Rapprocher la science et le développement

  • Les nanotechnologies d'épuration de l'eau : Faits et chiffres

Les nanotechnologies pourraient apporter l'eau potable des millions de personnes.David J. Grimshaw prsente leur potentiel, les progrs accomplis et les quelques risques y affrant.

La technologie contribue depuis des millnaires la fourniture de l'eau potable et l'irrigation des cultures. Environ 3000 ans avant JC, les Romains utilisaient dj les aqueducs pour acheminer l'eau potable. Assurer que les technologies modernes soient la disposition des pauvres de la plante se rvle pourtant une tche difficile. Les nanotechnologies offrent-elles plus de possibilits que les technologies prcdentes ?

L'eau est une ressource rare. Dans plusieurs pays, notamment auMoyen-Orient, la demande surpasse dj l'offre disponible. Avec les pressions engendres par les changements climatiques et la croissance dmographique, l'eau deviendra d'autant plus rare, particulirement dans les pays en dveloppement. En outre, l'eau disponible dans ces rgions est souvent impropre la consommation humaine (voir Tableau 1).

de personnes n'ont pas accs l'eau potable, soit environ une personne sur huit.

la distance moyenne parcourue pied par les femmes d'Afrique et d'Asie pour aller chercher de l'eau.

de personnes meurent chaque anne des suites de maladies hydriques.

des dcs dus aux maladies hydriques ont lieu dans le monde en dveloppement.

de dcs dus aux maladies hydriques sont des enfants gs de moins de 14 ans.

de dcs dus aux maladies hydriques sont causes par la diarrhe.

de personnes risquent l'empoisonnement l'arsenic au Bangladesh, en Inde et au Npal.

L'accs de tous les tres humains l'eau potable est aujourd'hui un but inscrit dans les Objectifs du Millnaire pour le Dveloppement, qui visent rduire de moiti la proportion de personnes dpourvues d'accs l'eau potable d'ici 2015. Selon le Programme mondial pour l'Evaluation des Ressources en Eau, cela suppose une amlioration de l'accs l'eau pour 1,5 milliards de personnes. [2]

Mais comment atteindre un tel objectif ? Des approches diffrentes pour fournir l'eau potable aux communauts pauvres se sont fondes sur les sciences conomiques ou la technologie. Une approche conomique se focalise gnralement sur l'importance de la rgulation, des institutions ou de l'ouverture des marchs. Une approche technologique insiste plutt sur le dveloppement d'une pompe eau, de systmes de filtration ou de nouvelles applications - comme les nanotechnologies, par exemple.

Le potentiel des nanotechnologies

A la diffrence des autres technologies qui sont les manations concrtes d'une discipline scientifique particulire, les nanotechnologies sont le reflet d'une vaste gamme de disciplines scientifiques. Elles se dfinissent avant tout par l'chelle laquelle elles oprent. Les nanosciences et les nanotechnologies renvoient ainsi l'tude et au travail de la matire une chelle ultrapetite. Un nanomtre est le millionime du millimtre - la largeur d'un seul cheveu humain est d'environ 80.000 nanomtres de diamtre. [3] Ce type d'chelle peut tre difficile visualiser : si la distance entre le soleil et la Terre tait d'un mtre, un nanomtre aurait alors la taille d'un terrain de football.

L'chelle nanomtrique traite des parties les plus petites de la matire qu'il soit possible de manipuler. Travailler l'chelle nanomtrique facilite l'assemblage des atomes et des molcules des spcifications exactes. C'est un peu comme btir un modle partir de cubes de Lego: la nanotechnologie permet la fois le dveloppement de nouveaux matriaux et la modification des matriaux existants. Pour des applications telles que la purification de l'eau, des matriaux peuvent donc tre taills ou adapts pour permettre la filtration des mtaux lourds ou des toxines biologiques.

A l'chelle nanomtrique, les matriaux ont souvent des proprits optiques ou lectriques diffrentes de celles des mmes matriaux l'chelle microscopique ou macroscopique. Ainsi, les nanoparticules d'oxyde de titane sont des catalyseurs plus efficaces que l'oxyde de titane l'chelle macroscopique. En outre, leurs proprits permettant la dgradation des polluants organiques peuvent servir dans le traitement de l'eau. Dans d'autres cas, au contraire, la petite taille des nanoparticules manufacturs peut aggraver la toxicit de la matire.

Le principal apport des nanotechnologies dans l'approvisionnement en eau serait de relever les dfis techniques poss par la filtration des agents contaminant comme les bactries, les virus, l'arsenic, le mercure, les pesticides ou le sel.

Pour de nombreux chercheurs et ingnieurs, les nanotechnologies reprsentent des outils abordables, efficaces, performants et durables pour purifier l'eau.La production des nanoparticules serait en outre moins polluante que les mthodes traditionnelles de purification de l'eau, ncessitant moins de main-d'uvre, de capitaux, de terres et d'nergie. [4]

Ce n'est pas la premire fois que les nouvelles technologies affichent de telles prtentions. Il existe nanmoins des raisons d'esprer condition de dvelopper de nouveaux modles commerciaux permettant l'utilisation durable des nanotechnologies pour la rsolution de problmes concrets, identifis de concert avec les communauts locales.[5]

L'tat de la question

Un large choix d'appareils de traitement de l'eau ayant recours aux nanotechnologies a dj t mis sur le march.D'autres sont le seront prochainement ou sont encore en cours de dveloppement.

Les membranes de nanofiltration sont dj largement utilises pour dessaler l'eau, filtrer les polluants microscopiques, rduire le calcaire ou traiter les eaux uses. Ces membranes agissent comme une barrire physique retenant tout microorganisme ou particule d'une taille suprieure ses pores, et rejetant certaines substances de manire slective. On s'attend une future amlioration dans la technologie de purification par les membranes de nanofiltration.Les cots prohibitifs de dessalement, c'est--dire la production de l'eau douce partir de l'eau sale, devraient par ailleurs tre ainsi limits.

Des chercheurs dveloppent de nouvelles classes de matriaux nanoporeux plus efficaces que les filtres conventionnels. Ainsi, une tude mene en Afrique du Sud a montr que les membranes de nanofiltration peuvent produire de l'eau potable partir de l'eau saumtre. [6] Une quipe compose de scientifiques indiens et amricains a par ailleurs dvelopp des filtres en nanotubes de carbone capables de mieux extraire les virus et les bactries de l'eau que les filtres conventionnels sous forme de membrane.[8]

L'argile attapulgite et les zolites naturelles ont aussi leur rle jouer dans les nanofiltres. Ces lments sont disponibles dans de nombreuses rgions du monde et prsentent des pores naturels de taille nanoscopique. Une tude utilisant des membranes en argile attapulgite pour la filtration des eaux uses d'une usine laitire en Algrie a dmontr que ces matriaux peuvent rduire de faon efficace et peu onreuse les quantits de lactosrum et d'autres matires organiques prsentes dans les eaux uses, les rendant ainsi propres la consommation. [8]

Il est tout aussi possible de produire les zolites artificiellement. Elles peuvent ainsi servir l'extraction des matires organiques nocives de l'eau, ainsi que des ions mtalliques plus lourds. Des chercheurs de l'Organisation de Recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSRO) d'Australie ont dvelopp l'hydrotalcite, une argile synthtique peu chre qui attire l'arsenic afin de l'extraire de l'eau. [9] Ils ont mis au point un conditionnement innovant pour ce produit destin aux communauts faible revenu sous la forme d'un sachet similaire au sachet de th que l'on peut plonger dans l'eau environ 15 minutes avant de la boire. La revente des sachets aux autorits pourrait ainsi favoriser le recyclage et le traitement des dchets d'arsenic concentr.

Nanocatalyseurs, nano-aimants et nanodtecteurs

Les nanocatalyseurs et les nanoparticules magntiques sont d'autres exemples de contributions la purification de l'eau fortement pollue afin de la rendre potable et propre la consommation humaine, l'assainissement ou l'irrigation, rendues possibles par les nanotechnologies. Les nanocatalyseurs doivent leurs capacits catalytiques optimises leur taille nanoscopique ou au fait qu'ils ont t modifis cette chelle. Au lieu de transfrer les polluants, ils peuvent les dissoudre chimiquement. Cette capacit s'tend notamment aux polluants pour lesquels les technologies existantes sont inefficaces ou ont un cot prohibitif. Des chercheurs de l'Institut indien de Science, Bangalore, ont prcisment utilis les nanoparticules d'oxyde de titane ces fins (voir 'Le traitement de leau laide de la nanotechnologie ncessite la mise en place dune technologie innovante').

Les nanoparticules magntiques ont une grande surface par rapport 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 ptrole puis soit extraits grce un aimant. Plusieurs socits commercialisent ces technologies et les chercheurs publient rgulirement de nouvelles dcouvertes dans ce domaine.

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 matires plus grandes. L'quipe estime que 200 500 milligrammes de nanorouille pourront traiter un litre d'eau. Elle travaille actuellement au dveloppement d'une mthode de fabrication de la nanorouille partir d'articles domestiques usuels, ce qui pourrait rduire substantiellement les cots de production, et en faire un produit viable pour les communauts dans le monde en dveloppement.

En plus de purifier l'eau, les nanotechnologies peuvent galement en dtecter les contaminants. Les chercheurs dveloppent de nouvelles technologies de dtection qui combinent la microfabrication et la nanofabrication afin de crer de petits senseurs portatifs et de haute prcision, capables de dtecter des cellules isoles de substances chimiques et biochimiques dans l'eau. [11] Plusieurs consortiums de recherche mnent des essais de terrain pour de tels instruments- et certaines esprent bientt les commercialiser. Une quipe de l'Universit de Pennsylvanie aux Etats-Unis a par exemple dvelopp une technique de dtection de l'arsenic dans l'eau ayant recours aux nanofibres sur une puce en silicone. [12]

La recherche en nanotechnologie dans le monde en dveloppement

Les dpenses consacres aux nanotechnologies dans les rgions dveloppes comme l'Europe et les Etats-Unis sont trs leves, les gouvernements continuant d'accorder la priorit aux technologies susceptibles de sous-tendre la croissance conomique future. Certains pays revenu intermdiaire comme la Chine y consacrent galement beaucoup de moyens (voir Figure 1).

L'Afrique du Sud s'est dote d'importantes capacits dans le domaine des nanotechnologies grce sa Stratgie nationale pour les Nanotechnologies, lance en 2006. [15] Le pays a ainsi cr 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 assign la recherche est avant tout de rsoudre les problmes locaux. L'Universit de Stellenbosch, par exemple, mne des travaux de recherche sur les membranes de purification de l'eau.

L'Inde a aussi considrablement investi dans les nanotechnologies bien qu'il soit difficile de vrifier les chiffres, notamment parce que les investissements se font souvent au moyen de partenariats entre l'Etat et le secteur priv.

D'autres pays en dveloppement comprennent de plus en plus la ncessit de soutenir les nanosciences, notamment au vu de la contribution potentielle des nanotechnologies la distribution d'eau potable. Le Brsil, Cuba, l'Arabie Saoudite et le Sri Lanka disposent tous de centres de nanosciences travaillant sur la question. Le nombre de brevets dposes par les chercheurs du monde en dveloppement pour des inventions fondes sur les nanosciences augmente rapidement.

Des inventions au service du monde en dveloppement

Ds aujourd'hui, des produits trs adapts aux besoins du Sud commencent merger des pays en dveloppement, et d'autres sont en cours de dveloppement ailleurs (voir Tableau 2).

Nanoponge de rcupration de l'eau de pluie

Combinaison de polymres et de nanoparticules de verre susceptibles d'tre imprims sur des surfaces comme les tissus pour absorber l'eau

La rcupration de l'eau de pluie est de plus en plus importante pour les pays comme la Chine, le Npal et la Thalande. La nanoponge est beaucoup plus efficace que les traditionnels filets de rcupration de la bue.

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 l'aide d'un aimant.

L'Inde, le Bangladesh et d'autres pays en dveloppement connaissent des milliers de cas d'empoisonnement par l'arsenic chaque anne cause des puits contamins.

Rice University, Etats-Unis

Une combinaison de polymres et de nanoparticules qui absorbe les ions d'eau et repousse les sels en solution.

Dj commercialis, cette membrane permet le dessalement avec moins d'nergie que l'osmose inverse.

Universit de Californie, Los Angeles et NanoH2O

Membrane constitue de polymres avec des pores d'une taille variant entre 0,1 et 1 nm

Teste sur le terrain pour le traitement de l'eau potable en Chine et le dessalement de l'eauen Iran. L'utilisation de cette membrane ncessite moins d'nergie que l'osmose inverse.

Saehan Industries, Core du Sud

Paille de filtration de l'eau avec des nanomailles

Dispositif de filtration semblable une paille utilisant des nanotubes de carbone fixs sur une matire flexible et poreuse

Ce filtre purifie l'eau au fur et mesure que vous la buvez. Les mdecins utilisent actuellement un prototype en Afrique et le produit final sera mis sur le march un prix abordable dans les pays en dveloppement

Seldon Laboratories, Etats-Unis

Filtre utilisant une couche de nanofibres constitue de polymres, de rsines, de cramique et d'autres matriaux, qui extrait les contaminants.

Conus spcialement pour un usage domestique ou communautaire dans les pays en dveloppement, ces filtres sont efficaces, faciles utiliser et ne ncessitent aucun entretien.

Filtre utilisant des nanoparticules d'argent pour absorber puis dissoudre trois pesticides trs rpandus dans l'eau en Inde

Les pesticides sont souvent retrouvs dans l'eau dans les pays en dveloppement. ce filtre peut fournir au mnage indien moyen 6.000 litres d'eau potable en un an.

Indian Institute of Technology in Chennai, Inde, et Eureka Forbes Limited, Inde.

Risques et opportunits

Toute valuation des marchs futurs pour les traitements de l'eau base des nanotechnologies doit tenir compte la fois des risques et des opportunits.

Certains chercheurs prtendent que les tudes des implications thiques, 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 littrature et le fait que, aux Etats-Unis tout du moins, tous les fonds de recherche disponibles ne sont pas utiliss. Ainsi, l'Initiative nationale sur les Nanotechnologies des Etats-Unis avait accord entre US$16 et 28 millions la recherche sur les consquences sociales plus larges des nanotechnologies. finalement Or le projet n'en a dbours que la moiti.

La plus faible capacit scientifique dont souffre de faon gnrale le monde en dveloppement, explique aussi pourquoi le dveloppement d'une rglementation efficace de l'thique et des risques des nanotechnologies puisse tre en retard sur le monde dvelopp. Il existe nanmoins certains signes permettant de conclure qu'un dbat sur l'aspect thique de l'utilisation des nanotechnologies pour la purification de l'eau commence merger.

Certains chercheurs souhaitent voir d'avantage de recherche sur les risques potentiels pour la sant et l'environnement du recours aux nanotechnologies pour le traitement de l'eau. [6] Ainsi, la forte ractivit des nanoparticules pourrait aggraver leur toxicit. Leur petite taille les rend difficiles contrler, et les nanotechnologies pourraient ainsi s'chapper facilement dans l'environnement et potentiellement endommager la vie aquatique. L'ensemble des consquences de l'exposition aux nanomatriaux que ce soit leur manipulation dans les installations de traitement de l'eau ou leur consommation dans l'eau traite demeure inconnu.

Mais pour ce qui est de l'valuation des risques, nous pouvons cependant tablir une distinction entre nanoparticules actifs et passifs. Les particules passives, comme ceux utiliss dans les revtements, prsenteront 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 entranent des risques quant leur contrle et leur matrise.

Ainsi, les nanotechnologies pourront-elles vritablement contribuer la rsolution des problmes d'eau dans le monde en dveloppement ? Deux signes l'indiquent. Tout d'abord, les professionnels de l'eau et les scientifiques font de plus en plus participer les communauts locales dans les discussions visant comprendre les problmes et les opportunits lies l'utilisation des nanotechnologies pour l'amlioration de la qualit de l'eau.

Ensuite, la commercialisation des nanotechnologies tant un stade prcoce, nous esprons que ces discussions entre chercheurs, communauts et industriels inciteront les scientifiques et les entreprises mettre au point des modles adapts 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 auprs du Rseau Sciences et Dveloppement (SciDev.Net).

Références

[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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