et inodore. Bien que sa présence soit à peine perceptible, une exposition prolongée à de l’eau contaminée à l’arsenic peut entraîner une gangrène, des maladies et de nombreux types de cancer, entraînant une perte de revenu importante pour des millions de personnes et même la mort.

Parce que de nombreuses régions manquent de ressources et d’infrastructures pour traiter leur eau par des moyens conventionnels, elles n’ont d’autre choix que de continuer à s’exposer à ces risques. La crise de contamination généralisée à l’arsenic, en particulier dans les zones rurales d’Asie du Sud, a été décrite comme la plus grande intoxication de masse de l’histoire humaine.

«L’arsenic naturellement présent dans les eaux souterraines est en fait plus courant qu’on ne le pense», déclare Case van Genuchten, chercheur au département de géochimie de la Commission géologique du Danemark et du Groenland. «De nombreuses régions ont un traitement centralisé de l’eau, ce qui le rend assez facile à éliminer. Mais dans les régions qui ne disposent pas d’un approvisionnement en eau courante et qui dépendent de puits d’eau souterraine, vous devez réfléchir un peu plus à la manière de mettre en œuvre des solutions de traitement de l’eau durables. « 

La crise de contamination généralisée à l’arsenic, en particulier dans les zones rurales d’Asie du Sud, a été décrite comme la plus grande intoxication de masse de l’histoire de l’humanité

Inspiré des processus naturels du sol qui lient les contaminants et les filtrent, van Genuchten utilise des oxydes de fer tels que la rouille, qui sont abondants dans le sol, pour filtrer l’arsenic des eaux souterraines. Il mène des expériences au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC du Département de l’énergie, qui étudient des méthodes peu coûteuses de traitement des eaux souterraines en utilisant uniquement de petites quantités d’électricité et d’acier ou de fer. L’article le plus récent de l’équipe, qui compare les performances d’élimination de l’arsenic de différentes formes de rouille, a été publié dans Recherche sur l’eau.


Case van Genuchten de la Commission géologique du Danemark et du Groenland travaille dans la huche à rayons X lors d’une expérience sur la ligne de faisceau 4-1 de SSRL, où la plupart des mesures d’arsenic du projet ont été effectuées. (Laboratoire national des accélérateurs Dawn Harmer / SLAC)

Les couleurs de la rouille

La rouille se forme lorsque le fer réagit avec l’oxygène et l’humidité. Cette réaction fait perdre des électrons aux atomes de fer, ce qui augmente l’état d’oxydation du matériau. Différents états d’oxydation produisent différentes couleurs ou formes de rouille. Chaque forme a des propriétés uniques et réagit différemment avec l’arsenic.

L’équipe utilise les rayons X de la source lumineuse de rayonnement synchrotron (SSRL) de Stanford du SLAC pour mieux comprendre comment l’arsenic se lie à différentes particules de rouille, une interaction qui est utilisée pour éliminer l’arsenic dans les processus de purification réels dans une usine de traitement d’eau située à une école dans un village rural du Bengale occidental, en Inde.

«Ce que nous faisons, c’est prendre des morceaux de fer, qui sont faciles à trouver, et les insérer dans les eaux souterraines pompées dans un réservoir relié à une alimentation électrique, telle qu’une batterie de voiture», explique van Genuchten. «Le courant de la batterie corrode le fer et produit de la rouille. L’arsenic se lie à la surface de ces particules de rouille, qui peuvent ensuite être filtrées par gravité ou éventuellement à l’aide d’aimants. Chaque type de rouille, du noir au rouge en passant par le vert, a une disposition atomique différente. En modifiant la façon dont nous appliquons le courant à l’eau, nous pouvons contrôler la structure atomique de la rouille et sa réactivité pour optimiser notre système. »


Des écoliers utilisant le kiosque de distribution d’eau potable à l’arsenic de l’école du Bengale occidental, en Inde. L’eau traitée est produite à l’usine, qui est située à côté de l’école, puis est pompée vers les réservoirs de stockage au-dessus du kiosque de distribution. Les enfants ont chacun une carte électronique qui permet de distribuer 1 litre d’eau traitée depuis le kiosque. (Sébastien Krogh)

Aiguille dans une botte de foin

Les chercheurs ont découvert que magnétite, une forme de rouille noire présente dans de nombreux types de roches, est la plus efficace pour ce processus, fonctionnant bien même à de faibles concentrations.

À SSRL, l’équipe utilise les rayons X pour déterminer la structure des particules de magnétite et comment l’arsenic forme des liaisons chimiques avec le minéral. En projetant des rayons X sur des échantillons de rouille liés à l’arsenic, les chercheurs peuvent éliminer les électrons des coquilles les plus internes des atomes d’arsenic, ce qui permet de détecter des atomes d’arsenic même à des traces aussi difficiles à trouver qu’une aiguille dans un meule de foin. Cette technique basée sur le synchrotron, appelée spectroscopie d’absorption des rayons X, utilise des rayons X avec des énergies finement contrôlées pour obtenir des informations sur la façon dont l’arsenic se lie au fer et est l’une des seules méthodes capables de produire des informations aussi détaillées sur le comportement des traces. métaux toxiques.

Grâce à ces expériences, les chercheurs ont découvert que la magnétite a une structure unique par rapport à d’autres formes de rouille qui lui permet de former des liens plus solides avec le contaminant.

«On a constaté que la forme et la taille de la molécule d’arsenic s’inscrivaient comme une pièce de puzzle dans la structure de la magnétite», explique van Genuchten. «Cela conduit à l’incorporation d’arsenic dans la particule de magnétite plutôt qu’à une simple liaison à la surface minérale.»

Impact réel

Grâce à cette recherche, van Genuchten espère trouver des moyens de produire des particules de rouille plus rapidement et de mieux contrôler leur réaction avec l’arsenic afin que le système de traitement de l’eau puisse être optimisé au point d’être largement mis en œuvre. Il dit apprécier la façon dont le projet lui permet de faire avancer la recherche fondamentale même si elle est motivée par des applications claires et des besoins urgents.

«J’ai commencé à faire des recherches sur le traitement de l’eau parce que je voulais avoir un impact positif sur le monde», dit-il. «Parfois, je suis frustré lorsque les éléments de traitement de l’eau de ma recherche ne se déroulent pas comme prévu, mais cela me permet de me rappeler que je fais également de la recherche d’un point de vue fondamental. Les connaissances que je génère sur les interactions entre les minéraux et les contaminants sont également importantes pour comprendre comment les contaminants se comportent dans l’environnement – par exemple, comment les métaux toxiques se déplacent dans les eaux souterraines et sont emprisonnés dans les sols et les sédiments.

Malgré les défis, il ajoute qu’il est toujours important de garder à l’esprit les applications réelles de ce travail.

«J’étais là le premier jour où de l’eau a été distribuée aux enfants de l’école en Inde», dit-il. «Les enfants ont tous des cartes avec des puces électroniques qu’ils placent contre un petit panneau dans un kiosque de distribution, qui pompe ensuite un litre d’eau filtrée. C’était tellement gratifiant de voir l’excitation sur leurs visages quand ils ont vu l’eau sortir.





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