Le miracle de la purification de l’eau : où vont les ions de métaux lourds dans l’eau ?

Le miracle de la purification de l’eau : où vont les ions de métaux lourds dans l’eau ?

Les chats de la ville titubaient comme s'ils étaient ivres, puis sautaient follement dans la mer, comme s'ils essayaient d'éteindre une flamme invisible sur leur corps. Peu de temps après, les habitants de la ville ont commencé à parler de manière pâteuse, à tituber en marchant sur la route et à avoir des signes de démence sur leurs visages... Il y avait même des habitants malades mentaux qui mouraient progressivement. Qu'est-il arrivé à cette ville...

1. Maladie de Minamata

En 1953, une étrange maladie a été découverte dans la ville de Minamata, dans la préfecture de Kumamoto, au Japon. Cette maladie est apparue pour la première fois chez les chats. Certains chats présentaient des comportements anormaux, tels que des cris étranges, une démarche instable et des sauts dans la mer pour se suicider, et étaient appelés « chats suicidaires ». Par la suite, cette maladie a commencé à apparaître chez les gens. Dans les cas légers, on a observé des symptômes tels que des troubles de l’élocution, une démarche instable, une démence faciale et une perte de vision. Dans les cas graves, des symptômes tels que des troubles mentaux et même la mort ont été observés. À cette époque, la maladie était appelée « maladie de Minamata » car la cause était inconnue.

Figure 1 Maladie de Minamata

La maladie de Minamata est une maladie chronique d’intoxication au mercure causée par l’ingestion à long terme de produits aquatiques contenant du mercure organique. Elle endommage le système nerveux central humain et se manifeste par des symptômes tels que des troubles sensoriels, des troubles du mouvement, une atrophie musculaire, des troubles visuels et auditifs et, dans les cas graves, peut entraîner la mort. La maladie de Minamata n’affecte pas seulement les adultes, mais peut également être transmise au fœtus par les femmes enceintes, provoquant une maladie congénitale de Minamata.

Alors, d’où vient le mercure présent dans l’eau ?

2. Ions de métaux lourds dans l'eau

L'usine New Nippon Cyano Soda de Minamata a déversé des eaux usées contenant de grandes quantités de mercure directement dans la baie de Minamata sans traitement. Le mercure présent dans les eaux usées a été transformé en méthylmercure plus toxique par des micro-organismes présents dans les sédiments. Il pénètre dans le corps animal ou humain par bioaccumulation et provoque de graves dommages au système nerveux central.

Outre le mercure, les ions métalliques toxiques courants dans les plans d’eau comprennent le plomb, le cadmium, le chrome, l’arsenic, etc. Ces éléments sont difficiles à biodégrader et s’accumulent facilement. À une certaine concentration, il peut avoir des effets toxiques sur les écosystèmes et les produits aquatiques et constituer une menace pour la santé humaine. Ce type de pollution provient principalement des eaux usées industrielles, de l’exploitation minière, de l’utilisation de pesticides et de la fusion des métaux, et présente une forte activité chimique.

3. Technologie de traitement des ions de métaux lourds dans l'eau

Le traitement des ions de métaux lourds dans l’eau est une branche importante du traitement des eaux usées industrielles. Une technologie de traitement de l’eau efficace, économique et respectueuse de l’environnement est d’une grande importance pour la protection de l’environnement et la santé humaine. Selon les résultats de recherche de Ma Linfeng et d’autres chercheurs, le biochar modifié par Na₂S a la capacité d’adsorber efficacement les ions de métaux lourds dans l’eau, offrant une méthode très efficace pour traiter l’eau contaminée par des métaux lourds.

1. Processus de préparation :

(1) Préparation de la matière première : Tout d’abord, le biochar est nécessaire. Le biochar est un matériau riche en carbone produit par pyrolyse à haute température de biomasse (comme la paille végétale, le bois, etc.) dans un environnement pauvre en oxygène. Il possède une structure poreuse riche et une grande surface spécifique, comme un « appartement microscopique » avec de nombreuses petites pièces, offrant un espace pour l'adsorption des ions de métaux lourds.

Figure 2 Biochar

(2) Ajout de modificateur : du Na₂S est ensuite ajouté au biochar. Na₂S subit une hydrolyse dans l'eau pour produire des ions S²⁻. Ces ions S²⁻ sont comme de « petits crochets » qui peuvent se lier étroitement aux ions de métaux lourds.

(3) Mélange et réaction : Mélanger soigneusement la solution contenant du Na₂S avec du biochar afin que le Na₂S puisse être réparti uniformément sur la surface et les pores du biochar. Dans certaines conditions (telles que la température appropriée, le temps de réaction, etc.), Na₂S interagit avec le biochar et modifie le biochar. Après modification, les propriétés chimiques de surface et la structure du biochar ont changé, le rendant plus propice à l'adsorption des ions de métaux lourds.

2. Mécanisme d'adsorption :

(1) Échange d'ions : le biochar lui-même contient certains cations, tels que des ions potassium (K⁺), des ions sodium (Na⁺), etc. Lorsqu'une solution contenant des ions de métaux lourds entre en contact avec du biochar modifié par Na₂S, les ions de métaux lourds sont échangés avec ces cations à la surface du biochar. Comme dans une « station d’échange d’ions », les ions de métaux lourds remplacent les cations d’origine et sont adsorbés sur le biochar.

(2) Précipitation chimique : Les ions S²⁻ produits par l'hydrolyse de Na₂S ont une forte affinité avec les ions de métaux lourds et se combinent pour former des précipités de sulfure insolubles. Ces précipités adhéreront à la surface et aux pores du biochar, permettant ainsi l’adsorption des ions de métaux lourds. Par exemple, les ions cuivre (Cu²⁺), les ions mercure (Hg²⁺), etc. peuvent être adsorbés de cette manière.

(3) Complexation de surface : La surface du biochar modifié présente de nombreux groupes fonctionnels, tels que l'hydroxyle (-OH) et le carboxyle (-COOH). Ces groupes fonctionnels peuvent réagir avec des ions de métaux lourds pour former des complexes stables. C'est comme utiliser des « liaisons chimiques » pour fixer fermement les ions de métaux lourds sur le biochar, améliorant ainsi la stabilité de l'adsorption.

(4) Adsorption physique : La structure des pores du biochar offre une grande surface spécifique, permettant aux ions de métaux lourds de se fixer à la surface du biochar par adsorption physique. Cette méthode d’adsorption repose principalement sur l’attraction entre les molécules. Bien qu’il soit relativement faible, il contribue également à l’effet d’adsorption global.

Le biochar modifié par Na₂S peut adsorber efficacement les ions de métaux lourds dans l'eau grâce à l'effet synergique des multiples mécanismes d'adsorption mentionnés ci-dessus. Cette méthode présente les avantages d'un fonctionnement simple, d'un faible coût et d'un bon effet d'adsorption, et offre de larges perspectives d'application dans les domaines de la protection de l'environnement et du contrôle de la pollution de l'eau.