Membrane PMMA/pPFPA à faible teneur en nanoparticules de TiO2 modifiées pour une rétention efficace des produits pharmaceutiques dans l’eau

Pourquoi il est important d’épurer l’eau contaminée par des médicaments

Des traces de médicaments de consommation courante, comme les antalgiques et les traitements cardiaques, sont désormais régulièrement détectées dans les rivières, les lacs et même l’eau potable. Les stations d’épuration classiques n’ont pas été conçues pour retenir ces petites molécules, de sorte que beaucoup passent à travers et se retrouvent à nouveau dans nos robinets. Cette étude explore un nouveau type de filtre plastique, ou membrane, qui non seulement retient les produits pharmaceutiques dans l’eau, mais contribue aussi à les dégrader en substances inoffensives lorsqu’elle est exposée à la lumière ultraviolette (UV).

Un filtre plus intelligent pour les polluants tenaces

Les chercheurs ont cherché à concevoir une membrane combinant trois fonctions utiles dans un même matériau : laisser passer l’eau, piéger les molécules médicamenteuses à sa surface, et les décomposer à l’aide de la lumière. Ils ont mélangé deux polymères, le PMMA et le pPFPA, pour former la structure principale et ont ajouté une faible quantité de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) spécialement modifiées. Le dioxyde de titane est bien connu pour son activité photocatalytique, mais il a tendance à s’agglomérer ou à se détacher des filtres. Ici, les particules ont été fonctionnalisées pour établir des liaisons chimiques fortes avec le polymère, ce qui les maintient en place et leur permet de fonctionner efficacement sur la durée.

Ajuster l’architecture interne de la membrane

Pour affiner la façon dont l’eau et les polluants circulent à travers le matériau, l’équipe a fabriqué deux versions de la membrane. La première (M1) contenait uniquement le mélange polymère de base et le TiO2. La seconde (M2) incluait en plus deux additifs hydrophiles, le PEG et le PVP, qui servent d’agents formateurs de pores lors de la fabrication. Les images microscopiques ont montré que M1 présentait des pores relativement larges et ouverts, tandis que M2 développait une structure plus dense, en éponge, avec des pores près d’un ordre de grandeur plus petits et beaucoup plus uniformes. Les mesures ont révélé que le diamètre moyen des pores diminuait d’environ 85 % et que la surface devenait plus attirante pour l’eau, facilitant ainsi le mouillage et l’écoulement à travers la membrane.

Comportement de la nouvelle membrane en contact avec l’eau

L’équipe a mesuré avec soin la charge de surface et le comportement de mouillage des deux membranes, car ces propriétés contrôlent l’interaction des produits pharmaceutiques avec le matériau. Sur la plage de pH courante des eaux, les deux membranes présentaient une charge négative, ce qui tend à repousser les molécules médicamenteuses chargées négativement et à réduire l’encrassement permanent. La membrane M2, grâce au PEG et au PVP, était légèrement moins négative mais plus hydrophile, s’imbibant d’eau plus facilement. Les tests d’adsorption de gaz ont révélé que, sous la structure visible, M2 contenait un réseau fin de pores à l’échelle nanométrique avec une surface spécifique plus élevée que M1. Cette combinaison de pores petits et bien connectés et d’une chimie hydrophile a donné à M2 un bon équilibre entre perméabilité à l’eau et abondance de sites de surface capables de capturer les polluants.

Mise à l’épreuve de la membrane

Les chercheurs ont ensuite soumis la membrane M2 à un mélange de trois médicaments courants : le diclofénac (un anti-inflammatoire), l’ibuprofène et le métoprolol (un médicament cardiaque). Dans un montage en flux imitant une filtration réelle, la membrane a retiré moins d’un tiers de chaque médicament par simple passage à travers les pores, reflétant leur petite taille par rapport aux ouvertures des pores. Cependant, en condition statique, jusqu’à 70 % de certains médicaments se sont adsorbés à la surface via la sorption. La vraie percée est survenue lorsque la lumière UV a été activée. Les nanoparticules de TiO2 fixées ont généré des radicaux hautement réactifs qui ont attaqué les molécules médicamenteuses, ouvrant leurs cycles et les convertissant finalement en composés plus petits et moins nocifs, comme le dioxyde de carbone et l’eau.

Nettoyage par la lumière, de l’intérieur vers l’extérieur

Lors des tests de photocatalyse, la membrane a atteint l’élimination complète des trois médicaments en environ deux heures sous illumination UV, surpassant nettement des filtres similaires décrits dans des études antérieures. Fait important, une fraction très faible de dioxyde de titane — moins de 0,05 % — a été détectée quittant la membrane, montrant que la stratégie de liaison chimique fixe efficacement les nanoparticules. Les expériences ont également permis de dissocier les contributions du tamisage simple, de la sorption de surface et de la dégradation induite par la lumière, démontrant que l’adsorption et la photocatalyse, plutôt que le rejet purement basé sur la taille, sont les principaux moteurs de l’élimination des contaminants dans ce dispositif.

Quelles implications pour l’eau potable de demain

Dans l’ensemble, l’étude présente une membrane robuste et activée par la lumière capable de traiter la pollution pharmaceutique par une combinaison de piégeage physique et de destruction à la surface, et cela avec de très faibles quantités de catalyseur. Pour un non-spécialiste, cela signifie dépasser les filtres qui se contentent de retenir les contaminants pour aller vers des matériaux qui contribuent à les éliminer. Si cette technologie est montée en échelle et couplée à des sources UV adaptées, de telles membranes pourraient permettre des étapes de traitement compactes qui éliminent discrètement les résidus de médicaments avant qu’ils n’atteignent nos robinets, offrant un outil prometteur pour une eau potable plus propre et plus sûre.

Citation: Pasichnyk, M., Schmitt, C., Plank, M. et al. PMMA/pPFPA membrane with low content of modified TiO₂ nanoparticles for effective retention of pharmaceuticals from water. Sci Rep 16, 10506 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45387-3

Mots-clés: médicaments dans l’eau, membranes photocatalytiques, nanoparticules de dioxyde de titane, traitement avancé de l’eau, nanocomposites polymères