Hydroxyapatite modifiée au benzoate de sodium innovante pour une amélioration de l’élimination des colorants via une approche combinée expérimentale et DFT

Éliminer la couleur de l’eau polluée

Partout dans le monde, des colorants industriels vifs qui rendent nos vêtements, médicaments et cosmétiques attractifs teintent discrètement rivières et lacs. Beaucoup de ces colorants se dégradent difficilement et peuvent nuire aux poissons, aux écosystèmes et même à la santé humaine. Cet article présente un nouveau matériau peu coûteux, inspiré du minéral des os, capable d’extraire efficacement un colorant bleu courant de l’eau, ouvrant la voie à des options de traitement plus simples pour les eaux usées contaminées par les colorants.

S’inspirer des os

L’ingrédient central de cette étude est l’hydroxyapatite, un minéral qui constitue une grande partie de nos os et de nos dents. Riche en calcium et phosphate et déjà largement utilisé en médecine, il est considéré comme sûr, peu coûteux et facile à produire. Des scientifiques ont récemment découvert que ce minéral peut aussi agir comme une petite éponge pour de nombreux polluants dans l’eau, en particulier les métaux et certains composés organiques. Toutefois, sa surface naturelle n’est pas idéale pour capter des molécules de colorant tenaces, si bien que l’équipe a cherché un moyen de « l’améliorer » sans perdre son faible coût ni son caractère respectueux de l’environnement.

Donner au minéral un revêtement intelligent

Les chercheurs ont modifié l’hydroxyapatite en y greffant du benzoate de sodium, un composé simple et peu coûteux souvent utilisé comme conservateur alimentaire. Ils ont mélangé les éléments constitutifs du minéral avec différentes quantités de benzoate de sodium (5 %, 10 % et 15 % en poids) lors de la synthèse, de sorte que les groupes organiques deviennent partie intégrante de la surface. Une série de techniques — diffraction des rayons X, spectroscopie infrarouge, microscopie électronique et analyse thermique — a montré que la structure cristalline d’inspiration osseuse restait intacte, tandis que la surface devenait plus poreuse, plus ordonnée et plus résistante à la chaleur. Autrement dit, le minéral conserve son ossature solide tout en gagnant une peau active riche en groupes chargés négativement qui peuvent attirer des molécules de colorant chargées positivement.

Mettre le nouveau matériau au travail

Pour tester les performances, l’équipe s’est concentrée sur le bleu de méthylène, un colorant bleu largement utilisé connu pour sa persistance et ses risques potentiels pour la santé. Ils ont agité les poudres modifiées et non modifiées dans des solutions colorées sous conditions contrôlées et suivi la disparition de la couleur dans l’eau. Le meilleur matériau, contenant 15 % de benzoate de sodium, a éliminé environ 90 % du colorant et a adsorbé à peu près deux tiers de colorant en plus par gramme que l’hydroxyapatite simple. Des essais à différents pH ont montré que le revêtement au benzoate de sodium rend les surfaces des particules plus chargées négativement dans des conditions de traitement typiques, attirant fortement le colorant chargé positivement. Des expériences chronologiques ont révélé que la majeure partie de l’élimination se produit dans les 20 premières minutes et suit un schéma compatible avec une liaison contrôlée de type chimique plutôt qu’un simple collage faible et réversible.

Observer les interactions invisibles

Pour comprendre pourquoi le revêtement fonctionne si bien, les chercheurs ont utilisé des calculs informatiques avancés basés sur la chimie quantique. Ces simulations ont examiné comment les électrons sont distribués dans la molécule de benzoate de sodium et comment celle-ci se fixe à la surface de l’hydroxyapatite. Les résultats indiquent que la partie carboxylate du benzoate de sodium forme des interactions fortes, mais non destructrices, avec les sites calciques du minéral. Cette ancrage crée des zones négatives stables et des cycles aromatiques qui, ensemble, favorisent une forte attraction électrostatique et des interactions d’empilement avec les molécules de bleu de méthylène. Les modèles théoriques d’adsorption du colorant correspondaient aux expériences, suggérant que les molécules de colorant forment une couche ordonnée d’une seule molécule d’épaisseur sur la surface modifiée plutôt que de s’entasser de façon désordonnée.

Vers une eau plus propre avec des poudres simples

En termes simples, l’étude montre que doter un minéral d’aspect osseux d’un mince revêtement « conservateur » le transforme en une éponge puissante pour la couleur : il extrait rapidement les molécules de colorant de l’eau, les retient fermement en une seule couche à sa surface et reste stable à la chaleur et en conditions alcalines. Parce que les deux ingrédients — l’hydroxyapatite et le benzoate de sodium — sont peu coûteux et déjà considérés comme sûrs, cette approche pourrait être montée en échelle pour traiter les eaux usées chargées en colorants provenant du textile, de la pharmacie et d’autres industries, contribuant à rendre rivières et lacs plus clairs et plus sûrs.

Citation: Boukra, A., Boukra, O., Latifi, S. et al. Innovative sodium benzoate-modified hydroxyapatite for enhanced dye removal using a combined experimental and DFT approach. Sci Rep 16, 9870 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39075-5

Mots-clés: traitement des eaux usées, adsorption des colorants, hydroxyapatite, bleu de méthylène, benzoate de sodium