Comment le dioxyde de titane contribue à rendre l’eau potable plus propre et plus sûre

Les défis auxquels est confrontée l’industrie du traitement de l’eau à l’échelle mondiale sont encore bien loin d’être surmontés. Des milliards d’individus ne bénéficient toujours pas d’un accès basique à l’eau potable ou d’infrastructures de production d’eau comestible.

Mais pour les scientifiques en quête de solutions, le dioxyde de titane (TiO2) est une option fréquemment envisagée. Le TiO2 possède en effet diverses propriétés photocatalytiques capables d’améliorer la durabilité et l’efficacité des installations utilisées pour le traitement de l’eau potable.

Il a par ailleurs un rôle essentiel à jouer à l’avenir : lutter contre la pollution des cours d’eau provoquée par l’homme, et aider les communautés du tiers-monde à avoir accès à une eau potable salubre, ce qui permettra de sauver des vies.

Renforcer l’efficacité des installations

Le TiO2 peut aider indirectement l’industrie de l’eau à améliorer les infrastructures utilisées par les spécialistes du traitement des eaux. Équipés de matériaux plus efficaces, les professionnels de l’industrie pourront se concentrer sur les tâches qui comptent vraiment.

Prenons l’exemple de canalisations extérieures en polychlorure de vinyle (PVC). On estime que les canalisations en PVC durent jusqu’à 100 ans si elles sont correctement entretenues.

Bien que les canalisations en PVC soient souvent installées sous terre, elles sont régulièrement utilisées dans des situations qui les exposent à des niveaux élevés de rayonnement ultraviolet (UV). C’est particulièrement vrai pour les applications industrielles telles que les usines de traitement des eaux.

Lorsqu’une installation en PVC non-protégée est exposée à la lumière naturelle, le rayonnement UV provoque une série de réactions complexes qui décomposent le polymère.

Des canalisations multicolores

Mur décoratif composé de canalisations multicolores en PVC.

C’est là que le TiO2 peut entrer en jeu. Il réfracte et absorbe la plupart des rayons UV, protégeant ainsi les molécules de PVC. D’après la Plastics Industry Pipe Association (PIPA), un organisme australien : « Les études ont confirmé que le dioxyde de titane offre aux canalisations en PVC une excellente protection contre le rayonnement UV. »

Depuis les années 1980, les normes australiennes relatives aux canalisations en PVC exigent une concentration élevée en TiO2 en raison de son rôle essentiel.

Dans les usines de traitement des eaux, les bénéfices du TiO2 peuvent être exploités à grande échelle.

Le TiO2 est souvent utilisé pour faciliter le nettoyage du verre et du béton. Les propriétés photocatalytiques du TiO2 lui permettent, sous certaines formes, d’interagir avec la lumière naturelle afin de biodégrader la matière organique présente sur les surfaces et à proximité – des murs en béton ou des fenêtres en verre, par exemple. Il pourrait ainsi réduire les coûts d’entretien et de nettoyage des usines de traitement des eaux.

Un rôle clé dans la recherche et développement (R&D)

Les bénéfices du dioxyde de titane pour l’industrie de l’eau peuvent largement dépasser les limites des infrastructures. Les scientifiques mettent de plus en plus en avant ses qualités quand il s’agit de trouver des solutions pour le traitement des eaux elles-mêmes.

« La R&D s’intéresse au TiO2 depuis plusieurs dizaines d’années, que ce soit pour le traitement et l’élimination des molécules organiques ou pour la production énergétique », explique Kieran Nolan, Directeur du département des Sciences chimiques à l’Université de la ville de Dublin (DCU) et expert dans l’étude de l’utilisation du dioxyde de titane pour le traitement des eaux.

« Le traitement des eaux se déroule généralement en trois étapes dites primaire, secondaire et tertiaire, ajoute-t-il. Le TiO2 intervient à l’étape tertiaire, et on envisage de l’utiliser pour remplacer d’autres processus du traitement de l’eau, comme la chloration. »

Lors du processus d’oxydation, c’est l’une des solutions reconnues pour « filtrer l’eau », c’est-à-dire pour éliminer les molécules que les étapes primaire et secondaire du traitement n’ont pas réussi à supprimer.

Le TiO2 continue de faire l’objet d’études innovantes : on propose notamment son utilisation dans les feuilles de graphène lors de l’étape de filtration du traitement des eaux, en remplacement du charbon actif.

Un autre domaine d’intérêt pour l’équipe du Dr Nolan : comment lutter contre la présence de médicaments dans l’eau ainsi que dans l’environnement lui-même.

Ces dernières années, les préoccupations liées à la présence de médicaments, de solvants et de matières brutes dans les plans d’eau, y compris dans les eaux usées produites par l’industrie pharmaceutique, ont fait l’objet d’une attention croissante.

De nombreuses études menées aux États-Unis, au Canada et en Europe ont démontré la présence de médicaments dans l’eau destinée à la consommation. Plusieurs projets de recherche s’intéressent aux méthodes de traitement capables de contribuer à la détection et à l’élimination de ces médicaments.

Les chercheurs ont proposé diverses méthodes visant à éliminer les médicaments présents dans les eaux usées, notamment l’utilisation du TiO2 et de ses propriétés photocatalytiques pour les décomposer. Il s’agit d’une solution abordable, non-toxique et sans danger. Le

TiO2 continue de faire l’objet d’études innovantes : on propose notamment son utilisation dans les feuilles de graphène lors de l’étape de filtration du traitement des eaux, en remplacement du charbon actif.

Extrait pour la première fois en 2004, le graphène est composé d’atomes de carbone arrangés en hexagone.

On peut soit appliquer du TiO2 sur la surface des feuilles de graphène, soit l’utiliser en combinaison avec du charbon actif. Dans un cas comme dans l’autre, il permet de biodégrader ou d’éliminer un large éventail de molécules toujours présentes dans l’eau après les deux premières étapes de purification.

« Il s’agit de recherches de pointe, explique le Dr Nolan.

Nous avons constaté que cette solution fonctionne – mais elle est extrêmement coûteuse. » Bien qu’elle en soit encore au stade de la R&D, cette application est un autre exemple de questions complexes pour lesquelles le TiO2 constitue une réponse.

Un vecteur de changement

Le dioxyde de titane a été décrit par la Royal Society of Chemistry (RSC) comme « l’avenir du traitement des eaux ».

Entre autres applications potentielles, il pourrait améliorer de manière rentable et sécurisée certaines pratiques déjà bien implantées comme la désinfection solaire de l’eau (SODIS).

La désinfection solaire de l’eau est une idée relativement simple développée il y a quelques dizaines d’années, et qui commence à changer la vie des communautés des pays en voie de développement. Le principe : l’eau est versée dans des récipients transparents exposés aux rayons solaires. Ceux-ci détruisent les micro-organismes, rendant ainsi l’eau plus propre à la consommation.

Un rapport produit par la RSC décrit la désinfection solaire de l’eau comme « un bon point de départ pour un nouveau type de traitement des eaux, mais qui nécessite des améliorations ». L’un des principaux problèmes de ce processus est sa lenteur.

Une solution consiste à appliquer à l’intérieur de récipients, par exemple des bouteilles en verre ou en plastique, une très fine couche de particules de TiO2 afin de renforcer l’action de la lumière. Avec l’aide du TiO2, cette solution simple pourrait aider plus d’individus à bénéficier d’une eau potable salubre, et sauver ainsi des vies.

Pour en savoir plus sur le rôle du TiO2 dans le nettoyage de l’eau potable au moyen des rayons solaires, rendez-vous sur cette page.

Il apparaît comme une évidence que le TiO2 a un rôle essentiel à jouer dans le traitement des eaux, à la fois directement et indirectement. Les possibilités sont illimitées, et les scientifiques continuent de tirer parti de ses propriétés pour améliorer les performances de cette industrie.