Percée en nanotechnologie 3D offrant de l’eau propre purifiée par la lumière du soleil

L’accès de tous à une eau potable sûre et propre est l’un des principaux défis auxquels le monde est confronté aujourd’hui.

Environ la moitié de la population mondiale, selon le Rapport de développement de l’eau de l’ONU 2024, connaît une pénurie d’eau sévère pendant au moins une partie de l’année. Les déficits en eau ont en fait été liés à une augmentation de 10 % des migrations mondiales.

Les faibles niveaux de traitement des eaux usées entraînent une mauvaise qualité de l’eau dans les pays à revenu faible, tandis que le ruissellement agricole constitue un problème majeur dans les pays à revenu élevé.

Parallèlement, la demande d’eau potable propre continue d’augmenter avec la croissance de la population mondiale. La croissance démographique rapide, l’urbanisation et l’augmentation des besoins en eau des secteurs de l’énergie, de l’agriculture et de l’industrie contribuent à la hausse de la demande en eau.

Cependant, les données suggèrent que des milliards de personnes n’auront pas accès à une eau sûre, à l’assainissement et à l’hygiène d’ici 2030. En 2022, 703 millions de personnes n’avaient pas de service d’eau de base, tandis qu’un nombre bien plus élevé, 2,2 milliards, manquait d’eau potable gérée de manière sûre.

Dans ce contexte, la disponibilité de l’eau devient moins prévisible, tandis que la rareté de l’eau devrait augmenter avec la hausse des températures mondiales due au changement climatique. Les ressources en eau sont également menacées par la pollution et les maladies d’origine hydrique.

Le défi des eaux usées non traitées

La grande majorité des déchets industriels, selon les Nations Unies, est éliminée dans les pays en développement sans être entièrement traitée.

Par ailleurs, seule une petite fraction des eaux usées mondiales est correctement traitée. Selon l’ONU, la proportion d’eaux usées totales recevant un certain niveau de traitement ne pouvait être calculée que pour 73 pays (42 % de la population mondiale), sur 107 pays (73 % de la population mondiale) qui ont fourni des statistiques sur les eaux usées en 2022.

Les rapports sur le traitement des eaux usées industrielles sont extrêmement limités, avec des données provenant seulement de 22 pays (8 % de la population mondiale), où seulement 38 % des eaux usées industrielles ont été déclarées traitées. De plus, seulement 27 % des eaux usées ont été traitées de manière sûre.

En ce qui concerne les eaux usées domestiques (ménagères), 42 % n’ont pas été traitées de façon sûre. La principale raison était l’absence d’un système adéquat de collecte des eaux grises et des eaux noires.

Les eaux usées sont l’eau générée après l’utilisation domestique, industrielle et commerciale d’eau brute, d’eau douce ou d’eau potable. Elles contiennent diverses substances pouvant être nocives pour les écosystèmes et la santé humaine.

Des substances telles que les métaux lourds, les polluants organiques et inorganiques, les agents pathogènes et les rejets industriels, entre autres, introduits dans l’eau ne se décomposent pas naturellement, ce qui signifie qu’ils persistent dans l’environnement.

Il existe également des contaminants émergents, notamment les détergents, les produits chimiques industriels, les produits pharmaceutiques, les cyanotoxines, les hormones, les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) et les nanomatériaux, qui causent le chaos.

L’innovation technologique peut offrir des options de traitement haute performance et à faible coût afin d’assurer une eau propre et abordable pour tous.

Certaines de ces innovations en purification de l’eau comprennent des technologies de membranes avancées telles que l’osmose inverse (RO), l’ultrafiltration (UF) et la distillation membranaire à contact direct (DCMD).

Les filtres alimentés par l’énergie solaire utilisent l’énergie solaire pour rendre l’eau propre accessible dans les zones reculées. Des technologies émergentes comme l’électrocoagulation, les piles à combustible microbiennes et les procédés d’oxydation avancée contribuent également à améliorer la qualité de l’eau.

Une autre innovation technologique qui stimule la purification de l’eau est la nanotechnologie, qui offre une élimination efficace des polluants et des germes.

Nanotechnologie pour un traitement efficace de l’eau

Les méthodes conventionnelles de désinfection de l’eau sont très efficaces et, à ce titre, largement utilisées, mais elles présentent leurs propres inconvénients. Par exemple, la chloration comporte un risque de formation de sous‑produits de désinfection nocifs. Le rayonnement ultraviolet, quant à lui, nécessite des apports énergétiques importants et a une efficacité limitée contre des bactéries comme E. coli résistant à la tétracycline.

Dans le but d’améliorer les processus de traitement de l’eau, les scientifiques ont réalisé des avancées technologiques qui ont conduit à l’utilisation de la nanotechnologie dans la purification de l’eau pour une consommation sûre.

La nanotechnologie implique la manipulation délibérée de la matière à une échelle très petite, et elle a le potentiel de jouer un rôle clé dans la gestion intégrée de l’eau afin d’augmenter l’efficacité des traitements et même d’élargir les approvisionnements en eau en utilisant des sources d’eau non conventionnelles.

Pour accroître l’accès à une eau potable propre et sûre, la nanotechnologie traite les eaux souterraines, les eaux de surface et les eaux usées avec des nanomatériaux innovants. Parmi les avancées en nanotechnologie utilisées pour le traitement des eaux usées figurent les nanoparticules magnétiques, les nanoparticules bioactives, la nanofiltration, les nano‑adsorbants, les nanocatalyseurs, les nanopoudres, les nano‑biocides et les nanofibres.

Les scientifiques ont largement démontré l’utilisation de nanotubes de carbone et de nanocellulose pour la filtration de l’eau. Ces méthodes éliminent les métaux lourds toxiques de l’eau, empêchent les risques biologiques et chimiques d’entrer dans l’eau et adsorbent les contaminants des flux d’eau. Même les nanoparticules d’or ont été utilisées pour purifier l’eau des polluants tels que les pesticides et les produits pharmaceutiques.

Bien que la nanotechnologie offre des solutions prometteuses pour l’eau potable propre, elle fait face à d’éventuels risques pour la santé et l’environnement liés aux nanomatériaux ainsi qu’à d’importantes difficultés de production à grande échelle et de coût, d’où son implémentation limitée.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université d’État d’Ohio proposent une nouvelle méthode de purification de l’eau potable : des couvertures nanotechnologiques 3D.

Fabriquées à partir de nanofibres de dioxyde de titane (TiO₂), elles exploitent la lumière du soleil pour décomposer les polluants nocifs dans l’eau et générer de l’énergie durable. Elles ne produisent pas de sous‑produits toxiques, et l’équipe possède les moyens de les produire à l’échelle commerciale.

Une nouvelle méthode pour purifier l’eau potable

Dans la dernière étude, soutenue par la National Science Foundation, des chercheurs ont créé un nouveau matériau pour purifier l’eau en éliminant les polluants dangereux.

Le nouveau matériau a été développé en combinant deux méthodes — les gels de chimie douce et l’électrofilage en mélange.

Dans l’électrofilage, une méthode de production de fibres, une force électrique est appliquée à une solution pour créer des nanofibres. Cette méthode est couramment utilisée pour préparer des nanofibres longues et continues. L’équipe a ainsi développé de fines bandes semblables à des fibres de dioxyde de titane.

Le dioxyde de titane (TiO₂) est un composé inorganique généralement utilisé dans les capteurs de gaz, les cellules solaires, la photocatalyse et les technologies autonettoyantes.

Bien que le composé constitue une excellente source d’énergie alternative, les systèmes de carburant solaire utilisant ses nanoparticules sont généralement limités en puissance. En effet, ils ne peuvent subir la photocatalyse qu’en absorbant la lumière ultraviolette (UV) non visible, ce qui entraîne une faible efficacité et nécessite des systèmes de filtration complexes, créant des défis pour leur mise en œuvre.

De plus, la courte durée de vie des électrons et des trous photo‑générés dans les nanoparticules de TiO₂ entrave leur utilisation efficace, tandis que l’absence d’une nanostructure auto‑supportée facilement récupérable demeure un défi.

Diverses études ont exploré le dopage avec différents ions métalliques tels que Ag (argent), Fe (fer), Pd (palladium), Pt (platinum), Zn (zinc), Mn (manganèse), B (bore) et Zr (zirconium) afin de surmonter ces limites et d’améliorer les propriétés photocatalytiques du dioxyde de titane.

Mais c’est le cuivre (Cu) qui a montré du potentiel. L’ajout de ce métal mou, très conducteur thermiquement et électriquement, au matériau a changé la donne. Cependant, cela a nécessité de réduire la bande interdite optique et d’augmenter le rapport surface/volume du titane dopé au cuivre afin d’obtenir l’activité photocatalytique souhaitée, ce qui a engendré d’autres problèmes.

Ainsi, les chercheurs ont dû concevoir un système qui fournit des nanoparticules de TiO₂ dopées au Cu stables avec un rapport surface/volume élevé grâce à des procédés basés sur les nanofibres.

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Un outil de dépollution de l’eau et de génération d’énergie

L’étude, publiée dans la revue Advanced Science¹, détaillait les nouvelles structures résultantes, appelées nano‑tapis. Ces nano‑tapis peuvent absorber suffisamment d’énergie lumineuse pour décomposer les polluants dangereux dans l’air et l’eau.

« Il n’existait pas de moyen simple de créer quelque chose comme une couverture que l’on peut poser sur l’eau et commencer à générer de l’énergie. Mais nous sommes les seuls à avoir fabriqué ces structures et les seuls à avoir démontré qu’elles fonctionnent réellement. »

Ce que l’ajout de cuivre a fait au dioxyde de titane, c’est qu’il a suralimenté le processus de destruction des polluants.

Dans ce processus, lorsque le TiO₂ absorbe la lumière, des électrons sont générés, qui oxydent l’eau et attaquent les polluants, qui sont détruits jusqu’à devenir inoffensifs.

Pour déterminer la grande efficacité du nouveau matériau, les chercheurs ont caractérisé les propriétés mises à jour du nano‑tapis. Cela les a aidés à comprendre son comportement et ce qui le distinguait réellement des autres nanoparticules autonettoyantes.

Les chercheurs ont découvert que, exposés à la lumière naturelle du soleil, ces nano‑tapis peuvent être plus performants en génération d’énergie que les panneaux solaires traditionnels.

« Ces nano‑tapis peuvent être utilisés comme générateur d’énergie ou comme outils de dépollution de l’eau. Dans les deux cas, vous disposez d’un catalyseur avec l’efficacité la plus élevée jamais rapportée à ce jour. »

– Gouma

De plus, ces tapis de fibres sont légers, faciles à retirer et peuvent flotter et fonctionner au-dessus de n’importe quel plan d’eau. Ils sont également réutilisables et peuvent subir plusieurs cycles de nettoyage.

Compte tenu de la grande efficacité de ces nano‑tapis, les chercheurs envisagent leur utilisation pour éliminer les polluants industriels de l’eau dans les pays en développement et transformer les rivières et lacs contaminés en sources d’eau potable propre.

En outre, le fait que cette technologie ne génère aucun sous‑produit toxique rend les nano‑tapis respectueux de l’environnement.

« C’est un matériau sûr, il ne nuira à rien, et il est aussi propre que possible. »

– Gouma

En ce qui concerne la commercialisation de cette technologie efficace, pour laquelle l’équipe possède les outils appropriés, cela dépend de la prise de conscience par les industries.

« Nous disposons des outils pour les fabriquer en grande quantité et les adapter à diverses industries. La seule limitation est qu’il faut quelqu’un pour exploiter ces ressources abondantes. »

– Gouma

Dans l’ensemble, l’équipe croit au potentiel des nano‑tapis. Ils pourraient être utilisés pour fournir de l’eau potable propre dans les usines de traitement de l’eau, les zones reculées et les opérations de secours en cas de catastrophe. Selon les tests supplémentaires et l’évolutivité, des applications commerciales pourraient émerger d’ici 3 à 5 ans.

L’équipe estime que ces nano‑tapis pourraient également être des outils prometteurs dans de nombreuses applications photocatalytiques futures. Cela inclut des initiatives de durabilité à long terme telles que la production d’hydrogène alimentée par le soleil et la dépollution environnementale.

Pour l’instant, l’équipe travaille à améliorer le matériau, qui est totalement novateur. Cette nouvelle forme de nanotechnologie, a déclaré Gouma, est « vraiment impressionnante et quelque chose qui nous enthousiasme énormément ».

Entreprise innovante

Xylem Inc. (XYL ) 

Leader mondial de la technologie de l’eau, Xylem développe des solutions innovantes pour la purification et le traitement de l’eau, ce qui en fait un candidat solide pour l’intégration de systèmes de purification de l’eau basés sur la nanotechnologie.

L’entreprise propose des produits couvrant un large éventail d’applications, notamment l’eau, les pompes à eau, les équipements de traitement, les pompes, les vannes et les échangeurs de chaleur. Elle fournit également des instruments d’analyse pour les tests de l’eau et des solutions pour l’utilisation intelligente et la conservation des ressources critiques en eau et en énergie.

En matière de traitement des eaux usées, Xylem propose un processus biologique appelé traitement aérobie, qui se déroule en présence d’oxygène et convertit les matières organiques en dioxyde de carbone et nouvelle biomasse. Il existe également le traitement anaérobie des eaux usées, qui se déroule en l’absence d’oxygène, où les micro-organismes décomposent les déchets organiques. Il est généralement utilisé pour le traitement des eaux usées industrielles chaudes et à haute concentration, contenant une grande quantité de matière organique biodégradable.

Xylem propose également une solution de gestion numérique de l’eau appelée Water One® qui optimise votre système de traitement de l’eau pour une plus grande efficacité.

Les systèmes de désinfection de l’entreprise sont proposés pour les applications d’eau municipales, industrielles et récréatives. Ils comprennent des analyseurs et des contrôleurs de processus, des équipements de génération de dioxyde de chlore, des systèmes d’alimentation en gaz, des systèmes à ozone, des systèmes de génération d’hypochlorite, des systèmes de désinfection ultraviolet, et plus encore.

Ses systèmes d’eau à haute pureté, quant à eux, traitent l’eau à travers plusieurs étapes afin de vous aider à respecter les normes de qualité pour les applications critiques dans les laboratoires, les soins de santé, l’industrie pharmaceutique et les semi-conducteurs.

Les solutions de filtration de Xylem couvrent quant à elles tout, des filtres à média régénératif, filtres à disque, filtres à sable, filtres microsable haute efficacité et filtres à pression, aux membranes d’osmose inverse, pompes à vis, systèmes UF, microfiltration, systèmes de contrôle des odeurs en phase vapeur et adoucisseurs d’eau. Cela offre une large gamme d’options pour les usages récréatifs et industriels ainsi que pour les piscines et le traitement tertiaire des eaux usées des municipalités.

Aujourd’hui, Xylem est une entreprise dont la capitalisation boursière s’élève à 29,65 milliards de dollars et dont les actions, au moment de la rédaction, se négocient à 122,02 $, en hausse de 5,17 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de 3,65, un ratio P/E (TTM) de 33,40 et un ROE (TTM) de 8,55 %. L’entreprise verse un rendement de dividende de 1,31 %.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, pour le quatrième trimestre 2024, elle a déclaré une hausse de 7 % du chiffre d’affaires, atteignant 2,3 milliards de dollars, tandis que les commandes s’élevaient à 2,2 milliards de dollars. Le bénéfice par action pour le trimestre était de 1,34 $, en hausse de 22 %, et s’établissait à 1,18 $ sur une base ajustée, en hausse de 19 %.

« L’équipe a réalisé un quatrième trimestre solide pour clôturer une année record pour Xylem. Tous les segments ont affiché une forte croissance des commandes au T4, nous donnant un élan pour 2025 grâce à une demande sous-jacente résiliente. »

– PDG Matthew Pine

Le revenu net du trimestre était de 326 millions de dollars, et le revenu net ajusté était de 287 millions de dollars. Xylem a augmenté son dividende du premier trimestre de 11 % à 0,40 $ par action, qui a été versé aux actionnaires ce mois-ci.

Pour l’année complète 2024, le chiffre d’affaires était de 8,6 milliards de dollars, soit une hausse de 16 %. Le bénéfice par action était de 3,65 $, en hausse de 31 %, et de 4,27 $ sur une base ajustée, en hausse de 13 %.

Pour l’ensemble de l’année, les prévisions de Xylem sont un chiffre d’affaires compris entre 8,6 et 8,7 milliards de dollars, et une marge de flux de trésorerie disponible prévue entre 9 et 10 %.

L’entreprise s’attend à ce que son bénéfice par action pour cette année se situe entre 4,50 $ et 4,70 $. Selon Pine :

« Nos prévisions pour 2025 reflètent l’engagement de l’équipe envers notre cadre à long terme alors que nous continuons à permettre à nos clients de relever les plus grands défis mondiaux liés à l’eau. »

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Conclusion

Le monde fait face à une crise de l’eau, avec des millions de personnes n’ayant pas accès à une eau potable sûre et à l’assainissement. Cette rareté de l’eau résulte d’une population croissante, de la pollution, de la surexploitation et du changement climatique. La situation devrait s’aggraver encore dans les années à venir, créant un besoin de solutions rentables et plus efficaces pour relever ce défi.

Le traitement des eaux usées est une stratégie cruciale qui peut aider à atténuer la pénurie d’eau en améliorant la qualité de l’eau, en augmentant l’accès à l’eau, en réduisant la dépendance aux sources d’eau douce et en faisant de l’eau une ressource plus durable.

La nanotechnologie a longtemps promis de révolutionner la purification de l’eau, mais elle n’a pas encore été largement adoptée. Ainsi, le développement de couvertures nanotechnologiques 3D représente une avancée majeure. Ces couvertures utilisent la lumière du soleil pour éliminer les polluants tout en générant de l’énergie durable.

La nature légère et réutilisable de ces nano‑tapis, combinée à l’absence de sous‑produits toxiques, en fait une alternative respectueuse de l’environnement aux méthodes de filtration conventionnelles. À mesure que les industries s’en rendent compte, cette technologie novatrice pourrait redéfinir notre approche du traitement de l’eau à l’échelle mondiale. Une commercialisation réussie, quant à elle, répondra aux besoins en eau potable propre et sûre de centaines de millions de personnes à travers le monde !

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