Le fonctionnement détaillé du filtre
L’idée première pour filtrer l’eau est une filtration mécanique : c’est le mode opératoire du tamis, plus le maillage est fin et moins il y a d’impuretés qui passent. Par contre plus le maillage est fin et plus l’eau aura des difficultés à traverser ce filtre, donc plus les pertes de charge vont être importantes : il faudra beaucoup de pression à l’eau pour franchir ce filtre. Ce mode opératoire est utilisé par les filtres à café, qui retiennent les particules solides et laissent passer le liquide. A l’extrême c’est aussi le principe de l’osmose inverse, dont le maillage est tellement fin que seules les molécules d’eau traversent la membrane.
Un deuxième principe de nettoyage de l’eau existe, celui de l’adsorption : les impuretés sont attirées et vont venir se coller d’elles-mêmes sur les parois, sur du charbon actif ou de la zéolite par exemple.
L’eau contient certes des sédiments et autres particules solides qu’il faut filtrer, mais aussi des bactéries. Or, si des micro-organismes ne sont pas filtrés, des colonies microbiennes vont se retrouver en aval du filtre. Et s’ils sont retenus dans le filtre alors un développement bactérien va se produire sous forme de biofilm au sein de ce filtre. Au fil du temps ce biofilm risque de relarguer des colonies microbiennes, il est donc préconisé soit de changer régulièrement les filtres, soit d’inclure dans le système de filtration des éléments antibactériens.
Filtrer l’eau est une difficulté qui s’est aussi posée à la NASA : à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS) par exemple, chaque goutte d’humidité, transpiration, fluide corporel et échantillon d’eau doit être filtré afin de le recycler et le transformer en eau potable sans qu’il y ait de développement bactérien.
La solution mise au point est un média filtrant composé d’un maillage de fibres de verre, dont les pores sont suffisamment larges pour que les pertes de charges soient faibles, et dans lequel sont incorporés de la zéolite, des ions argent antibactériens ainsi que de la poudre de charbon actif. Ce média filtrant, appelé NanoCéram-Disruptor® (NC-D), associe le principe du tamis et celui d’une adsorption « haut de gamme », permettant d’avoir tous les avantages d’un filtre très fin (une filtration équivalente à 0,1 µm) mais sans les inconvénients liés à la perte de charge. (Cette innovation a valu à ce filtre le prix Hall of Fame de la Space Foundation en 2005).
Les points clés
Ions argent
Ajouter une étape « antimicrobienne » dans le processus de filtration empêchera la formation de biofilm. Depuis des milliers d’années l’argent est utilisé en médecine, et les scientifiques connaissent bien ses propriétés d’antibactérien puissant. Les ions d’argent (Ag+) agissent en perçant les membranes des bactéries puis pénètrent à l’intérieur pour les détruire. Ils se lient à des composants cellulaires essentielles comme l’ADN, empêchant ainsi les bactéries de fonctionner. Les ions d’argent à faibles concentrations sont toxiques pour les bactéries et les micro-organismes, mais ils ne le sont pour nos cellules qu'à de fortes concentrations [J. S. Clement, P. S. Jarrett, Metal Based Drugs 1994, 1:467-482.]
Les ions d'argent agissent en perçant les membranes des bactéries puis pénètrent à l'intérieur pour les détruire. Ils se lient à des composants cellulaires essentielles comme l'ADN, empêchant ainsi les bactéries de fonctionner.
Charbon actif
Les charbons actifs peuvent être obtenus à partir d’un grand nombre de matériaux carbonés (bois, charbon, résidus pétroliers, etc.), par des processus de carbonisation suivis de processus d’activation contrôlés. Les charbons actifs sont composés de micro cristallites élémentaires de graphite qui sont assemblées avec une orientation aléatoire. Les espaces entre ces cristallites forment les pores dont la distribution des tailles va de 0,002 à 0,05 µm. La surface des charbons actifs est en général non polaire, même si une légère polarité peut apparaître par une oxydation de la surface. En conséquence ils adsorbent de préférence les composés organiques non polaires ou faiblement polaires (par opposition à l’électro-adsorption décrite plus loin). Ils sont fréquemment utilisés pour la récupération des vapeurs de solvants et d'hydrocarbures, la décoloration de sucres, la purification d'eau, l’élimination d'odeur, etc.
Le charbon actif est généralement considéré comme le meilleur adsorbant disponible pour améliorer le goût et l'esthétique de l’eau, c’est aussi un très bon support pour l’adhésion de microorganismes. Le revers de la médaille étant la formation probable de biofilm à la surface des filtres à charbon actif.
Les filtres à charbon actif sont utilisés dans le traitement de l'eau pour éliminer les éléments suivants : matière organique, pesticides, PFAS (substances per- et polyfluoroalkylées), hydrogène carbones, phénols, chlore, composés chlorés, goût et odeur
Absorption, adsorption
L’absorption fonctionne à la manière d’une éponge : c’est un phénomène d'interaction en volume lorsque des molécules passent à l’intérieur d’un autre volume (remplissage d’un corps par un autre).
L'adsorption désigne un accrochage en surface, sans pénétration : l’adsorption fixe des molécules à la surface d’un solide, à la manière d’un aimant. C’est par un phénomène d’adsorption que le charbon actif va piéger les mauvaises odeurs.
La surface des éléments adsorbants peut être électriquement neutre, ou électriquement chargée. Dans ce dernier cas sont alors mises en œuvre des interactions de Van der Walls, c’est-à-dire l’attraction naturelle d’une charge positive avec une charge négative, à la manière d’un aimant pôle nord/pôle sud.
Zéolite
Certaines fibres minérales, lorsqu’elles sont baignées dans l’eau, développent naturellement une charge électrique à leur surface, qui va ainsi attirer et piéger les agents nocifs : ce principe de l’électro-adsorption est le cœur du média filtrant développé avec et pour la NASA.
Cette pierre d’origine volcanique se caractérise par sa structure microporeuse en nid d’abeille qui lui confère des propriétés d’adsorption exceptionnelles.
La zéolite est capable d’adsorber de nombreux types différents de molécules, que ce soit des gaz, des dérivés pétrochimiques, des métaux lourds et même des éléments radioactifs (la zéolite présente une affinité naturelle pour adsorber les nucléides radioactifs comme le césium et le strontium, ce qui la rend efficace pour capturer et éliminer ces contaminants). La composition chimique des différentes zéolites est proche de celle des argiles.
La zéolite naturelle a la propriété d’échanger les ions, absorbant le cadmium, le mercure, le nickel ou l’arsenic (métaux lourds) et libérant le calcium, le magnésium ou les phosphates.
De plus (voir https://www.zeolitestore.com/leau), leur efficacité est reconnue pour l’élimination de certains métaux lourds et d’éléments radioactifs dans des eaux industrielles et pour la déferrisation et la démanganisassions des eaux de forage. La grande polarité et la structure microporeuse des zéolithes, en font d’excellents adsorbants avec des performances similaires voire supérieures au charbon actif dans le cas du traitement de certains polluants tels que les organochlorés ou certains pesticides.
Zoom sur les fibres du filtre
La taille d’une bactérie est d’environ 2 µm (micromètres), c’est-à-dire 0,002 millimètres. Un cheveu est à 70 µm de diamètre, un virus entre 0,02 et 0,3 µm. Le sable très fin est à 50 µm, et l’argile 1 µm. Une filtration mécanique peut ainsi être suffisante pour les sables, les sédiments et microparticules solides dont les microplastiques, mais pas pour les virus (hormis par des systèmes d’osmose inverse).
Les fibres NanoCeram ont un diamètre de 2 nanomètres (nm), une longueur de 200 à 300 nm sont attachées à des micro-brins de verre (en comparaison, une feuille de papier a une épaisseur de 100 000 nm)
Le résultat ressemble à des brosses de mascara de taille nanométrique, avec une surface pouvant atteindre 500 mètres carrés par gramme.
Les fibres produisent une charge électropositive lorsque l'eau les traverse. De nombreuses impuretés portent une légère charge négative et sont donc absorbées par les fibres. Grâce à cette propriété, une seule couche du média obtenu, bien que ses pores aient une taille d'environ 2 microns, est capable d'éliminer plus de 99,99 % des particules de 0,025 micron. (Trois couches éliminent jusqu'à 99,9999 %). Parmi les nombreuses impuretés éliminées par le média filtrant figurent les bactéries, les virus, les kystes, les débris organiques, les parasites et les métaux dissous et particulaires tels que le fer et le plomb. La taille importante des pores par rapport aux particules qu'ils éliminent permet au filtre de réaliser le graal des médias filtrants : un débit élevé avec une grande capacité de rétention des saletés et une faible perte de charge.
Les fibres NanoCeram sont montrées ici en train de capturer des particules de silice pyrogénée d'une taille similaire à celle des virus.
Le procédé de fabrication des filtres NanoCéram-Disruptor®
La fabrication de la base du filtre se fait en rouleaux, type rouleau de papier : c'est la fibre du NanoCéram. Puis de la poudre de charbon actif (PAC) est imprégnée sur cette trame, ainsi que des ions argent, antibactériens. Le filtre est ensuite plié pour augmenter la surface de filtration.
Il est important de noter la distinction entre le nano-argent et la zéolite imprégnée d'argent utilisée dans les produits Disruptor®.
- Le nano-argent est généralement d'une taille de 25 nanomètres et peut se déplacer librement à travers la couche dermique et entre les cellules humaines
- La zéolithe imprégnée d'argent Agion® utilisée ici présente un diamètre moyen de 2 microns (2 000 nanomètres) ou environ 100 fois plus grand que le nano-argent
Cette différence de taille élimine la possibilité pour la zéolithe Agion® d'être considérée comme une nanoparticule. En outre, le produit Agion® contient l'argent à l'intérieur de la zéolite. L'argent n'est pas disponible sous une forme libre. Cela signifie que l'argent contenu dans la zéolithe peut être libéré uniquement en présence d'autres ions, qui prennent la place de l'argent dans la zéolithe. Cette méthode d'échange d'ions permet une libération contrôlée.
Applications industrielles et domestiques
Les membranes d’osmose inverse étant extrêmement fines, elles doivent être protégées en amont par un système de préfiltration. Plus ce système de préfiltration est efficace, et plus la durée de vie de ces membranes sera prolongée.
Leurs principales problématiques sont les suivantes :
- Colmatage par des particules sédimentaires submicroniques
- Détérioration par le chlore
- Création de biofilm par une accumulation de bactéries, virus, débris cellulaires, colloïdes et autres matières organiques.
Tous ces constituants étant retenus par la technologie NanoCéram-Disruptor®, une préfiltration NC-D va fournir en entrée d’osmose inverse une eau très faiblement colmatante : les périodes d’entretien, de nettoyage, de maintenance, de remplacement de ces membranes seront espacées.
Les applications industrielles sont multiples : filtration des eaux de process pour les tours de refroidissement, les boucles d'eau glacée, les systèmes de désinfection à l'ozone ou aux UV, les buses de pulvérisation à petite ouverture, les pompes, les systèmes de découpe au jet d'eau, l’alimentation des chaudières, la filtration de la gélatine, des encres, de l'amidon, du carbone, des pigments de peinture et de nombreux autres procédés industriels et pharmaceutiques.
Le système NC-D peut aussi être utilisé pour la filtration des eaux usées : COV, sous-produits de désinfection, traces de substances organiques toxiques, perturbateurs endocriniens, colorants solubles et particulaires, turbidité, particules, suspensions colloïdales, métaux.
NanoCéram-Disruptor® fonctionne efficacement dans les applications liquides de salinité faible ou élevée, jusqu’à 200°C et entre pH4 et pH9.
Ils utilisent la technologie NC-D :
La NASA ; US air Force ; Institut Pasteur ; US Environmental protection Agency ; JPL - Jet Propulsion Laboratory ; California Institute of Technology ; Toyota…
Les filtres sont fabriqués avec des matériaux qui répondent aux exigences de la FDA 21CFR177.1520 pour les applications en contact direct avec les aliments ; ils sont conformes aux normes internationales NSF/ANSI 42 et 61. Le pH et la teneur en minéraux ne sont pas modifiés ; les bactéries et micro-organismes sont totalement filtrés.
L’exemple de Toyota
Pour purifier l'eau recyclée, Toyota utilise des membranes d'osmose inverse, qui avaient tendance à s'encrasser facilement même avec l’utilisation de préfiltres. Ces préfiltres standard laissaient passer trop de particules et les membranes d’osmose inverse étaient à remplacer tous les 2 à 3 mois. En 2007, ces préfiltres sont remplacés par des cartouches NanoCéram-Disruptor®, et depuis les membranes d’osmose inverse durent 14 mois (c’est-à-dire 5 à 7 fois plus longtemps), sans modification du flux d’eau.
L’exemple dans une cave à vin
Le processus de production intègre un système de membrane à fibres creuses, avec une préfiltration via une cartouche de polypropylène de 5 µm et une autre de 1 µm. Cependant, la source d'eau d'alimentation contient de forts niveaux de fer sous forme de fer colloïdal ; avec un grand pourcentage de particules de taille inférieure à 1 µm, ce système de préfiltration n'était pas capable d'éliminer la majorité du fer colloïdal, entraînant un encrassement prématuré des membranes et des coûts de maintenance élevés.
La cartouche de 1 µm a simplement été remplacée par une cartouche filtrante NanoCéram-Disruptor® (le porte filtre est resté inchangé, les dimensions étant standard), la cartouche de 5 µm est laissée en place. La durée de vie effective des membranes filtrantes a augmenté de 3 à 4 fois, et les coûts de filtration ont été réduits de 30%.