Conception de nouveaux borates métalliques céramiques contenant du carbone pour la séquestration efficace du Toluidine Blue O dans les eaux usées

Pourquoi l’eau teintée est un problème pour tous

Des jeans bleus au papier imprimé, la vie moderne dépend des colorants — et une grande partie de nos eaux usées en contient. L’un de ces colorants, le Toluidine Blue O, est une teinte bleue vive utilisée en laboratoire et dans l’industrie. Il peut irriter la peau et les yeux, nuire aux organes internes après expositions répétées, et bloquer la lumière dans les rivières et lacs, stressant la vie aquatique. Cette étude explore de nouveaux matériaux céramiques peu coûteux capables d’absorber efficacement ce colorant tenace de l’eau, offrant un outil pratique pour des ruisseaux plus propres et une eau de robinet plus sûre.

Concevoir une éponge intelligente pour le colorant bleu

Les chercheurs se sont donné pour objectif de fabriquer de petites « éponges » solides qui saisissent le Toluidine Blue O dans l’eau et le retiennent fermement. Ils ont utilisé une recette chimique relativement simple, la méthode sol–gel de Pechini, pour obtenir deux matériaux apparentés, chauffés à 500 °C et 700 °C, surnommés AFB500 et AFB700. Chaque grain est un nanohybride — un mélange de plusieurs borates et d’oxydes de fer reliés par une faible quantité de carbone. Ce mélange a été choisi pour que différentes parties de la surface puissent attirer le colorant par divers mécanismes, augmentant à la fois la vitesse et la quantité totale de colorant enlevée.

À quoi ressemblent ces grains microscopiques

Pour comprendre le fonctionnement potentiel de ces nanohybrides, l’équipe a utilisé la diffraction des rayons X et la microscopie électronique pour observer leur structure interne et leur morphologie. AFB500, le matériau cuit à la température la plus basse, a formé des plaques et feuillets fins constitués de nombreux cristaux fins, lui conférant une surface relativement élevée et riche en petits pores. AFB700, chauffé plus intensément, s’est réorganisé en grains plus compacts et arrondis avec des pores plus grands mais moins nombreux et des cristaux plus ordonnés. Les deux contenaient le mélange prévu de bore, fer, aluminium, oxygène et carbone, mais AFB500 renfermait davantage de carbone, tandis qu’AFB700 était plus riche en phase minérale inorganique — des différences qui se sont révélées importantes pour les performances.

Comment les éponges attrapent et retiennent le colorant

Les essais en solution colorée ont montré que le pH, c’est‑à‑dire l’acidité, joue un rôle majeur. À faible pH, les surfaces des grains sont chargées positivement, comme les molécules de Toluidine Blue O, ce qui entraîne une répulsion et une capture de colorant très limitée. À pH 10, les surfaces deviennent négatives, créant une forte attraction électrostatique pour le colorant chargé positivement. En outre, des groupes riches en oxygène sur les surfaces borates et oxydes de fer peuvent former des liaisons hydrogène et des complexes faibles avec le colorant, tandis que les régions carbonées interagissent avec les anneaux aromatiques plats du colorant par empilement π‑π. Ensemble, ces mécanismes permettent à AFB500 d’éliminer environ 92 % du colorant dans des conditions optimales de laboratoire, et AFB700 environ 64 %, le colorant se déposant en une couche unique bien organisée à la surface.

Mettre à l’épreuve performances et durabilité

L’équipe a testé les matériaux dans des conditions variées simulant un usage réel : temps de contact, température, quantité d’adsorbant, salinité et concentration en colorant. AFB500 a systématiquement surpassé AFB700, grâce à ses pores plus fins et sa surface spécifique plus élevée, atteignant une capacité maximale d’environ 424 milligrammes de colorant par gramme de matériau — supérieure à celle de nombreux adsorbants précédemment étudiés tels que les zéolites, le gypse ou plusieurs composites magnetiques. L’adsorption suivait une loi temporelle simple (cinétique pseudo‑d’ordre un) et diminuait légèrement à température plus élevée, indiquant un processus spontané qui dégage un faible dégagement thermique. Des ions courants comme le sodium et le chlorure ont eu des effets modestes, tandis que d’autres colorants cationiques ont fortement concurrencé pour les mêmes sites, comme attendu dans des mélanges réalistes.

Du flacon de laboratoire aux eaux usées réelles

Autre point crucial, ces nanohybrides ne semblent pas d’usage unique. Les chercheurs ont débarrassé les grains du colorant capturé en les rinçant à l’acide chlorhydrique, ce qui inverse la charge de surface et libère le colorant en solution. À une acidité de 2 molaires, presque tout le colorant a été relâché, et AFB500 comme AFB700 ont conservé la majeure partie de leur capacité après au moins cinq cycles de réutilisation, avec peu de changement structural et sans lixiviation détectable de métaux. Mis au défi par des eaux usées de laboratoire réelles — contenant un cocktail de sels et d’éléments traces, auxquels on avait ajouté du Toluidine Blue O — les matériaux ont encore adsorbé de grandes quantités de colorant, AFB500 prenant à nouveau l’avantage. Cette combinaison de haute capacité, de réutilisabilité et de synthèse simple et évolutive à partir d’ingrédients peu coûteux fait de ces grains céramique‑carbone des candidats prometteurs pour les effluents chargés en colorants.

Ce que cela signifie pour une eau plus propre

En termes simples, l’étude montre que des particules céramiques conçues avec soin, enrichies d’un peu de carbone, peuvent agir comme des filtres puissants et réutilisables pour un colorant bleu dangereux. En modulant la température de cuisson, les auteurs ont pu ajuster l’équilibre entre surface spécifique et cristallinité, le matériau cuit à plus basse température, AFB500, offrant le meilleur compromis pour éliminer rapidement et en grande quantité le colorant. Parce que les produits de départ sont courants et que le procédé ressemble à une production céramique standard, ces matériaux pourraient, en principe, être produits à grande échelle et intégrés dans des unités de traitement pour les usines textiles, les laboratoires ou d’autres installations rejetant des eaux colorées. En aidant à éliminer des colorants tenaces comme le Toluidine Blue O, ils contribuent aux efforts plus larges, tels que l’objectif des Nations unies pour l’eau propre et l’assainissement, en transformant un problème de chimie complexe en une étape de filtration pratique.

Citation: Basha, M.T., Alhamzani, A.G. & Abdelrahman, E.A. Engineering novel ceramic metal borates containing carbon for efficient sequestration of Toluidine Blue O from wastewater. Sci Rep 16, 4526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37604-w

Mots-clés: traitement des eaux usées, élimination des colorants, nanomatériaux, adsorption, Toluidine Blue O