La microscopie SEM CIQTEK dévoile des nanosphères de Cu-C pour surmonter la désactivation des catalyseurs dans le traitement des eaux usées

Avec l'accélération de l'industrialisation et la croissance continue des émissions polluantes, les eaux usées organiques représentent une menace sérieuse pour les écosystèmes et la santé humaine. Les statistiques montrent que la consommation énergétique liée au traitement des eaux usées industrielles représente 28 % de la consommation énergétique mondiale du traitement de l'eau. Cependant, la technologie Fenton conventionnelle souffre d'une désactivation des catalyseurs, ce qui entraîne une faible efficacité de traitement. Les catalyseurs métalliques utilisés dans les procédés d'oxydation avancés sont confrontés à des goulots d'étranglement courants : le cycle redox ne peut pas être maintenu efficacement, les voies de transfert d'électrons sont limitées et les méthodes de préparation traditionnelles reposent sur des températures et des pressions élevées, avec des rendements de seulement 11 à 15 %.

Pour relever ces défis, une équipe de recherche de Université de technologie de Dalian ont développé un nanocatalyseur Cu-C en couplant de manière directionnelle de la cellulose commerciale avec des ions cuivre, par une méthode de remplacement galvanique chimique par voie humide. Ils ont également mis au point un nouveau système de dégradation caractérisé par une mécanisme catalytique à double canal (voie radicalaire + transfert direct d'électrons) et une large adaptabilité au pH. Le matériau a atteint 65 % de dégradation de la tétracycline en 5 minutes (contre < 5 % avec les catalyseurs commerciaux), avec une lixiviation des ions cuivre inférieure à 1,25 mg/L (inférieure à la norme nationale de 2,0 mg/L). Dans un réacteur à lit fixe (PTR), plus de 99 % des polluants ont été éliminés en seulement 20 secondes. En permettant une activité catalytique soutenue par la voie de transfert direct d'électrons, cette approche a permis de surmonter le problème de longue date de la faible adaptabilité environnementale des catalyseurs traditionnels.

L'étude, intitulée « Dégradation catalytique robuste à double canal s'appuyant sur des polluants organiques via des composites Cu-C avec récolte d'électrons directionnelle et génération d'espèces radicalaires classiques » , a été publié dans Journal de génie chimique .

Formation de nanocatalyseurs Cu-C

En utilisant de la cellulose commerciale comme support, l'équipe a incorporé des ions cuivre par une méthode de remplacement galvanique chimique par voie humide pour construire des nanocomposites Cu-C à activité catalytique à double canal. Les caractérisations ont révélé des effets uniques de transfert d'électrons dans diverses conditions. Imagerie MEB ( CIQTEK SEM5000 ) a révélé l'évolution microstructurale : la cellulose vierge présentait un réseau désordonné qui, après formation du composite, se transformait en sphères de cuivre de 10 nm qui s'auto-assemblaient en agrégats hiérarchiques de 100 nm. Cette structure garantissait une dispersion et un transport d'électrons élevés. SEM-EDS distribution uniforme des éléments confirmée. Les spectres FTIR ont révélé un pic Cu₂O à 682,31 cm⁻¹ dû aux réactions redox pendant la synthèse. La présence de groupes C=C, C=O et C–H a également confirmé les résultats, tandis qu'un fort pic –OH a été observé à 3200–3600 cm⁻¹. L'analyse XPS a indiqué que les signaux Cu 2p provenaient principalement de Cu₂(OH)₂CO₃ et Cu₂O, les C 1 présentant des liaisons C=C et C–C, ce qui est cohérent avec les résultats FTIR.

Figure 1. Préparation et caractérisation du catalyseur

Performances de dégradation catalytique

Lors de l'activation au persulfate (PDS), le catalyseur Cu-C a présenté une double voie de dégradation : élimination de 65 % de la tétracycline en 5 minutes (contre < 5 % pour les catalyseurs commerciaux) avec une lixiviation du Cu à seulement 1,25 mg/L, inférieure à la limite nationale. Des expériences de contrôle ont confirmé que la dégradation provenait d'une catalyse hétérogène. Des études d'optimisation sur le type d'oxydant, le dosage du catalyseur et le dosage de l'oxydant ont montré les performances supérieures du Cu-C par rapport à de nombreux catalyseurs à base de cuivre.

Figure 2. Performances de dégradation du nanocatalyseur Cu-C dans l'élimination des polluants

Voies catalytiques à double canal

Le mécanisme synergique impliquait à la fois des voies de transfert d'électrons radicalaires et directes, contribuant respectivement à environ 55 % et 45 %. L'extinction radicalaire, la détection EPR des signaux SO₄•⁻ et •OH, les décalages XPS (énergie de liaison Cu(II) ↓1,01 eV) et les mesures de courant électrochimique (~45 μA) ont tous confirmé la coexistence de ces mécanismes. La capacité des polluants à donner des électrons était positivement corrélée à la performance catalytique, validant ainsi la voie de transfert d'électrons directe.

Réduction de la toxicité et réutilisation de l'eau

L'analyse de toxicité a montré que les intermédiaires présentaient une toxicité LC₅₀ pour les poissons inférieure de 96 % à celle de la tétracycline, 90 % des intermédiaires présentant des effets développementaux ou mutagènes réduits. Les expériences de croissance algale ont démontré que l'eau traitée soutenait une biomasse algale saine comparable à celle de l'eau pure. Les lotus cultivés dans l'eau traitée ont montré une croissance significativement meilleure que ceux cultivés dans les eaux usées de tétracycline non traitées, confirmant le potentiel de réutilisation sûre de l'eau.

Figure 4. Faible toxicité des intermédiaires et réutilisation de l'eau traitée dans les systèmes aquatiques

Évolutivité et adaptabilité

La faisabilité a été validée à l'aide de poudres de Cu-C et de réacteurs à lit fixe (PTR) CuC@FC. Des expériences en flux continu avec de la tétracycline, du rouge de méthyle et du chlorobenzène ont révélé une élimination de plus de 99 % des polluants et colorants riches en électrons, bien que les performances soient inférieures pour les composés déficients en électrons. Comparée aux méthodes conventionnelles à haute température et haute pression, la synthèse de Cu-C nécessite des températures et des temps nettement plus bas, soulignant la faisabilité d'une production automatisée, à grande échelle et à faible consommation d'énergie pour les applications industrielles.

Ces travaux constituent une double avancée en termes d'efficacité et de durabilité pour la dégradation des polluants organiques. En favorisant les voies coopératives de transfert radicalaire et direct d'électrons, le catalyseur Cu-C s'adapte aux différentes conditions hydriques et aux caractéristiques des polluants. Cette conception ouvre la voie à un traitement des eaux usées à faible consommation d'énergie, hautement compatible et économe en ressources, offrant un nouveau paradigme pour la dépollution des eaux industrielles.