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Les nanotechnologies d'épuration de l'eau : Faits et chiffres
Les nanotechnologies pourraient apporter l'eau potable à des millions de personnes. David J. Grimshaw présente leur potentiel, les progrès accomplis et les quelques risques y afférant.
La technologie contribue depuis des millénaires à la fourniture de l'eau potable et à l'irrigation des cultures. Environ 3000 ans avant JC, les Romains utilisaient déjà les aqueducs pour acheminer l'eau potable. Assurer que les technologies modernes soient à la disposition des pauvres de la planète se révèle pourtant une tâche difficile. Les nanotechnologies offrent-elles plus de possibilités que les technologies précédentes ?
L'eau est une ressource rare. Dans plusieurs pays, notamment auMoyen-Orient, la demande surpasse déjà l'offre disponible. Avec les pressions engendrées par les changements climatiques et la croissance démographique, l'eau deviendra d'autant plus rare, particulièrement dans les pays en développement. En outre, l'eau disponible dans ces régions est souvent impropre à la consommation humaine (voir Tableau 1).
884 millions
de personnes n'ont pas accès à l'eau
potable, soit environ une personne sur huit.
6 kilomètres
la distance moyenne parcourue à pied par
les femmes d'Afrique et d'Asie pour aller chercher de l'eau.
3,6 millions
de personnes meurent chaque année des
suites de maladies hydriques.
98 pour cent
des décès dus aux maladies hydriques ont
lieu dans le monde en développement.
de décès dus aux maladies hydriques sont des
enfants âgés de moins de 14 ans.
de décès dus aux maladies hydriques sont causées
par la diarrhée.
de personnes risquent l'empoisonnement à l'arsenic
au Bangladesh, en Inde et au Népal. Tableau 1 : L'eau expliquée en chiffres [1]
L'accès de tous les êtres humains à l'eau potable est aujourd'hui un but inscrit dans les Objectifs du Millénaire pour le Développement, qui visent à réduire de moitié la proportion de personnes dépourvues d'accès à l'eau potable d'ici 2015. Selon le Programme mondial pour l'Evaluation des Ressources en Eau, cela suppose une amélioration de l'accès à l'eau pour 1,5 milliards de personnes. [2]
Mais comment atteindre un tel objectif ? Des approches différentes pour fournir l'eau potable aux communautés pauvres se sont fondées sur les sciences économiques ou la technologie. Une approche économique se focalise généralement sur l'importance de la régulation, des institutions ou de l'ouverture des marchés. Une approche technologique insiste plutôt sur le développement d'une pompe à eau, de systèmes de filtration ou de nouvelles applications - comme les nanotechnologies, par exemple. Le potentiel des nanotechnologies
A la différence des autres technologies qui sont les émanations concrètes d'une discipline scientifique particulière, les nanotechnologies sont le reflet d'une vaste gamme de disciplines scientifiques. Elles se définissent avant tout par l'échelle à laquelle elles opèrent. Les nanosciences et les nanotechnologies renvoient ainsi à l'étude et au travail de la matière à une échelle ultrapetite. Un nanomètre est le millionième du millimètre - la largeur d'un seul cheveu humain est d'environ 80.000 nanomètres de diamètre. [3] Ce type d'échelle peut être difficile à visualiser : si la distance entre le soleil et la Terre était d'un mètre, un nanomètre aurait alors la taille d'un terrain de football.
L'échelle nanométrique traite des parties les plus petites de la matière qu'il soit possible de manipuler. Travailler à l'échelle nanométrique facilite l'assemblage des atomes et des molécules à des spécifications exactes. C'est un peu comme bâtir un modèle à partir de cubes de Lego : la nanotechnologie permet à la fois le développement de nouveaux matériaux et la modification des matériaux existants. Pour des applications telles que la purification de l'eau, des matériaux peuvent donc être taillés ou adaptés pour permettre la filtration des métaux lourds ou des toxines biologiques.
A l'échelle nanométrique, les matériaux ont souvent des propriétés optiques ou électriques différentes de celles des mêmes matériaux à l'échelle microscopique ou macroscopique. Ainsi, les nanoparticules d'oxyde de titane sont des catalyseurs plus efficaces que l'oxyde de titane à l'échelle macroscopique. En outre, leurs propriétés permettant la dégradation des polluants organiques peuvent servir dans le traitement de l'eau. Dans d'autres cas, au contraire, la petite taille des nanoparticules manufacturés peut aggraver la toxicité de la matière.
Nanotechnology can solve the technical challenge of removing salt from water
UCLA Engineering
Le principal apport des nanotechnologies dans l'approvisionnement en eau serait de relever les défis techniques posés par la filtration des agents contaminant comme les bactéries, les virus, l'arsenic, le mercure, les pesticides ou le sel. Pour de nombreux chercheurs et ingénieurs, les nanotechnologies représentent des outils abordables, efficaces, performants et durables pour purifier l'eau. La production des nanoparticules serait en outre moins polluante que les méthodes traditionnelles de purification de l'eau, nécessitant moins de main-d'œuvre, de capitaux, de terres et d'énergie. [4] Ce n'est pas la première fois que les nouvelles technologies affichent de telles prétentions. Il existe néanmoins des raisons d'espérer – à condition de développer de nouveaux modèles commerciaux permettant l'utilisation durable des nanotechnologies pour la résolution de problèmes concrets, identifiés de concert avec les communautés locales.[5] L'état de la question
Un large choix d'appareils de traitement de l'eau ayant recours aux nanotechnologies a déjà été mis sur le marché. D'autres sont le seront prochainement ou sont encore en cours de développement. Les membranes de nanofiltration sont déjà largement utilisées pour dessaler l'eau, filtrer les polluants microscopiques, réduire le calcaire ou traiter les eaux usées. Ces membranes agissent comme une barrière physique retenant tout microorganisme ou particule d'une taille supérieure à ses pores, et rejetant certaines substances de manière sélective. On s'attend à une future amélioration dans la technologie de purification par les membranes de nanofiltration. Les coûts prohibitifs de dessalement, c'est-à-dire la production de l'eau douce à partir de l'eau salée, devraient par ailleurs être ainsi limités. Des chercheurs développent de nouvelles classes de matériaux nanoporeux plus efficaces que les filtres conventionnels. Ainsi, une étude menée en Afrique du Sud a montré que les membranes de nanofiltration peuvent produire de l'eau potable à partir de l'eau saumâtre. [6] Une équipe composée de scientifiques indiens et américains a par ailleurs développé des filtres en nanotubes de carbone capables de mieux extraire les virus et les bactéries de l'eau que les filtres conventionnels sous forme de membrane.[8] L'argile attapulgite et les zéolites naturelles ont aussi leur rôle à jouer dans les nanofiltres. Ces éléments sont disponibles dans de nombreuses régions du monde et présentent des pores naturels de taille nanoscopique. Une étude utilisant des membranes en argile attapulgite pour la filtration des eaux usées d'une usine laitière en Algérie a démontré que ces matériaux peuvent réduire de façon efficace et peu onéreuse les quantités de lactosérum et d'autres matières organiques présentes dans les eaux usées, les rendant ainsi propres à la consommation. [8]
Il est tout aussi possible de produire les zéolites artificiellement. Elles peuvent ainsi servir à l'extraction des matières organiques nocives de l'eau, ainsi que des ions métalliques plus lourds. Des chercheurs de l'Organisation de Recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSRO) d'Australie ont développé l'hydrotalcite, une argile synthétique peu chère qui attire l'arsenic afin de l'extraire de l'eau. [9] Ils ont mis au point un conditionnement innovant pour ce produit destiné aux communautés à faible revenu – sous la forme d'un sachet similaire au sachet de thé que l'on peut plonger dans l'eau environ 15 minutes avant de la boire. La revente des sachets aux autorités pourrait ainsi favoriser le recyclage et le traitement des déchets d'arsenic concentré.
Nanocatalyseurs, nano-aimants et nanodétecteurs
Les nanocatalyseurs et les nanoparticules magnétiques sont d'autres exemples de contributions à la purification de l'eau fortement polluée afin de la rendre potable et propre à la consommation humaine, à l'assainissement ou à l'irrigation, rendues possibles par les nanotechnologies. Les nanocatalyseurs doivent leurs capacités catalytiques optimisées à leur taille nanoscopique ou au fait qu'ils ont été modifiés à cette échelle. Au lieu de transférer les polluants, ils peuvent les dissoudre chimiquement. Cette capacité s'étend notamment aux polluants pour lesquels les technologies existantes sont inefficaces ou ont un coût prohibitif. Des chercheurs de l'Institut indien de Science, à Bangalore, ont précisément utilisé les nanoparticules d'oxyde de titane à ces fins (voir 'Le traitement de l’eau à l’aide de la nanotechnologie nécessite la mise en place d’une technologie innovante').
Les nanoparticules magnétiques ont une grande surface par rapport à leur volume et peuvent ainsi facilement fixer les produits chimiques. On peut donc les utiliser dans les applications de traitement de l'eau afin qu'ils fusionnent avec des contaminants – tels que l'arsenic ou le pétrole – puis soit extraits grâce à un aimant. Plusieurs sociétés commercialisent ces technologies et les chercheurs publient régulièrement de nouvelles découvertes dans ce domaine. Nanorust and arsenic
CBEN/Rice University
Ainsi, des chercheurs du Rice University aux Etats-Unis utilisent des nanoparticules de rouille pour extraire l'arsenic de l'eau. [10] La large surface de la 'nanorouille' lui permet de capter cent fois plus d'arsenic que des matières plus grandes. L'équipe estime que 200 à 500 milligrammes de nanorouille pourront traiter un litre d'eau. Elle travaille actuellement au développement d'une méthode de fabrication de la nanorouille à partir d'articles domestiques usuels, ce qui pourrait réduire substantiellement les coûts de production, et en faire un produit viable pour les communautés dans le monde en développement.
En plus de purifier l'eau, les nanotechnologies peuvent également en détecter les contaminants. Les chercheurs développent de nouvelles technologies de détection qui combinent la microfabrication et la nanofabrication afin de créer de petits senseurs portatifs et de haute précision, capables de détecter des cellules isolées de substances chimiques et biochimiques dans l'eau. [11] Plusieurs consortiums de recherche mènent des essais de terrain pour de tels instruments- et certaines espèrent bientôt les commercialiser. Une équipe de l'Université de Pennsylvanie aux Etats-Unis a par exemple développé une technique de détection de l'arsenic dans l'eau ayant recours aux nanofibres sur une puce en silicone. [12] La recherche en nanotechnologie dans le monde en développement
Les dépenses consacrées aux nanotechnologies dans les régions développées comme l'Europe et les Etats-Unis sont très élevées, les gouvernements continuant d'accorder la priorité aux technologies susceptibles de sous-tendre la croissance économique future. Certains pays à revenu intermédiaire comme la Chine y consacrent également beaucoup de moyens (voir Figure 1). Figure 1: Dépenses consacrées aux nanotechnologies [13,14]
L'Afrique du Sud s'est dotée d'importantes capacités dans le domaine des nanotechnologies grâce à sa Stratégie nationale pour les Nanotechnologies, lancée en 2006. [15] Le pays a ainsi créé des centres d'innovation pour les nanosciences dans deux conseils scientifiques (science councils) du pays, dont l'un se penche sur les applications des nanotechnologies dans le domaine de l'eau. L'objectif assigné à la recherche est avant tout de résoudre les problèmes locaux. L'Université de Stellenbosch, par exemple, mène des travaux de recherche sur les membranes de purification de l'eau.
L'Inde a aussi considérablement investi dans les nanotechnologies – bien qu'il soit difficile de vérifier les chiffres, notamment parce que les investissements se font souvent au moyen de partenariats entre l'Etat et le secteur privé. D'autres pays en développement comprennent de plus en plus la nécessité de soutenir les nanosciences, notamment au vu de la contribution potentielle des nanotechnologies à la distribution d'eau potable. Le Brésil, Cuba, l'Arabie Saoudite et le Sri Lanka disposent tous de centres de nanosciences travaillant sur la question. Le nombre de brevets déposées par les chercheurs du monde en développement pour des inventions fondées sur les nanosciences augmente rapidement.
Des inventions au service du monde en développement
Dès aujourd'hui, des produits très adaptés aux besoins du Sud commencent à émerger des pays en développement, et d'autres sont en cours de développement ailleurs (voir Tableau 2).
Nanoéponge de récupération de l'eau de
Combinaison de polymères et de
nanoparticules de verre susceptibles d'être imprimés sur des surfaces comme
les tissus pour absorber l'eau
La récupération de l'eau de pluie est de
plus en plus importante pour les pays comme la Chine, le Népal et la
Thaïlande. La nanoéponge est beaucoup plus efficace que les traditionnels
filets de récupération de la buée.
Massachusetts Institute of Technology,
Etats-Unis Nanorouille pour l'extraction de l'arsenic
de l'eau
Des nanoparticules de dioxyde de fer en
suspension dans l'eau capturent les atomes polluants, qui sont ensuite
extraits à l'aide d'un aimant.
L'Inde, le Bangladesh et d'autres pays en développement
connaissent des milliers de cas d'empoisonnement par l'arsenic chaque année à
cause des puits contaminés.
University, Etats-Unis
Membrane de dessalement
Une combinaison de polymères et de
nanoparticules qui absorbe les ions d'eau et repousse les sels en solution.
Déjà commercialisé, cette membrane permet
le dessalement avec moins d'énergie que l'osmose inverse.
de Californie, Los Angeles et NanoH2O Membrane de nanofiltration
Membrane constituée de polymères avec des
pores d'une taille variant entre 0,1 et 1 nm
Testée sur le terrain pour le traitement de
l'eau potable en Chine et le dessalement de l'eau en Iran. L'utilisation de cette membrane
nécessite moins d'énergie que l'osmose inverse. Saehan Industries,
Corée du Sud Paille de filtration de l'eau avec des
nanomailles
Dispositif de filtration semblable à une
paille utilisant des nanotubes de carbone fixés sur une matière flexible et
poreuse
Ce filtre purifie l'eau au fur et à mesure
que vous la buvez. Les médecins utilisent actuellement un prototype en
Afrique et le produit final sera mis sur le marché à un prix abordable dans
les pays en développement
Laboratories, Etats-Unis World filter
Filtre utilisant une couche de nanofibres
constituée de polymères, de résines, de céramique et d'autres matériaux, qui
extrait les contaminants.
Conçus spécialement pour un usage
domestique ou communautaire dans les pays en développement, ces filtres sont
efficaces, faciles à utiliser et ne nécessitent aucun entretien.
KX Industries, Etats-Unis
Filtre à pesticides
Filtre utilisant des nanoparticules d'argent
pour absorber puis dissoudre trois pesticides très répandus dans l'eau en
Inde Les pesticides sont souvent retrouvés dans
l'eau dans les pays en développement. ce filtre peut fournir au ménage indien
moyen 6.000 litres d'eau potable en un an.
Indian Institute of
Technology in Chennai, Inde, et Eureka Forbes Limited, Inde. ableau 2 : Produits à base de nanotechnologies adaptés aux besoins des pays en développement susceptibles d'améliorer la fourniture en eau potable [10, 16–19]
Risques et opportunités
Toute évaluation des marchés futurs pour les traitements de l'eau à base des nanotechnologies doit tenir compte à la fois des risques et des opportunités.
Certains chercheurs prétendent que les études des implications éthiques, juridiques et sociales des nanotechnologies accusent un retard sur les aspects scientifiques. [20] Ils en veulent pour preuve le faible nombre de citations sur ces sujets que l'on retrouve dans la littérature et le fait que, aux Etats-Unis tout du moins, tous les fonds de recherche disponibles ne sont pas utilisés. Ainsi, l'Initiative nationale sur les Nanotechnologies des Etats-Unis avait accordé entre US$16 et 28 millions à la recherche sur les conséquences sociales plus larges des nanotechnologies. finalement Or le projet n'en a déboursé que la moitié. La plus faible capacité scientifique dont souffre de façon générale le monde en développement, explique aussi pourquoi le développement d'une réglementation efficace de l'éthique et des risques des nanotechnologies puisse être en retard sur le monde développé. Il existe néanmoins certains signes permettant de conclure qu'un débat sur l'aspect éthique de l'utilisation des nanotechnologies pour la purification de l'eau commence à émerger.
Certains chercheurs souhaitent voir d'avantage de recherche sur les risques potentiels pour la santé et l'environnement du recours aux nanotechnologies pour le traitement de l'eau. [6] Ainsi, la forte réactivité des nanoparticules pourrait aggraver leur toxicité. Leur petite taille les rend difficiles à contrôler, et les nanotechnologies pourraient ainsi s'échapper facilement dans l'environnement et potentiellement endommager la vie aquatique. L'ensemble des conséquences de l'exposition aux nanomatériaux – que ce soit leur manipulation dans les installations de traitement de l'eau ou leur consommation dans l'eau traitée – demeure inconnu. Mais pour ce qui est de l'évaluation des risques, nous pouvons cependant établir une distinction entre nanoparticules actifs et passifs. Les particules passives, comme ceux utilisés dans les revêtements, présenteront probablement autant de risques que d'autres processus de fabrication – ni plus, ni moins. [21] Mais les particules actifs susceptibles de se mouvoir dans l'environnement entraînent des risques quant à leur contrôle et à leur maîtrise.
Ainsi, les nanotechnologies pourront-elles véritablement contribuer à la résolution des problèmes d'eau dans le monde en développement ? Deux signes l'indiquent. Tout d'abord, les professionnels de l'eau et les scientifiques font de plus en plus participer les communautés locales dans les discussions visant à comprendre les problèmes et les opportunités liées à l'utilisation des nanotechnologies pour l'amélioration de la qualité de l'eau. Ensuite, la commercialisation des nanotechnologies étant à un stade précoce, nous espérons que ces discussions – entre chercheurs, communautés et industriels – inciteront les scientifiques et les entreprises à mettre au point des modèles adaptés afin d'exploiter leurs inventions.
David J. Grimshaw est le responsable du programme international des nouvelles technologies de Practical Action et consultant en nouvelles technologies auprès du Réseau Sciences et Développement (SciDev.Net).
[1] Prüss-Üstün, A., Bos, R., Gore, F. et al. Safer water, better health: Costs, benefits and sustainability of interventions to protect and promote health..WHO, Geneva (2008)
[2] The Millennium Development Goals and water. World Water Assessment Programme
[3] The Royal Society and The Royal Academy of Engineering. Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties. Royal Society (2004)
[4] Nanotechnology, commodities and development. Meridian Institute background paper (2007)
[5] Grimshaw, D.J., Gudza, L.D. and Stilgoe, J. How can nanotechnologies fulfill the needs of developing countries? In: Savage, N., Diallo, M., Duncan, J. et al (eds.) Nanotechnology Applications for Clean Water. William Andrew: Norwich NY (2009)
[6] Hillie, T. and Hlophe,M. Nanotechnology and the challenge of clean water. Nature Nanotechnology 2 (2007)
[7] Efficient filters produced from carbon nanotubes through Rensselaer Polytechnic Institute-Banaras Hindu University collaborative research. Rensselaer (2004)
[8] Khider, K., Akretche, D.E. and Larbot, A. Purification of water effluent from a milk factory by ultrafiltration using Algerian clay support. Desalination 167 (2004)
[9] Gillman, G.P. A simple technology for arsenic removal from drinking water using hydrotalcite. Science of the Total Environment 336 (2006)
[10] Yavuz, C.T., Mayo, J.T., Yu, W.W. et al. Low-field magnetic separation of monodisperse Fe3O4 nanocrystals. Science 10 (2006)
[11] Hille, T., Munasinghe, M., Hlope, M. et al. Nanotechnology, water and development. Meridian Institute (2006)
[12] Patel, P. Nanosensors made easy. Technology Review (2009)
[13] US National Nanotechnology Initiative
[14] Claassens, C.H. Nanotechnology in South Africa. Nano 7 (2008)
[15] The National Nanotechnology Strategy. Department of Science and Technology, South Africa
[16] Nanotechnology pesticide filter debuts in India. Nanowerk (2007)
[17] Brown, S. Water, water everywhere. ScienceNOW Daily News (2006)
[18] Abraham, M. Today's seawater is tomorrow's drinking water: UCLA engineers develop revolutionary nanotech water desalination membrane. UCLA Newsroom (2006)
[19] Overview and comparison of conventional water treatment technologies and nano-based treatment technologies. Meridian Institute. (2006)
[20] Mnyusiwalla, A., Daar, A.S. and Singer, P.A. Mind the gap: science and ethics in nanotechnology. Nanotechnology 14 (2003)
[21] French, A. Nanotechnology: New Opportunities, New Risks. B 6 The Benfield Group (2004)
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