Dégradation de nouveaux polluants par des membranes composées de nanofils en dioxyde de titane (TiO2) pendant le traitement de l’eau

Y. Norman Zhou, professeur, Université de Waterloo
Enjeu

L’accroissement de la population urbaine a pour effet d’augmenter les volumes d’effluents d’eaux usées municipales, causant de nombreux défis pour les réseaux d’eau, surtout en ce qui concerne les produits pharmaceutiques et de soins personnels (PPSP). Les usines de traitement des eaux usées n’ont pas été conçues pour éliminer les PPSP de leurs effluents. Par conséquent, de nombreux résidus de ces produits ont été détectés dans les effluents, et ils se retrouvent éventuellement dans les plans d’eau de surface qui servent de source d’approvisionnement en eau potable non traitée. Étant donné la méfiance du public à l’égard de l’eau potable municipale depuis la tragédie de Walkerton, les gestionnaires municipaux sont préoccupés par la détection à large échelle de résidus de PPSP, même si ce n’est qu’en très petites concentrations. Les techniques traditionnelles utilisées pour désinfecter l’eau potable non traitée, comme la chloration, sont généralement inefficaces pour éliminer les PPSP, tandis que les méthodes de pointe, comme l’osmose inversée, sont très efficaces, mais couteuses.

De récentes avancées technologiques produisent de nouveaux matériaux ayant des propriétés tensioactives uniques qui pourraient aider à éliminer les PPSP des sources d’eau potable non traitée. Ce projet de recherche vise à déterminer si des nanofils en dioxyde de titane (TiO2), structurés en membranes, peuvent mécaniquement filtrer, adsorber et dégrader divers PPSP.

Projet

L’objectif général du projet était de concevoir une nouvelle technologie de traitement de l’eau faisant appel à des membranes de nanofils de TiO2, dans le but principal d’éliminer de nouveaux contaminants, comme les PPSP.

Pour développer cette technologie, l’équipe a cherché à décrire les seuils de rétention fournis par la filtration mécanique, à évaluer la capacité du TiO2 d’altérer les réactions chimiques avec la lumière ultraviolette (UV) et évaluer l’efficacité du TiO2 pour éliminer un sous-ensemble de PPSP. Les chercheurs ont réalisé une série d’expériences pour déterminer l’augmentation de la structure des membranes de nanofils, ce qui impliquait la caractérisation de la porosité. Les taux d’élimination des PPSP par les membranes de nanofils de TiO2 ont été établis avec et sans la lumière UV et comparés aux pratiques commerciales actuelles. Les résultats ont démontré que la dégradation par le TiO2 avec induction UV est un mécanisme viable pour éliminer les PPSP.

La recherche en cours se fait sur un ensemble plus large de PPSP ayant diverses propriétés chimiques et physiques en vue de mieux comprendre les mécanismes de dégradation. Cela permettra ensuite de déterminer si les PPSP sont complètement minéralisés ou bien s’ils se dégradent simplement en composés plus petits qui pourraient conserver certaines de leurs propriétés biologiques originales. 

Dans le cadre de ce projet, les études sur la manière dont les PPSP sont adsorbés en présence des membranes de nanofils ont aussi été concluantes. Les résultats probants obtenus indiquent que l’adsorption atteindrait un équilibre après 20 à 30 minutes. Plus récemment, les chercheurs se sont penchés sur les propriétés d’ultrafiltration des membranes de nanofils de TiO2, étudiant particulièrement la façon dont les propriétés mécaniques peuvent être considérablement améliorées en ajoutant de l’argent au mélange.

Enfin, les chercheurs ont fait des progrès dans la conception d’un prototype de système de filtration en cycle fermé utilisant la lumière UV.

Produits
  • In 2013, a three-year NSERC Strategic Project Grant proposal entitled "Removal of drinking water contaminants with innovative TiO2 nanowire membranes" was successfully funded.
  • In February 2012, the research team chaired the section on "Nanotechnology in Water Treatment and Sampling Applications" in the 47th Central Canadian Symposium for Water Quality in Burlington. An estimated 30 researchers attended the section.
  • In April 2012, a technical presentation titled "Nanotechnology for innovative water treatment" was given to Conestoga Rovers & Associates.
  • Research progress was reported by Water Canada in a piece entitled "A Bitter Pill" in January 2012.
  • In February 2011, the research team chaired the section on "Nanotechnology for Water Treatment" in the 46th Central Canadian Symposium for Water Quality in Burlington. An estimated 30 researchers attended the section.
  • A presentation was made to the symposium "Nanotechnology for Energy and Environment" at Material Science & Technologies 2011 in Columbus, Ohio, USA, at which, more than 50 researchers and industrial delegates were present.

 

Other publications and presentations include:

Publications

Liang, R.,Hu, A., Li, W., Zhou, Y.N. (2013) Enhanced degradation of persistent pharmaceuticals in wastewater treatment effluents using TiO2 nanobelt photocatalysts. J. Nanoparticle Res. 15(9): 1990: 1 – 13.

Hu, A., Liang, R., Zhang, X, Kurdi, S., Luong, D., Huang, H., Peng, P., Oakes, K.D., Servos, M.R. (2013). Enhanced photocatalytic degradation of dyes by TiO2 nanobelts with hierarchical structures. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 256: 7-15.

Hu, A., Zhang, X., Luong, D., Oakes, K.D., Servos, M.R., Liang, R., Kurdi, S., Peng, P., Zhou, Y.N. (2013) Adsorption and Photocatalytic Degradation Kinetics of Pharmaceuticals by TiO2 nanowires During Water Treatment. Waste and Biomass Valorization 3: 443-449.

Hu, A., Zhang, X., Oakes, K.D., Zhou, Y. N., Servos, M.R (2011) “Hydrothermal growth of free standing TiO2 nanowire membranes for  photocatalytic degradation of pharmaceuticals.” J. Haz. Mat. 189:278-285.

Presentations

Hu. A, Zhang X, Oakes K, Servos M. R., Zhou Y. N. “Photocatalytic degradation of pharmaceuticals and mechanical filtration by TiO2 nanowire membranes.” Oral presentation in 22nd Canadian Materials Science Conference, Waterloo, Canada, June, 2010.”

Hu, A., Zhang, X., Oakes, K. D., Servos M., Zhou Y.N. “Development of TiO2 nanowire membranes for nanofiltration and photocatalytic degradation of water treatment.” Oral presentation in Materials Science & Technology 2010, Houston, USA, Oct. 2010.

Hu, A., Zhang, X., Luong D., Oakes K., Servos M., Zhou, Y. N. “Adsorption and photocatalytic degradation of pharmaceuticals by TiO2 nanowires.” Oral presentation in 46th CENTRAL Canadian Symposium on Water Quality Research. Canada Centre for Inland Waters, Burlington, ON, Feb. 2011

Hu. A., Zhang, X., Luong D., Oakes K., Servos M., Zhou, Y.N. “Adsorption and photocatalytic degradation kinetics of pharmaceuticals by TiO2 nanowires during water treatment.” Poster presentation in Connecting Water Resources 2011, Ottawa, Feb. 2011.

Liang, R., Hu, A., Zhang, X, Luong, D. Oakes, K.D., Servos, M.R., Zhou, Y.N. “TiO­2­ Membranes for Pharmaceutical Degradation in Wastewater.” Poster presentation in 47th CENTRAL Canadian Symposium on Water Quality Research, Burlington, ON, CAN, Feb. 2012.

Hu, A., Zhang. X, Pham P.H., Luong D., Kurdi, S., Liang, R., Huang, H. Oakes, K., Bols, N.C., Servos, M.R., Zhou, Y.N. ``Fast Synthesis of Large Scale High Performance TiO2 Nanowire Membranes for Water Treatment`` Oral presentation in 47th CENTRAL Canadian Symposium on Water Quality Research, Burlington, ON, CAN, Feb. 2012.

Kurdi, S., Hu, A.,  Huang, H., Liang, R., Peng, P., Zhou, Y.N. ``Investigation of the Roles of Active Oxygen Species in Photodegradation of the Heterocyclic Aromatic Chemical Compound Methylene Blue in TiO2 Photocatalysis Utilizing a 365nm UV Lamp`` Oral presentation in 47th CENTRAL Canadian Symposium on Water Quality Research, Burlington, ON, CAN, Feb. 2012.

Liang, R. Hu, A., Servos, M.R., and Zhou, Y.N. ``TiO2 Nanowires for Degradation of PPCPs and Flame Retardants in Water Treatment.`` Oral presentation in 48th CENTRAL Canadian Symposium on Water Quality Research, Hamilton, ON, CAN, Mar. 2013.

Hu, A., Liang, R., Servos, M.R., Zhou, Y.N. ``Development of Large scale high performance TiO2 nanowire membranes for water treatment`` Oral presentation in 48th CENTRAL Canadian Symposium on Water Quality Research, Hamilton, ON, CAN, Mar. 2013.

Li, W., Hu, A., Liang, Zhou, Y.N. ``Modified Preparation of Visible-light active TiO2 photocatalysts by iodine acid.`` Poster Presentation in 48th CENTRAL Canadian Symposium on Water Quality Research, Hamilton, ON, CAN, Mar. 2013.

Résultats

 

  • Increased understanding of the use of TiO2 nanowire membranes to degrade PPCPs for drinking water treatment. Results show that degradation efficiency can be improved by harvesting solar energy, which has the added benefit of reducing total energy costs.
  • Potential significant cost savings could be realized by municipalities, since ongoing operational costs of this treatment approach are expected to be minimal. This could result in potential technical upgrades of conventional drinking water treatment.
  • Potential changes in regulatory practices and policy related to the ability to remove trace contaminants.
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Équipe de Recherche et Partenaires:

Équipe de Recherche

Y. Norman Zhou, Professor, University of Waterloo
Anming Hu, Research Assistant Professor, University of Waterloo
Mark Servos, Professor, University of Waterloo
Susan Andrews, Professor, University of Toronto
Ken Oakes, Lecturer, University of Waterloo
Mélisa Hatat-Fraile, Post-Doctoral Fellow, University of Waterloo
Chang Ying, Post-Doctoral Fellow, University of Waterloo
Robert Liang, PhD Candidate, University of Waterloo
Maricor Arlos, PhD Candidate, University of Waterloo
Wenjuan LI, PhD Candidate, University of Waterloo
Stephanie Gora, PhD Candidate, University of Toronto
Aleksandra Sokolowski, MASc Candidate, University of Toronto

Partenaires

GE Water
Trojan Technologies
Conestoga Rovers and Associates
Municipalities of Peel, York, and Peterborough