Dans notre industrie, on connaît bien le titane qui, mélangé à de l’oxygène, devient le le pigment plus blanc que blanc utilisé aussi fréquemment comme opacifiant pour les peintures et de nombreux autres produits comme la protection du bois, certaines plastiques et certaines céramiques. On connaît moins ses capacités dépolluantes. Voilà que les chercheurs de l’Institut national de la recherche scientifique l’utilisent avec le soleil pour dégrader un puissant pesticide appelé l’atrazine dans le but de décontaminer les eaux polluées.
L’atrazine se retrouve partout dans l’environnement, jusque dans l’eau potable de millions de personnes au pays. Les traitements traditionnels des eaux potables et usées ne réussissent pas à dégrader efficacement ce pesticide.
Les chercheurs de l’INRS utilisent un procédé existant, appelé photo-electro-catalyse ou PEC, qu’ils ont optimisé pour la dégradation de l’atrazine.
Le processus fonctionne avec deux électrodes sensibles à la lumière qui portent des charges opposées. Sous l’effet de la lumière et d’un potentiel électrique, ce procédé génère des radicaux libres à la surface des électrodes. Ces derniers interagissent avec les molécules d’atrazine et les dégradent. « L’utilisation de radicaux libres est avantageuse, car elle ne laisse pas de sous-produits toxiques comme le ferait le chlore. Ils sont très réactifs et instables. De plus, ils disparaissent rapidement, car leur durée de vie est très courte », explique le professeur Drogui, coauteur de l’étude.
Les défis des matériaux
Pour fabriquer les photoélectrodes, le professeur El Khakani a choisi le dioxyde de titane (TiO2), une substance abondante dans la nature, très stable chimiquement, et souvent utilisée comme pigments dans la peinture blanche, les céramiques, la protection du bois, le papier blanc et même dans certaines crèmes solaires.
Habituellement, ce matériau semi-conducteur transforme l’énergie lumineuse fournie par les rayons UV en charges actives. Pour profiter de la totalité du spectre solaire, c’est-à-dire la lumière visible en plus des UV, le professeur El Khakani devait rendre le TiO2 sensible à la lumière visible du soleil. Pour ce faire, son équipe a modifié l’oxyde de titane à l’échelle atomique en y incorporant des atomes d’azote et de tungstène par un procédé plasma. Ce dopage diminue l’énergie des photons requise pour le déclenchement de la PEC.
Puisque la PEC se produit à la surface des électrodes, le traitement d’un grand volume requiert une grande surface active. Pour ce faire, l’équipe du professeur El Khakani s’est tournée vers le pouvoir de la nanostructuration de la surface des photoélectrodes.
« Au lieu d’avoir une surface plate, imaginez qu’on la sculpte à l’échelle nanométrique pour créer des vallées et des montagnes. C’est ce qu’on appelle la nanostructuration. La surface active est artificiellement augmentée de plusieurs milliers de fois par rapport à la surface physique. Avec 1 g de matériel, on peut atteindre des surfaces actives entre de 50 et 100 m2, c’est la taille d’un appartement ! », souligne le professeur El Khakani.
L’efficacité et ses limites
Une fois les photoélectrodes élaborées et intégrées dans un réacteur PEC, l’équipe du professeur Drogui a optimisé le procédé PEC. Elle a d’abord utilisé des échantillons d’eau déminéralisée à laquelle l’atrazine était ajoutée.
La PEC avec la photoélectrode éliminait environ 60 % du pesticide après 300 minutes de traitement. Les chercheurs sont ensuite passés aux échantillons d’eaux récupérés dans la rivière Nicolet, à proximité des zones de cultures intensives de maïs et de soja où les herbicides sont souvent utilisés.
En utilisant les échantillons d’eaux réelles, seulement 8 % de l’atrazine était initialement dégradée. Ce faible pourcentage découle de la présence de particules en suspension qui empêchent une bonne partie de la lumière de se rendre à la photoélectrode.
De plus, les espèces présentes dans la solution peuvent s’attacher à l’électrode et réduire son efficacité.
En capitalisant sur son expertise dans la décontamination des eaux, l’équipe professeur Drogui a procédé à des traitements préalables basés sur la coagulation et la filtration de certaines espèces avant d’appliquer l’approche PEC. Ils ont ainsi réussi à dégrader 38 à 40 % de l’atrazine dans les échantillons réels.
L’efficacité du traitement reste relativement faible en comparaison avec l’eau synthétique, car les eaux réelles contiennent des bicarbonates et des phosphates qui piègent les radicaux libres et les empêchent de réagir avec l’atrazine.
« Le traitement préalable par coagulation chimique aide à éliminer les phosphates, mais pas les bicarbonates. On pourrait ajouter du calcium pour les faire précipiter, mais on veut réduire au minimum l’utilisation des produits chimiques », rapporte le professeur Drogui.
Selon les chercheurs, leur procédé PEC optimisé pourrait donc être utilisée comme traitement tertiaire, après avoir retiré les particules en suspension et les espèces coagulables. Il faut toutefois passer par une étape de démonstration préindustrielle avant de penser à une utilisation à grande échelle.
Même si la PEC a été employée pour dégrader l’atrazine, les deux équipes continuent leur collaboration pour s’attaquer à d’autres polluants émergents, et aux résidus des antibiotiques dans l’eau.
Deux professeurs à l’INRS ont joint leurs forces pour développer un nouveau procédé écologique de dégradation de l’atrazine, ce pesticide résistant qui reste dans l’eau potable, en utilisant le dioxyde de titane et les chauds rayons du soleil.