Une nouvelle technologie utilise la lumière du soleil ordinaire pour désinfecter l'eau potable

May 01, 2023

Une poudre recyclable à faible coût peut tuer des milliers de bactéries d'origine hydrique par seconde lorsqu'elle est exposée au soleil. Les scientifiques de Stanford et du SLAC affirment que le désinfectant ultrarapide pourrait constituer une avancée révolutionnaire pour 2 milliards de personnes dans le monde sans accès à de l'eau potable.

Au moins 2 milliards de personnes dans le monde boivent régulièrement de l'eau contaminée par des microbes pathogènes.

La poudre désinfectante est agitée dans de l'eau contaminée par des bactéries (en haut à gauche). Le mélange est exposé au soleil, qui tue rapidement toutes les bactéries (en haut à droite). Un aimant recueille la poudre métallique après désinfection (en bas à droite). La poudre est ensuite rechargée dans un autre bécher d'eau contaminée et le processus de désinfection est répété (en bas à gauche). (Crédit image : Tong Wu/Université de Stanford)

Aujourd'hui, des scientifiques de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory ont inventé une poudre recyclable à faible coût qui tue des milliers de bactéries d'origine hydrique par seconde lorsqu'elle est exposée à la lumière solaire ordinaire. La découverte de ce désinfectant ultrarapide pourrait être une avancée significative pour près de 30% de la population mondiale sans accès à l'eau potable, selon l'équipe de Stanford et du SLAC. Leurs résultats sont publiés dans une étude du 18 mai dans Nature Water.

"Les maladies d'origine hydrique sont responsables de 2 millions de décès par an, la majorité chez les enfants de moins de 5 ans", a déclaré le co-auteur principal de l'étude, Tong Wu, ancien chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux (MSE) à la Stanford School of Engineering. "Nous pensons que notre nouvelle technologie facilitera des changements révolutionnaires dans la désinfection de l'eau et inspirera davantage d'innovations dans ce domaine interdisciplinaire passionnant."

Les technologies conventionnelles de traitement de l'eau comprennent des produits chimiques, qui peuvent produire des sous-produits toxiques, et la lumière ultraviolette, qui prend un temps relativement long à désinfecter et nécessite une source d'électricité.

Le nouveau désinfectant développé à Stanford est une poudre métallique inoffensive qui agit en absorbant à la fois les UV et la lumière visible à haute énergie du soleil. La poudre se compose de flocons de taille nanométrique d'oxyde d'aluminium, de sulfure de molybdène, de cuivre et d'oxyde de fer.

"Nous n'avons utilisé qu'une infime quantité de ces matériaux", a déclaré l'auteur principal Yi Cui, professeur fondateur Fortinet de MSE et de science et ingénierie de l'énergie à la Stanford Doerr School of Sustainability. "Les matériaux sont peu coûteux et assez abondants. L'innovation clé est que, lorsqu'ils sont immergés dans l'eau, ils fonctionnent tous ensemble."

Après avoir absorbé les photons du soleil, le catalyseur sulfure de molybdène/cuivre se comporte comme une jonction semi-conducteur/métal, permettant aux photons de déloger les électrons. Les électrons libérés réagissent alors avec l'eau environnante, générant du peroxyde d'hydrogène et des radicaux hydroxyle - l'une des formes d'oxygène les plus destructrices sur le plan biologique. Les produits chimiques nouvellement formés tuent rapidement les bactéries en endommageant gravement leurs membranes cellulaires.

Images microscopiques d'E. coli avant (à gauche) et après désinfection. Les bactéries sont mortes rapidement après que la lumière du soleil a produit des produits chimiques qui ont causé de graves dommages aux membranes cellulaires bactériennes, comme indiqué dans les cercles rouges. (Crédit image : Tong Wu/Université de Stanford)

Pour l'étude, l'équipe de Stanford et du SLAC a utilisé un bécher de 200 millilitres [6,8 onces] d'eau à température ambiante contaminée par environ 1 million de bactéries E. coli par ml [0,03 oz].

"Nous avons mélangé la poudre dans l'eau contaminée", a déclaré le co-auteur principal Bofei Liu, un ancien post-doctorant MSE. "Ensuite, nous avons effectué le test de désinfection sur le campus de Stanford en plein soleil, et en 60 secondes, aucune bactérie vivante n'a été détectée."

Les nanoflakes poudreux peuvent se déplacer rapidement, entrer en contact physique avec de nombreuses bactéries et les tuer rapidement, a-t-il ajouté.

Les sous-produits chimiques générés par la lumière du soleil se dissipent également rapidement.

"La durée de vie du peroxyde d'hydrogène et des radicaux hydroxy est très courte", a déclaré Cui. "S'ils ne trouvent pas immédiatement des bactéries à oxyder, les produits chimiques se décomposent en eau et en oxygène et sont jetés en quelques secondes. Vous pouvez donc boire l'eau tout de suite."

La poudre non toxique est également recyclable. L'oxyde de fer permet de retirer les nanoflakes de l'eau avec un aimant ordinaire. Dans l'étude, les chercheurs ont utilisé le magnétisme pour collecter 30 fois la même poudre afin de traiter 30 échantillons différents d'eau contaminée.

"Pour les randonneurs et les routards, je pourrais imaginer transporter une petite quantité de poudre et un petit aimant", a déclaré Cui. "Pendant la journée, vous mettez la poudre dans l'eau, secouez-la un peu sous la lumière du soleil et en une minute, vous avez de l'eau potable. Vous utilisez l'aimant pour retirer les particules pour une utilisation ultérieure."

La poudre pourrait également être utile dans les usines de traitement des eaux usées qui utilisent actuellement des lampes UV pour désinfecter l'eau traitée, a-t-il ajouté.

"Pendant la journée, la plante peut utiliser la lumière du soleil visible, ce qui fonctionnerait beaucoup plus rapidement que les UV et permettrait probablement d'économiser de l'énergie", a déclaré Cui. "Les nanoflakes sont assez faciles à fabriquer et peuvent être rapidement mis à l'échelle à la tonne."

L'étude s'est concentrée sur E. coli, qui peut causer de graves maladies gastro-intestinales et même mettre la vie en danger. L'Environmental Protection Agency des États-Unis a fixé à zéro l'objectif de niveau maximal de contaminants pour E. coli dans l'eau potable. L'équipe de Stanford et du SLAC prévoit de tester la nouvelle poudre sur d'autres agents pathogènes d'origine hydrique, notamment des virus, des protozoaires et des parasites qui provoquent également des maladies graves et la mort.

Yi Cui est directeur du Precourt Institute for Energy et du Sustainability Accelerator de la Stanford Doerr School of Sustainability. Il est également professeur de science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory. Bofei Liu est maintenant chercheur scientifique chez EEnotech Inc., une société dérivée de la purification de l'eau cofondée par Cui. Tong Wu fait partie de la faculté de l'Université Tonji à Shanghai.

Les autres co-auteurs de Stanford sont Harold Y. Hwang, professeur de physique appliquée à la Faculté des sciences humaines et professeur de science des photons au SLAC, et directeur du Stanford Institute for Materials & Energy Sciences ; les anciens post-doctorants en ingénierie Chong Liu, Jiayu Wan, Feifei Shi, Ankun Yang, Kai Liu et Zhiyi Lu ; et les anciens doctorants en génie Jie Zhao et Allen Pei.

Le financement de la recherche a été fourni par le Département américain de l'énergie.

Mark Golden, Institut de l'énergie de Précourt : (650) 724-1629 ; [email protected]

Yi Cui, Science et ingénierie des matériaux : (650) 725-3230 ; [email protected]

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