Révolutionner la décontamination de l’eau avec la technologie du plasma

Concept d'art de plasma à jet d'eau

La technologie du plasma a révolutionné la fabrication d’électronique et le traitement de l’eau, offrant des solutions durables aux défis modernes grâce à des conceptions de réacteurs innovantes.

Deux groupes de recherche de l’Université de Cordoue ont conçu un réacteur au plasma (un gaz ionisé) maintenu par des micro-ondes qui rend possible la décontamination des eaux à forte concentration de colorant.

Le plasma est un gaz ionisé, c’est-à-dire un gaz contenant des électrons, des ions, des atomes, des molécules, des radicaux et des photons. Il est souvent appelé le quatrième état de la matière et, étonnamment, il imprègne tout. Les plasmas, générés artificiellement par transmission d’énergie à un gaz, sont présents dans les tubes fluorescents qui éclairent les cuisines, mais ils ont également permis aux téléphones portables de devenir de plus en plus petits.

Le plasma dans la technologie

Le plasma a été une véritable révolution dans le monde de la technologie. Auparavant, pour graver les circuits sur les plaques de silicium utilisées dans les dispositifs électroniques tels que les téléphones portables, il était nécessaire d’utiliser des produits chimiques polluants. Désormais, l’utilisation du plasma a permis de le faire plus proprement et plus précisément, car il est possible de rendre les fentes de plus en plus petites et, avec elles, les appareils.

Applications environnementales du plasma

Mais le plasma a d’autres applications, telles que le traitement de l’eau. Les groupes de physique des plasmas FQM-136 et de catalyse organique FQM-346 et de matériaux nanostructurés de l’Université de Cordoue ont collaboré à une étude de recherche dont l’objectif était l’élimination des contaminants présents dans l’eau en appliquant du plasma pour promouvoir les processus chimiques.

Afin de s’attaquer au problème de la présence croissante de polluants organiques dans les eaux, tels que les colorants et autres composés, issus de l’activité agricole et industrielle, qui déstabilisent les écosystèmes, ces chercheurs ont opté pour l’application du plasma.

Francisco J. Romero, Juan Amaro et Maria C García

Les chercheurs Francisco J. Romero, Juan Amaro et Maria C García. Crédit : Université de Cordoue

Avancée dans la décontamination de l’eau

En 2017, ils ont montré, pour la première fois, que les plasmas d’argon induits par des micro-ondes, ouverts à l’air, lorsque manipulés avec de l’eau, génèrent en elle des espèces réactives contenant de l’oxygène et de l’azote (comme des radicaux hydroxyles, du péroxyde hydronous, des radicaux d’azote) capables de la décontaminer. Désormais, les chercheurs Juan Amaro Gahete, Francisco J. Romero Salguero et María C. García ont réussi à concevoir un réacteur de ce type de plasma et à augmenter significativement les quantités de ces espèces actives générées dans l’eau, permettant ainsi la destruction de fortes concentrations de colorants (dans ce cas, le bleu de méthylène) en seulement quelques minutes.

Innovations dans la conception des réacteurs au plasma

Cela a été réalisé en modifiant la conception du surfatron, le dispositif métallique qui mélange l’énergie d’un générateur de micro-ondes avec le plasma pour le maintenir. « Ce que nous avons fait, c’est de placer un petit morceau de silicium dans le tube de décharge en quartz, permettant de générer un plasma différent, qui n’est pas filamentaire et qui est plus efficace pour créer des espèces actives lorsqu’il interagit avec l’eau », a expliqué le professeur María C. García. Les composants de plasma mentionnés, lorsqu’ils interagissent avec l’eau, génèrent des espèces oxydantes capables de dégrader les composés organiques et de tuer les micro-organismes, ce qui permet à ce réacteur au plasma d’être utilisé dans des applications liées à la remédiation de l’eau.

Cette nouvelle configuration étend donc les possibilités d’application de ce type de plasmas. « La conception modifie complètement la configuration du champ électromagnétique généré par le surfatron pour créer le plasma, ce qui donne un plasma aux propriétés différentes et plus efficaces, éliminant également le problème de la filamentation (la division de la colonne de plasma en de nombreux filaments), qui le déstabilise », a expliqué le professeur García.

L’avenir de la décontamination au plasma

Et puis…décontamination. « Ces espèces oxydantes, générées en raison de l’action du plasma, sont très réactives et permettent de détruire la matière organique à l’intérieur de l’eau », a poursuivi le professeur Francisco J. Romero. Pour que cela se produise, le plasma n’est pas introduit dans l’eau. Il est plutôt fait pour agir à distance, de sorte qu’entre l’eau et le plasma, il y a une zone d’air où de nombreuses réactions se produisent en raison des collisions entre les espèces excitées et les molécules d’oxygène, d’azote et de vapeur d’eau, et des « espèces réactives qui diffusent dans le liquide et finissent par éliminer les contaminants » sont générées.

Le potentiel décontaminant de ce type de plasma, généré avec cette nouvelle conception, « a été éprouvé pour réduire les fortes concentrations de colorant bleu de méthylène dans l’eau, avec des résultats très efficaces en termes d’énergie, permettant l’élimination complète du colorant en réduisant les temps de traitement », a déclaré le chercheur Juan Amaro.

Ainsi, avec ce travail, des progrès sont réalisés dans l’une des applications du plasma, ce «quatrième état de la matière» créé en fournissant un gaz stable avec de l’énergie et en le convertissant en gaz ionisé, qui est applicable à presque tout : la fabrication de micro-puces, la désinfection de surfaces, la cicatrisation de blessures, le dépôt de revêtements antireflets sur les verres, l’amélioration de la germination des semences, la récupération des déchets, l’activation de la surface des plastiques pour obtenir une meilleure adhérence de la peinture, et d’innombrables autres applications.

Référence : «Modified surfatron device to improve microwave-plasma-assisted generation of RONS and methylene blue degradation in water» par Juan Amaro-Gahete, Francisco J. Romero-Salguero et Maria C. Garcia, 29 novembre 2023, Chemosphere.
DOI : 10.1016/j.chemosphere.2023.140820